基于砷化鎵襯底的低閾值X波段射頻微機械開關(guān).pdf

1、目前,以PCB板為基礎的多芯片技術(shù)在速度、功耗等方面已無法滿足現(xiàn)代信息系統(tǒng)的要求.為了達到高速、低功耗的目的出現(xiàn)了"系統(tǒng)芯片"技術(shù),即將整個電子信息系統(tǒng)集成在一個芯片內(nèi).但是,許多傳統(tǒng)的射頻電子器件的制作工藝,例如變?nèi)荻O管、石英晶體振蕩器等,無法與CMOS平面集成工藝相兼容.因此,有必要開發(fā)新型的器件和工藝.用微加工技術(shù)制作的射頻無源器件,其最大的優(yōu)點是易于實現(xiàn)片上集成,這為進一步降低射頻系統(tǒng)的功耗、改善系統(tǒng)的性能提供了技術(shù)支持,并有

2、助于集成系統(tǒng)芯片技術(shù)的發(fā)展.在射頻微機械器件中,MEMS開關(guān)是最早應用的射頻器件.和傳統(tǒng)的半導體開關(guān)相比,MEMS開關(guān)以其極低的直流功耗和優(yōu)越的高頻特性在微波/毫米波電路中表現(xiàn)出巨大的應用前景.自1979年P(guān)etersen首次提出靜電驅(qū)動的懸臂梁開關(guān)以來,已研究出多種結(jié)構(gòu)形式的微機械開關(guān),例如懸臂梁開關(guān)、旋轉(zhuǎn)開關(guān)和膜開關(guān)等,其中兩種主要的MEMS開關(guān)結(jié)構(gòu)是:串聯(lián)金屬接觸式開關(guān)和并聯(lián)電容式開關(guān).從技術(shù)發(fā)展的角度來看,由于硅制作工藝較為成熟

3、且對硅的材料特性研究深入,所以現(xiàn)在MEMS開關(guān)大多是制作在硅襯底上的.為了能與高速GaAs信號處理電路相集成,有必要研究基于砷化鎵襯底的RF MEMS開關(guān).此外,和FET開關(guān)和PIN二極管開關(guān)相比,MEMS開關(guān)的壽命和閾值電壓成為阻礙開關(guān)進一步應用的主要因素.該文將主要研究基于砷化鎵襯底的低閾值X波段射頻微機械開關(guān).為了設計和制作高性能的RF MEMS開關(guān),論文主要從三個方面對微機械開關(guān)進行了研究.首先是設計低閾值電壓微機械開關(guān)的結(jié)構(gòu).

4、目前,高驅(qū)動電壓是阻礙MEMS開關(guān)實用化的主要因素之一.對于常規(guī)結(jié)構(gòu)尺寸的微機械開關(guān),其閾值電壓通常在20~80V,這遠大于普通的MOS電路(3V)和TTL電路(5V)的工作電壓.因此,降低開關(guān)的閾值電壓是MEMS開關(guān)結(jié)構(gòu)設計的主要問題.為了設計低閾值電壓的MEMS開關(guān),有必要研究開關(guān)的閾值電壓和開關(guān)材料、結(jié)構(gòu)尺寸之間的關(guān)系.該文在Petersen和Santos等人研究的基礎上,利用材料力學的相關(guān)知識,建立了膜開關(guān)結(jié)構(gòu)的力學解析模型,并

5、用數(shù)值方法進行了驗證.通過對膜開關(guān)結(jié)構(gòu)的詳細分析,我們設計了三種結(jié)構(gòu)形式的低閾值開關(guān).利用Ansys、Coventorware等有限元軟件并結(jié)合等效彈簧理論分析了開關(guān)結(jié)構(gòu)和閾值電壓之間的關(guān)系,并最終優(yōu)化了開關(guān)梁部分的尺寸設計.其次是建立了微機械開關(guān)的端口阻抗匹配模型.微機械開關(guān)的結(jié)構(gòu)和工作機理決定了MEMS開關(guān)具有優(yōu)越的高頻特性.為了進一步優(yōu)化開關(guān)的微波特性,減小開關(guān)的回波損耗,在微機械開關(guān)的微波設計中,開關(guān)的輸入/輸出端口阻抗將設為額

6、定值,通常為50Ω.該文在Jeremy等人對MEMS開關(guān)微波等效電路模型分析的基礎上,利用高頻傳輸線理論,首次建立了MEMS開關(guān)的"開"態(tài)阻抗匹配模型,并利用該模型對開關(guān)的結(jié)構(gòu)尺寸進行了優(yōu)化設計.模型得到了高頻有限元軟件HFSS的驗證.再次是研究了MEMS開關(guān)的砷化鎵表面微加工工藝.和硅材料相比,砷化鎵在高溫下易于分解.因而,這就限制了砷化鎵工藝中犧牲層和結(jié)構(gòu)層材料的選擇.基于砷化鎵MMIC標準的工藝線,該文提出了一套與之相兼容的砷化鎵