高隔离度宽频段组合式RF-MEMS开关的设计

接触式与电容耦合式两类RFMEMS开关各自在一定的频段内,都具有较高的隔离度,但仍然很难满足微波控制系统中对高隔离度的要求。为了获得全波段高隔离度RFMEMS开关,单元开关很难达到要求,在此目标要求下,提出了组合式RFMEMS开关的设计,分别利用HFSS软件对各单元进行结构参数优化,再将两者集成在一起,得到的组合式RFMEMS开关,这种组合式开关在0～20GHz时隔离度都高于-60dB,在(≤5GHz),隔离度高于-70dB,这是一般单元开关及其他半导体固态开关所无法企及的,而且,在DC～20GHz范围内,开关的插入损耗小于-0.20dB,而且并没因隔离度的提高,牺牲了插入损耗。

电磁型双稳态射频开关的微机械结构设计

提出了利用电磁驱动机理优点的双稳态射频微电子机械系统(RFMEMS)开关结构形式.开关的微驱动部分由导磁的悬梁、扭梁和线圈、永磁体组成.由于采用了永磁铁单元,可以实现对开关的双稳态电磁控制,从而降低了开关的功耗.对开关的微机械结构进行力学分析的结果表明,含有加强筋结构的开关模型,在12μN力的作用下,可以使悬梁两端产生20μm的位移,此时系统的固有振动频率约为5.7kHz.

射频微机械开关的计算机辅助设计

应用计算机辅助设计 (CAD)方法模拟设计一种射频微机械 (RF- MEMS)开关 .用 Agilent ADS软件模拟分析了共面波导的传输线损耗和 MEMS开关的等效电路模型 ,并应用 ANSYS软件模拟开关的驱动电压 ,得到了35 GHz工作频率的并联电容式 MEMS开关一些有意义的理论分析结果 .

DCDC—20GHz射频MEMS开关(英文)

描述了 DC— 2 0 GHz射频 MEMS开关的设计和制造工艺 .开关为一薄金属膜桥组成的桥式结构 ,形成一个单刀单掷 (SPST)并联设置的金属 -绝缘体 -金属接触 .开关通过上下电极之间的静电力进行控制 ,其插入损耗及隔离性能取决于开态和关态的电容 .测试结果如下 :射频 MEMS开关驱动电压约为 2 0 V,在“开”态下 DC— 2 0 GHz带宽的插入损耗小于 0 .6 9d B;在“关”态下在 14— 18GHz时隔离大于 13d B,在 18— 2 0 GHz时隔离大于 16 d B.本器件为国内首只研制成功的宽带射频

一种双稳态电磁型射频MEMS开关的设计与测试

设计了一种低电压驱动的双稳态电磁型射频MEMS开关。与驱动电压高达几十伏的静电型射频MEMS开关相比,其驱动电压可低至几伏,因此应用时无需增加电荷泵等升压电路。开关可在磁场驱动下实现双稳态切换,稳态时无直流功率消耗。分析了工作磁场的分布特点,进行了结构设计仿真;并使用HFSS软件和粒子群算法进行了射频参数仿真、结构参数优化及主要结构参数显著性研究,得出了影响开关射频传输性能的主要结构参数;采用表面牺牲层工艺制作了原理样机并进行了射频性能参数的测试。结果表明,开关样机在DC^3 GHz工作频率区间内,插入损耗小于0.25 d B,隔离度大于40 d B。

低驱动电压电容式RF MEMS开关结构设计优化

RFMEMS开关将成为微波、高频信号控制的关键器件。针对其驱动电压过高,不能满足现代通信系统低电压的要求,推导了电容式RFMEMS开关驱动电压的理论公式;基于降低开关柔顺结构的弹性系数、驱动电极上极板与可变电容上极板分离的思路,优化设计了三种具有不同的连接梁和支撑梁结构形式的开关微桥柔顺结构。第一种结构为驱动电极板和电容上极板之间以双直梁连接;第二种结构以一组弹性折叠梁代替结构一中的双直梁;第三种结构是在结构二的基础上,改变了起支撑作用的弹性折叠梁的方向。使用MEMS CAD软件CoventorWare对开关结构进行了机电耦合仿真,仿真结果表明开关的驱动电压小于3V。

RF MEMS电容式并联开关的研制

通过分析MEMS电容式并联开关的工作原理,设计并制作出一款适合Ka波段分布式MEMS移相器的电容式开关。通过理论计算和经验选取,初步得到了MEMS电容式并联开关的结构尺寸。采用HFSS软件建立了开关的三维电磁场模型并优化了关键结构参数。仿真表明开关在Ka波段插入损耗小于0.15dB,回波损耗大于15dB。采用CoventorWare软件进行了开关的机电耦合仿真,得出其驱动电压为2.1V。为了满足流片单位的实际工艺约束条件,对开关的设计版图和微加工工艺进行了多轮改进,研制成功MEMS电容式并联开关工艺样品。开关动态特性测试表明,在驱动电压36V时,桥下拉的高度约为2μm。

