高速MEMS开关长时间实时监测系统设计

为了监测射频MEMS开关的工作状态,设计了一种基于FPGA复原波形计数技术的长时间工作状态监测系统。该系统由驱动和检测两部分构成:对于驱动电压比较高的MEMS芯片设计了可调的高压驱动电路,电压可调范围在40_(Vpp)~110_(Vpp)之间连续变化;通过高压驱动控制射频MEMS器件的通断,将通过的射频信号调理采集并通过阈值判定开关通断的有效性。该系统达到了实时监测射频MEMS开关工作状态的目的,另一方面,在长时间连续工作条件下,监测系统的计数功能可实现对开关寿命的测试。

射频MEMS开关寿命测试系统的设计与实现

针对射频MEMS开关寿命测试成本昂贵,测试连线复杂,且随着射频MEMS开关的尺寸不断缩小,传统测试效率低、测试任务只能在实验室进行等问题,本文设计并实现了一种小型且集成化的射频MEMS开关测试系统,组建了具备信号发生、波形实时监测、寿命计算、数据记录和测试报告打印等功能的射频MEMS开关测试系统,并用该系统对某款射频MEMS开关进行了初步测试评价。结果表明该系统较好的完成了射频MEMS开关的开关电压、开关时间和冷、热寿命的测试,能够满足射频MEMS开关的测试要求,证明了该测试系统的实用性和测试工作的准确性。

减少静电漂移的高可靠RF MEMS开关研究

RF MEMS开关具有制作工艺简单、易于集成等优点。而目前由电介质膜电荷积累造成的静电漂移及频繁机械碰撞导致严重的可靠性问题阻碍了其嵌入终端射频系统稳定性的提高。因此结构上采用电介质悬空薄膜改善电荷积累问题,并对开关机械结构限位实现开关的动态缓冲,降低高频次的机械碰撞损伤。同时依靠凸台触点结构,减少静电漂移。确立了电介质膜充电、开关寿命的理论模型并预测开关的寿命。结果表明,所设计开关寿命超过12900 h。相比已有RF MEMS开关,在两极板间距及金属梁-电介质膜间距分别相等的情况下,所提出的开关结构,寿命分别提高253倍和166倍,极大地改善静电漂移问题。在52.2 GHz工作频率下,隔离度为-41.31 dB,损耗为-0.25 dB,响应时间为50μs,为高性能、高可靠、长寿命射频开关提供了理论模型。

一种基于光刻胶牺牲层的RF MEMS开关制备方法

论文针对RF MEMS开关上电极传统的牺牲层工艺存在工艺兼容性差、释放时热应力大等问题,提出了一种基于光刻胶牺牲层的MEMS开关制备方法。通过采用在氮气环境下进行固化处理的方法,解决了光刻胶作为牺牲层时容易出现的表面褶皱、破裂等问题,同时提高了牺牲层表面的平整度;通过氧等离子体干法刻蚀释放工艺,获得了具有高平整度和低粗糙度的MEMS开关上电极结构。测试结果表明,基于光刻胶牺牲层工艺制备的RF MEMS开关在DC-20GHz频段内性能良好,隔离度均小于-30.0dB,插入损耗均大于-1.0dB。该RF MEMS开关具有良好的应用前景。

一种高功率射频MEMS开关设计

随着无线通信设备小型化以及宽通信范围的需求导致器件的功率密度要求越来越高。射频前端接收器和基站天线等射频通信应用要求开关能处理1W~2W的射频信号。论文设计了一种低损耗、高功率容量的四触点射频MEMS开关。文中对四触点射频MEMS开关基地材料和上电极结构进行优化,提升了四触点射频MEMS开关的射频性能和功率容量。经HFSS电磁仿真可知:该射频MEMS开关在L~K波段内,插入损耗≤0.2GHz,隔离度≥27dB,经理论计算,该射频MEMS开关的功率容量为2.17W。

低电压电容式RF MEMS开关设计研究

本文设计了一种低电压电容式RFMEMS开关,开关采用了两端固支梁结构,在梁与CPW共面波导地线的四个固定支撑位置使用了折叠结构,该结构可以减低下拉电压;通过在MEMS开关梁上开孔(直径9μm圆孔)来减小残余应力和杨氏模量和选择合适的开关梁厚度,显著降低了MEMS开关梁的弹性系数和下拉电压。以上措施显著降低了电容式RFMEMS开关的下拉电压,在ANSYS仿真下拉电压约为6V,驱动电压约为8.4V,该MEMS开关依旧保持了较好的S参数,开关插入损耗大于-0.35dB(8-40GHz),回波损耗小于-22dB(8-40GHz),隔离度(down态S21)大于25dB(8-40GHz)。

