电容式RF MEMS开关设计与失效研究

摘要

随着电容式RF-MEMS开关的发展，RF-MEMS开关可靠性是制约它发展的主要因素之一。本文主要利用Intellisuite软件设计固定梁结构RF-MEMS开关，并介绍其工作原理和工艺流程，研究开关性能结构参数对驱动电压、开启时间的影响，最终确定开关主要性能参数。在本文后一部分着重研究固定梁RF-MEMS开关的可靠性，从薄膜冲击速度、薄膜内建电场以及电介质充电三个角度来分析开关失效原因，给出电介质充电寿命预测公式，预测开关寿命及影响因素。主要研究内容如下。
　　(1)利用Intellisuite和Matlab对固定梁RF-MEMS开关进行建模并对开关性能结构参数进行优化。实验表明:当开关梁长为200μm，梁宽为30μm，梁厚为0.6μm，极板间距离为2μm，传输线宽度为150μm，梁材料选择偏向于残余应力较小材料时，驱动电压小于16V，可满足低驱动电压RF-MEMS开关的要求。
　　(2)建立固定梁开关开启时间预测微分方程，运用Matlab仿真分析开关开启时间影响因素。实验表明:梁长对开关开启时间影响较大，本文选取梁长=200μm;梁宽对开启时间影响较小，本文选取梁宽=30μm;传输线宽度对开启时间影响较大，本文选取传输线宽度=150μm;梁材料对开启时间影响较大，本文选取铝材料作为梁材;基于上述所选参数，开关开启时间小于8μs。
　　(3)建立可动薄膜冲击速度模型及薄膜内建电场模型，运用Matlab研究开关性能结构参数对两种模型的影响，实验表明:根据需要适当提高频脉冲波形偏置电压频率可以明显减小可动薄膜冲击速度，降低介质层内部内建电场，从而提高开关寿命。
　　(4)基于电介质充电现象，建立固定梁RF-MEMS开关寿命预测模型。实验表明:在满足低阈值电压驱动要求情况下，弹性系数取值在4-16N/m、介质层厚度在0.4-1μm、上下极板距离2-5μ、射频功耗小于4w、极板材料为Al，介电材料选择氮化硅时，开关可连续工作超过1000小时。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．2 电容式RF-MEMS开关种类

1．3 电容式RF-MEMS开关国内外研究现状

1．4 本文主要研究内容

第2章 电容式RF MEMS开关原理与工艺

2．1 电容式RF-MEMS开关原理

2．2 电容式RF-MEMS开关主要性能参数

2．3 电容式RF-MEMS开关制备工艺流程

2．4 本章小结

第3章 固定梁RF MEMS开关设计

3．1 固定梁RF-MEMS开关建模

3．2 主要工作原理

3．3 结构性能参数仿真

3．3．1 开关结构参数对驱动电压的影响

3．3．2 梁材料及残余应力对驱动电压的影响

3．3．3 极板间距离与介质层厚度对电容比的影响

3．4 开启时间的研究

3．4．1 可动薄膜动力学方程的建立

3．4．2 开启时间仿真

3．5 本章小结

第4章 电容式RF-MEMS开关失效模拟

4．1 冲击速度模型建立

4．2 介质薄膜内电场模型建立

4．3 模型仿真

4．3．1 粘滞系数及偏置电压对冲击速度的影响

4．3．2 偏置电压对介质薄膜内建电场的影响

4．4 电介质充电对开关寿命的影响

4．4．1 主要原理及寿命预测模型建立

4．4．2 寿命预测模型仿真

4．5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