静电式RF MEMS开关的可靠性

MEMS开关是最常见的RF MEMS控制元件,是RF结构中一个关键的MEMS器件。长期可靠性是目前制约MEMS开关商业化进程中的一个主要问题。主要综述了静电式RF MEMS开关可靠性的新进展。欧姆式开关通常由于黏附或接触电阻的增大而失效,电容式开关的主要失效机理则与电介质层的充电有关。接触材料的选择是决定欧姆开关可靠性最重要的一个因素,"主动断开/被动接触"MEMS开关适用于软金属材料欧姆接触的可靠性要求。改善电容式开关可靠性的途径是改善介电层、优化驱动电压波形等以减小介质层的充电。

串联电容式RF MEMS开关设计与制造研究

介绍了一种串联电容式RF MEMS开关的设计与制造。所设计的串联电容式RF MEMS开关利用薄膜淀积中产生的内应力使MEMS桥膜向上发生翘曲,从而提高所设计的开关的隔离度,克服了串联电容式RF MEMS开关通常只有在1GHz以下才能获得较高隔离度的缺点。其工艺与并联电容式RF MEMS开关完全相同,解决了并联电容式RF MEMS开关不能应用于低频段（〈10GHz）的问题。其插入损耗为-0.88dB@3GHz,在6GHz以上,插入损耗为-0.5dB;隔离度为-33.5dB@900MHz、-24dB@3GH和-20dB@5GHz,适合于3-5GHz频段的应用。

基于MEMS技术的射频移相器

微波与毫米波移相器是通讯和雷达应用上相控阵天线的基本单元,MEMS技术的引入提供了一个在移相器设计中用最小损耗的开关来大量减少移相器插入损耗的方法,该方法可以降低器件的功耗,改善插入损耗、隔离度、频带宽度等性能。相比于GaAs移相器,基于MEMS开关的射频移相器,无论是开关线型、分布式或是反射型,都有很好的RF性能。

电容式RFMEMS开关膜片边缘场效应的表征

计及电容式RF MEMS开关膜片上电场分布的边缘场效应后,很难建立高保真的开关自驱动失效阈值功率解析模型。因此,采用膜片承受射频信号功率的面积(ARF)和膜片与传输线的正对面积(A)的比值构建优值(Fo M),以表征膜片上电场分布的边缘场效应强弱。利用HFSS软件建立了开关自驱动失效的三维电磁模型;以一种常见的开关构型为案例,仿真得到了多种射频信号功率(Pin)和开关气隙高度(g0)条件下膜片边缘电场分布,并与优值计算结果进行了对比验证,初步证明了采用优值ARF/A表征膜片上电场分布的边缘场效应强度的可行性。

电容式RF MEMS开关自热效应的多物理场协同仿真

随着信号输入功率的升高,电容式RF MEMS开关会发生自热效应使膜片变形,引起开关气隙高度的改变,导致开关驱动电压漂移,严重影响其可靠性。由于自热效应的失效机理涉及到复杂的多物理场耦合,因此提出了“电磁-热-应力”的多物理场协同仿真方法描述其失效模式,并分析其失效机理。首先利用HF-SS软件建立开关的电磁仿真模型,得到不同输入功率下膜片的耗散功率;再以此作为热源,利用ePhysics软件建立开关的热仿真模型,得到膜片上的温度分布;然后将温度梯度作为载荷,利用ePhysics软件建立开关的应力仿真模型,得到开关的形变行为;最后,根据膜片形变所致的气隙高度变化,得到驱动电压漂移的失效预测模型。以一种具有矩形膜片结构的典型电容式RFMEMS开关为例,利用该方法得到：矩形膜片表面电流密度主要分布在膜片的长边的边缘;温度沿膜片长边逐渐降低,且膜片中心处温度最高、锚点处温度最低;膜片的热应力变形呈马鞍面形,且最大形变点发生在膜片长边的边缘处,仿真还得到0~5 W输入功率下膜片的最大形变量;并拟合出了0~5W输入功率下的开关驱动电压-输入功率漂移曲线,该曲线具有线性特征并与文献实测数据极为吻合,由此证明了该方法的有效性。

一种新型腔体式共面波导型微机械射频开关

提出了一种新型的腔体式共面波导型微机械射频开关的结构,可动的金属/电介质的复合膜结构的共面波导既可作射频开关,同时也构成微波信号的传输路径。在普通电阻率(4-8Ω·cm)的硅片上,采用表面微机械加工技术制作出体积大小为:1000μm×600μm×300μm的射频开关,驱动电压为35V,在射频信号频率为50MHz到10GHz的范围内,该开关的插入损耗低于2dB,隔离度高于40dB。