RF/MW MEMS开关中聚酰亚胺的牺牲层技术研究

目前,聚酰亚胺已成为MEMS开关中一种主要的牺牲层材料。在涂胶前,对聚酰亚胺进 行低温和高温两步热处理,使其满足光刻的要求。光刻腐蚀后固化处理,使其固化表面平坦、耐腐 蚀。显影后选择不同固化处理温度和时间,对聚酰亚胺的性质有不同的影响。MEMS开关的梁结构 完成后,聚酰亚胺需通过刻蚀的方法去除。实验结果表明,固化温度小于170℃,可采用碱性溶液湿 法腐蚀的方法去除;固化温度大于200℃,需采用O2等离子刻蚀方法。

RF MEMS开关吸合电压的分析

吸合电压是MEMS静电执行器的重要参数,针对RFMEMS开关,详细分析了开关在不同执行方式下的吸合电压.对于执行电压是脉冲方式而言,开关梁受迫振动,不同于准静态方式,此时使开关发生吸合的执行电压为动态吸合电压,计算表明比准静态吸合电压小8%.通过简化的弹性系数和精确的电容计算公式,详细分析了基于CPW的双端固支梁开关的准静态和动态吸合电压.分析了环境阻尼对动态吸合电压的影响,阻尼使得开关的两种吸合电压差别变小.最后分析了射频输入功率对开关吸合电压的影响,射频输入功率会降低吸合电压,如果输入功率足够大,吸合电压将会降为零,此时MEMS开关会发生自执行失效.

双膜桥微波MEMS开关

介绍了一种双膜桥微波MEMS开关 ,给出了开关的设计与优化方法 ,建立了开关的仿真模型 ,使用硅表面微机械工艺制造了双膜桥开关样品 ,其主要结构为硅衬底上制作CPW金属传输线电极和介质层 ,然后制作具有微电感结构的金属膜桥 ,提高了开关隔离度。利用HFSS软件仿真的结果表明 ,该开关在微波低频段 (3～ 6GHz)有着很好的隔离性能。研制的开关样品在片测试的电性能指标为 :插损小于 0 .3dB ,隔离度大于 4 0dB ,驱动电压小于 2 4V。

发展中的RF MEMS开关技术

射频MEMS开关是用MEMS技术形成的新的电路元件,与传统的半导体开关器件相比具有插入损耗低、隔离度大、线性度好等优点,将对现有雷达和通信中RF结构产生重大的影响。介绍了射频MEMS开关的工作原理、优化设计,分析了可靠性问题,举例说明了射频MEMS开关的应用,指出了其发展所面临的问题。

DC～30GHz并联接触式RF MEMS开关的设计与制造

对适用于DC～30GHz频率的并联接触式RF MEMS开关的设计与制造进行了研究。利用低应力电镀Au桥膜作为上电极,实现了接触电极之间的Au-Au接触。使用BorofloatTM玻璃作为衬底,并用隔离电阻对内置射频信号与驱动电极旁路进行隔离;通过对上电极桥膜与CPW间距的优化设计,使开关具有较低的插入损耗。所设计制造的并联接触式RF MEMS开关的下拉电压为60V,上下电极的接触电阻为0.1Ω。插入损耗为-0.03dB@1GH,-0.13dB@10GHz和-0.19dB@20GHz,在DC～30GHz的插入损耗都<-0.5dB;隔离度为-47dB@1GHz,-30dB@10GHz和-25dB@20GHz,在DC～30GHz的隔高度都>-23dB。测试结果表明,所设计的并联接触式RF MEMS开关适用频率为DC～30GHz,是一种应用频率范围较宽的RF MEMS开关。

接触式串联射频MEMS开关的工艺研究

本文采用MEMS工艺制作接触式串联射频开关 ,射频开关采用双端固定的悬臂梁结构 ,悬梁为PECVD制作的SiN薄膜 ,溅射Au制作共平面波导 ,聚酰亚胺作为牺牲层 ,运用等离子体刻蚀法释放牺牲层。研究了悬梁、共平面波导以及电极的制作工艺 ,并分析了牺牲层的制作和刻蚀工艺对开关结构的影响。

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。

MEMS开关宽频程控步进衰减器设计与实现

提出了一种基于MEMS开关的射频衰减器设计方案。首先对整体电路的基础结构进行了设计,选择以CPW(共面波导)为传输线,接触式MEMS开关作控制器件,同时以开关中的电容作为断路时的平衡电容进行Q值匹配;其次,通过理论推导与计算得到了波导的截面尺寸;然后按所需衰减量计算T型网络各个电阻的阻值大小。再按照计算值在CST微波工作室中建模仿真,对比单级衰减和展频二级衰减的S参数,可以发现,在Q值匹配后的电路中,射频信号可以在更宽的频段内保持稳定衰减。最后通过UV-LIGA技术结合氧化钽电阻工艺对衰减器进行了样片试制与结果测试。结果表明,通过Q值匹配可以扩展衰减器的工作频段,为高频信号的稳定衰减提出了一种可行性方案。

