工艺误差导致的电容式MEMS谐振器性能变化研究

摘要

微机电系统（MEMS）利用集成电路的微加工技术，凭借其微型化、低成本、可集成化的优良性能，在汽车电子、卫生保健、远程通信等众多交叉领域中得到非常多的应用，电容式径向盘式谐振器作为MEMS器件中的一员，也是近几年来研究的热点。本文针对两种制造工艺导致的MEMS电容式径向盘式谐振器性能变化做了以下分析： 第一，研究了径向盘式谐振器在TMDE制造工艺下，谐振子与输入输出电极间的非光滑侧面对谐振器性能影响问题。据此详细研究了TMDE的制造过程与原理，推导出两种结构模型：凹槽模型和扇形褶皱模型，建立谐振器性能与模型关系式。研究结果表明：谐振器电容、静电力、电气刚度、输出电流均减弱，运动电阻增大。当槽高1μm，宽4nm时，静电力、电气刚度和输出电流分别降为原来的67.343%、57.626%、40.840%，运动电阻增大2.45倍。最后推导性能与工艺的对应平衡关系，分析发现当性能下降25%时，上述性能等效间距分别为23.094nm，22.013nm，21.491nm，18.612nm。 第二，研究了径向盘式谐振器在DRIE制造工艺下，谐振子和电极之间的倾斜效应对谐振器性能的影响问题。首先研究了DRIE的制造过程，然后建立倾斜状况下谐振器性能的关系表达式，分析倾斜效应对谐振器电容、输出电流、机电耦合效率、谐振频率等性能的影响。研究结果表明：随着倾斜角度的增大，时变电容、输出电流和机电耦合效率逐渐降低，谐振频率增大。当倾角为0.2°时，初始电容下降2.56%，输出峰值电流下降21%，频率上升84.2ppm；当直流偏置电压为15V时，倾角从0.1°偏移至0.14°，机电耦合效率下降63.5%。通过提高直流电压来提升机电耦合效率时，电气刚度的牵引使谐振频率随着倾角的增大而增大，电压产生的电气刚度使频率偏移更加显著，误差被进一步放大，如将偏置电压从8V上升到16V，谐振偏移从17ppm增加至68ppm。 第三，研究了双圆盘电容式径向MEMS滤波器耦合梁偏差及DRIE工艺引起的滤波器性能变化问题。论文就工艺误差引起的谐振器性能变化导致的滤波器性能影响问题作了详细的理论分析。DRIE工艺倾斜对滤波器性能影响及梁长对耦合频率的影响，结合已有的径向振动等效电路模型在偏差值内分析谐振器性能变化，以等效电路模式进行分析工艺对谐振器底层的影响。设计的MEMS滤波器通过仿真研究得到梁长为26.5265um，带宽随着耦合梁长度增加而增加。研究结果表明：随着倾角的增大，滤波器的通带整体右偏，当倾角由0.5°增大到2.5°时，中心频率增加0.1425MHz，提高0.1682%，下截止频率上升0.139MHz，上截止频率上升0.14MHz。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 MEMS概述

1.2 MEMS的发展历史和近状

1.3 MEMS谐振器简介和分类

1.4 本文主要研究内容及工作安排

第二章 径向盘式微谐振器的结构及工作原理

2.1 径向盘式谐振器的工作原理

2.2 径向盘式谐振器的结构分析

2.3 MEMS径向谐振器参数分析

2.4 MEMS谐振器阵列

2.5 本章小结

第三章 交替复合刻蚀技术对谐振器的性能影响分析

3.1 交替复合深刻蚀技术概述

3.2 凹槽效应

3.3 扇形褶皱效应

3.4 本章小结

第四章 深度反应离子刻蚀技术对谐振器的性能影响分析

4.1 深度反应离子刻蚀技术概述

4.2 倾斜效应

4.4 本章小结

第五章 MEMS滤波器设计及DRIE技术引起的性能影响分析

5.1 RF前端微机械滤波器概述

5.2 MEMS滤波器原理及设计

5.3 倾斜效应对等效电路的影响

5.4 倾斜效应对滤波器性能的影响

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 论文总结

6.2 论文不足与展望

参考文献

致谢

附录