五位分布式MEMS传输线移相器的优化设计

通过在共面波导传输线上周期性地加载分布电容,外加驱动电压改变电容值,实现分布式MEMS传输线移相器。从三个方面优化了五位分布式MEMS传输线移相器的设计:一是分别设计了11.25°和22.5°两种微桥,单元在Ka波段的插入损耗均大于-0.8 dB,回波损耗均小于-15 dB,相移精度小于0.4°,新的五位移相器以2种单元、19个微桥的结构替代了传统单一单元、31个微桥的结构,可减少微桥的总数;二是CPW传输线采用折叠布局,通过共用部分地线,移相器平面尺寸减小至1.81 mm×3.84 mm,相比传统五位分布式移相器,面积减小了56%,实现了器件的小型化;三是设计了一种新型的直流偏置结构,结构简单、工艺容易实现。

一种用于RF MEMS移相器及开关可变电容的复合微桥膜结构

提出了一种基于微机械工艺的新型复合微桥膜结构 ,由低应力SiN/SiO2 (0 .5 μm/5 0nm )及Cr/Au(30nm/1μm)构成。相应的工艺流程较为简单。对影响其特性的因素进行了理论分析 ,并提出了 3种桥膜的平面结构 ;利用静电 /力耦合有限元法分析了各种结构的静电驱动特性以及各阶模态 ,结果得到了令人满意的驱动和机械性能 ;通过有限元高频仿真软件对桥膜结构与共面波导形成的可调电容结构进行了分析 ,结果表明其具有良好的射频 /微波性能。该桥膜结构适用于RFMEMS开关。

新型RF MEMS开关的动态表征

一种基于UV-LIGA加工技术的双稳态电磁型RF MEMS开关,由于其结构使用了永磁体单元而使得开关在维持"开"或"关"态时不需要功耗,从而实现低功耗的电磁驱动.利用非接触式Wyko NT1 100光学轮廓仪所附带的动态测量系统(DMEMS),对开关的动态响应进行了测量.测量结果表明开关实现了双稳态驱动,开关实现状态完全切换到位对应的响应时间不到20μs.

RF MEMS开关的研究进展及其应用

射频微电子机械系统（RF MEMS）开关是射频电子系统中的关键器件,首先简要介绍了RF MEMS开关的结构特点及分类方式,综述了RF MEMS开关的发展现状,列举了国内著名科研机构具有代表性的成果,并对比了其结构特点及性能参数,指出国内RF MEMS开关正向着小体积、宽频化、低驱动电压、高性能指标的方向发展。此外,还阐述了RF MEMS开关在多位移相器、可调滤波器、可重构天线等方面的应用,其在与多器件的集成和联合运用中潜力巨大。最后,分析了现有的RF MEMS开关的发展瓶颈,并展望了其以设计新结构、探寻新材料、探索新工艺、多种驱动方式相结合、多器件相集成为未来发展新方向。研发制作新的RF MEMS开关及其功能系统必将会对射频微波领域造成巨大影响。

一种基于Au-TiW触点的提高RF MEMS开关寿命的方法

针对基于Au-Au触点的射频微电子机械系统(RF MEMS)开关寿命低的问题,提出了一种高寿命RF MEMS开关的研制方法。对比Au与其他金属的硬度、杨氏模量以及方阻,最终选择性能优良的TiW金属作为新触点材料,其制备参数为溅射功率300 W,气压5 mTorr(1 mTorr=0.133 Pa),溅射时间1 568 s。设计了基于Au-TiW触点的RF MEMS开关工艺流程,给出了详细工艺参数,为进一步提高可靠性,设计了RF MEMS开关封装工艺流程并制作了封装样品。测试比较了基于Au-Au触点的RF MEMS开关与基于Au-TiW触点的RF MEMS开关的寿命与射频性能。结果表明,虽然基于Au-TiW触点的RF MEMS开关的射频性能有所降低,但开关寿命提高了两个数量级。该研究为提高RF MEMS开关的寿命提供了一种解决办法。

温度对悬臂梁静电驱动RF-MEMS开关性能的影响

介绍了温度对悬臂梁式RF-MEMS开关的影响。以南京电子器件研究所研制的悬臂梁式RF-MEMS开关为实验样品,常温下(25°C)先测定样品的驱动电压和射频特性,再将样品置于温度恒定的烘箱中热烘1h,取出后在常温条件下测定其机械形貌及电学性能。烘箱的温度从50°C变化到200°C,步进50°C。针对每个温度做一轮实验,最后将所得数据进行对比。实验结果表明,温度对于开关的射频性能影响极其微弱,但驱动电压对于温度却有较强的依赖性。分析认为,当温度变化时,悬臂梁结构的翘曲是影响驱动电压变化的主要因素。最后提出了几种可以提高结构温度稳定性的方法。

MEMS开关及其应用

介绍MEMS开关的分类、特性、制造、可靠性和应用。