射频系统中MEMS谐振器、滤波器基础理论及其应用研究

摘要

射频MEMS技术是近年来发展迅速的高新技术，它具有微型化、低损耗、可集成、成本低等特点，用它实现相关射频器件或系统可为无线通信技术带来新的变化。本论文受重庆市教育委员会科学技术研究项目“基于复合腔结构MEMS谐振器、滤波器应用研究”(No.020508)支持，主要研究了射频MEMS谐振器、滤波器相关的基础理论及其器件设计研究。 本文的前两章介绍了射频MEMS研究现状及其相关MEMS基础理论及其微细工艺：基础理论包括微尺度下电磁学、几何、热学等相关理论；微细加工工艺包括体硅微细加工工艺和表面微细加工工艺等。第三章介绍了近年来国内、国际上研制的典型MEMS谐振、滤波器件。对这些器件结构原理、制造方法以及性能指标作了分析。根据这些器件的性能指标，分析了它们在射频系统中的应用和不足。 第四章在相关微尺度条件下和微细加工工艺基础上，研究出的新型MEMS微带结构滤波器利用三维有限元电磁学软件HFSS模拟出良好的性能：S21损耗不到3.5dB，中心频率约为40GHz，通频带约为12GHz，尺度仅为2000μm×850μm×120μm，该设计结构尺度微小，集成容易，利于加工。第五章研究的基于复合圆柱腔MEMS结构谐振器的谐振频率可高达72GHz，此时Q值达到1387，S11约为14dB，尺度为5.9mm×6mm×1.6mm，理论计算值和仿真值的误差不到1％，说明设计具有一定的可行性。第六章研究的基于MEMS共面波导腔结构带通滤波器，其中心频率为46GHz，S21损耗约为1dB，通频带约为20GHz，该器件更利于集成化、尺度更微小，仅为800μm×600μm×100μm；同时利用大型有限元软件ANSYS研究了该MEMS复合结构的热应力特性表明，在一定温度范围内，设计的结构不会失效。若改变这些器件的设计参数，则可获取不同优良性能需求的MEMS谐振、滤波器件。 射频MEMS技术涉及到微细加工、光学、微控制及其无线通信技术等多交叉学科，而跟这些相关联的光学、微控制和微细加工工艺更是该技术的薄弱环节。现阶段的射频MEMS技术可集中于基础理论和应用研究，如微尺度效应、复杂微细加工技术、射频MEMS谐振/滤波器件、射频MEMS开关等。目前关于MEMS的研究没有系统的方法，本课题的实施，客观上为射频MEMS器件相关技术储备了一定的研究经验、技术、人才资源，同时也具有较高的理论价值和实际意义。

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及学位论文版权使用授权书

第一章绪论

1.1引言

1.2射频MEMS谐振器/滤波器研究之必要性

1.3国内外MEMS谐振器/滤波器研究现状

1.4论文的组成结构

第二章射频MEMS相关基础理论及微细工艺

2.1引言

2.2射频器件的微尺度电磁学

2.3微机械学

2.4微尺度条件下的检测理论

2.5射频MEMS中的尺度效应

2.5.1电磁力中的尺度

2.5.2电学中的尺度

2.5.3传热学中的尺度

2.6微细加工工艺

2.6.1腐蚀技术

2.6.2表面微机械加工技术

2.6.3键合技术

2.6.4其他微机械加工技术

第三章射频系统中的典型MEMS谐振器、滤波器

3.1引言

3 2微机械谐振器

3.2.1静电梳状结构谐振器

3.2.2自由梁谐振器

3.2.3薄膜体声波谐振器

3.2.4腔结构微机械谐振器

3.3微机械滤波器

3.3.1 HF(High Frequency)微机械带通滤波器

3.3.2折叠梁(挠性梁)微机械滤波器

3.3.3分布式MEMS传输线微机械滤波器

3.4本章小结

第四章MEMS微带滤波器研究

4.1引言

4.2 MEMS微带线设计

4.2.1 MEMS微带结构设计

4.2.2 MEMS微带特性分析

4.3 MEMS微带滤波器设计

4.3.1 MEMS微带滤波器结构设计

4.3.2 MEMS滤波器的工艺设计

4.4 MEMS微带滤波器的特性分析及优化设计

4.5本章小结

第五章圆柱腔结构的射频MEMS谐振器研究

5.1引言

5.2 MEMS复合谐振元件设计研究

5.2.1 MEMS谐振腔的选择

5.2.2 MEMS谐振腔谐振模式选择及Q值分析

5.2.3 MEMS微带线设计

5.2.4复合微机械谐振元件的结构设计

5.2.5谐振腔尺度确定

5.2.6谐振腔的制造工艺设计

5.3复合微机械谐振元件仿真分析

5.3.1谐振腔本征模式仿真

5.3.2微机械谐振元件仿真分析

5.4本章小结

第六章MEMS共面波导腔滤波器研究

6.1引言

6.2 MEMS共面波导腔滤波器设计

6.3 MEMS滤波器仿真及其优化设计

6.4 MEMS滤波器结构热应力分析

6.5本章小结

第七章结论

致谢

攻读硕士学位期间从事的主要科研工作及发表的论文

参考文献