用于制备高机械可靠性RF MEMS开关的新型工艺

对介质桥串联接触式RF MEMS开关的制备工艺进行了研究。介绍了开关的结构,说明了采用常规制备工艺容易在桥膜上形成应力集中,严重影响开关的机械可靠性。通过改进工艺,提出了一种侧向钻蚀刻蚀介质桥膜下金属的方法,获得了平坦的介质桥膜。最后,给出了完整的开关制备流程。与常规工艺相比,新工艺避免了应力集中问题,提高了开关的机械可靠性,成品率从10%提高到了95%,工作寿命从1000次提高到了2.5×107次。此外,在23.3 V的驱动电压下,开关插入损耗<0.55 dB@DC-10 GHz,隔离度>53.2 dB@DC-10 GHz。结果表明该工艺可满足无线通讯对MEMS开关成品率、寿命和微波性能的要求。

驱动信号与微波信号物理隔离的RF MEMS开关的研究

针对MEMS开关在宽带应用时遇到的驱动信号与微波信号间的干扰问题,论述了驱动信号与微波信号物理隔离的多种开关的设计,分析了4种结构形式的MEMS开关,使用IntelliSuite○R软件进行开关机电耦合分析。在开关总的结构尺寸确定的前提下,使用ADS/Momentum场分析软件,微调膜桥和梁的结构参数,通过通孔接地实现微带线与CPWG信号的连接,通过驱动电极的结构和连接方式及与微波信号线间隙的调整,实现了MEMS开关整体性能的优化。

电容式MEMS开关中弹性膜应力对驱动电压的影响

详细分析了多种参数对 MEMS电容式开关驱动电压的影响 ,包括材料选取和工艺参数变化 ,并对驱动电压理论值进行计算。利用表面微机械加工技术在硅衬底上实现了电容式开关 ,测试结果表明采用 Al0 .96 Si0 .0 4弹性膜和厚胶牺牲层工艺能获得适中的剩余应力释放 ,微桥应力约为 10 6 N/m2 ,这为获得较低的开关驱动电压提供了可能。对长 1m m的 MEMS开关 ,当弹性膜厚为 0 .5μm,桥高为 3μm、桥宽为 30 μm、桥长为 2 50 μm时获得了 2 5V的驱动电压 ,S参数测试表明该电容式开关 1～ 4 0 GHz频段内的插入损耗低于 1d B。

一种宽频带RF MEMS开关的设计研究

针对现阶段常用的射频微机电系统(RF MEMS)开关频带窄和稳定性差这个特点,本文提出了一种结型梁RF MEMS开关,该微结构采用了的共面波导线的传输线形式以便于与其他器件串并联,使用结型梁增强了开关的稳定性。首先就RF MEMS开关模型的设计及工作原理进行介绍,然后利用有限元分析软件ANSYS对其驱动电压进行分析,并进一步利用HFSS高频仿真软件,针对结型梁结构的RF MEMS开关进行射频性能的分析优化,得到了在频带宽为45 GHz,在15~60 GHz插入损耗小于0.15dB,隔离度高达52dB的RF MEMS开关,最后验证了其在较高加速度冲击条件下依然具有较高的稳定性,适用于恶劣环境。

介质层充电对电容式RF MEMS开关的影响

电容式RFMEMS开关介质层电荷累积被认为是导致开关失效的主要原因.基于电容式RFMEMS开关工作过程中电场强度的变化,分析讨论了累积电荷的来源,并推导出相应的计算公式.对于随机性较大的界面极化问题,根据理论计算公式,提出从工艺上减小极化现象发生的解决方案.在讨论影响介质层电荷注入各种因素及相互之间关系的基础上,建立了基于电荷累积的开关寿命预测模型.

引信用MEMS开关的设计技术(英文)

简要地介绍了常见MEMS开关的工作原理,并根据不同的驱动方式和工作频率范围对MEMS开关进行分类。根据引信可靠性要求,强调了能够保证引信电源内部接电回路MEMS开关性能的3个关键参数:开关闭合时间、接触可靠性以及接电性能。最后,列出了部分能够有效改善这些参数性能的解决方案。如通过沿着悬臂梁方向采用韧窝结构、提高有效刚度以及在驱动极板上穿孔等措施来减少开关的闭合时间;此外,采用合适的软着陆电压波形、软金属材料以及闭锁机构等措施来提高接触可靠性;同时选择合适的材料、特殊的设计结构以及控制适当的粗糙度等来实现良好的接电性能。