高功率容量电容式rfmems开关失效机理研究

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1、西南科技大学硕士研究生学位论文第1页1绪论随着MEMS(微电子机械系统)技术的发展，出现了不同的研究领域，科研人员将整个MEMS技术分成三类主要的研究方向：一、传感MEMS技术，它是指通过微机械加工技术制造出来的，将压力、温度、速度、声音等信号转换成电信号的器件或系统，实现了能量的转换作用；二、生物MEMS技术，它是指应用于生化检测和分析中的微型芯片系统，也包括作用与人体或动物体的MEMS治疗设备(例如MEMS胶囊)；三、信息MEMS技术，它是针对目前通信系统中器件小型化、低损耗、高精度的需要而迅速发展起来的，现阶段研究主要集中于光学MEMS器件和射频MEMS器件[1]。美国是

2、世界范围内开展MEMS研究最早的国家，其研究成果也一直处于领先地位。德国和日本在MEMS技术的某些方向也位于国际先进水平。国内开展MEMS研究较早的单位有上海冶金所、东南大学等，笔者所在的课题研究单位(中国工程物理研究院电子工程研究所微系统研究中心)也早在九十年代初就开始进行这方面的研究工作。1.1RFMEMS技术与RFMEMS元器件RFMEMS(RadioFrequencyMicro-Electro-MechanicalSystems，射频微电子机械系统)是指用MEMS加工技术制造的，用于无线通信领域的射频器件或系统，或者说用于低频、中频、普通无线电波到毫米波、微波频段信号处

3、理和执行的元器件或集成电路系统[2]。RFMEMS是MEMS技术的一个新的分支，也是上世纪九十年代以来MEMS领域的研究热点。随着信息时代的到来，数据的采集、存储、处理和传输技术的地位越来越重要。促使当代移动通信和卫星通信迫切需要高集成度、超小型化、低功耗、低成本的新型器件[3]。为此RFMEMS技术应运而生，可望突破瓶颈，解决这一系列难题。迄今为止，RFMEMS技术主要包含三个层面[4]：第一层是由RFMEMS开关[5]、可变电容[6][7]、可变电感[8]和谐振器[9]等组成的基本器件层；第二层是由滤波器[9]、移相器[10]和VCO[11](Voltage-Control

4、ledOscillator，压控振荡器)等组成的基本组件层；第三层是由单片接收机、变波束雷达和相控阵天线等组成的应用系统层[12]。西南科技大学硕士研究生学位论文第2页1.1RFMEMS开关的应用与优缺点目前在RFMEMS中，商业化程度最高的莫过于RFMEMS开关。早在1979年Petersen在实验室就研制成功出低频MEMS开关[13]。上世纪90年代，在美国国防预先研究计划署(DAPAR)的支持下，Larson博士为反导系统中的高性能相控阵天线中的移相器模块研制了第一款实用的RFMEMS开关[14]。此后不久，美国罗克韦尔科学中心和德州仪器公司也相继研制出高性能的RFMEM

5、S开关。90年代末期，大批的美国知名高校与公司都对RFMEMS器件产生了浓厚的兴趣，如Michigan、MIT、Columbia大学和ADI公司都积极从事RFMEMS器件的研究。本世纪初，可商业化应用的RFMEMS开关已经面世，其中以日本欧姆龙公司的2SMES-01型RFMEMS开关最为知名[15]。根据开关梁的结构，RFMEMS开关主要可分为悬臂梁式开关和双端固支梁式开关；根据接入电路的形式，可分为串联开关和并联开关；根据接触类型，可分为欧姆接触式开关和电容耦合式开关；根据驱动原理，可分为静电驱动开关、电磁驱动开关和热驱动开关等；根据驱动方向，可分为横向驱动开关和纵向驱动开关

6、。为了文章叙述的统一性，本文根据接触类型为开关命名，将其分别命名为欧姆接触式RFMEMS开关和电容式RFMEMS开关。与传统固态开关相比，RFMEMS开关具有独特的优良特性，这些优异性能使其在单片微波集成电路(MMIC)和射频/微波电路中有着更加广泛的应用前景。下面，给出RFMEMS开关同FET开关和PIN二极管开关的性能比较，并以此来分析其优缺点，如表1-1所示[2]。表1-1各类固态开关的性能对比Tab.1-1Performancecomparisonofsolidstateswitch参数RFMEMSPINFET驱动电压(V)20-80±3-53-5电流(mA)03-20

7、0功耗(mW)0.05-0.15-1000.05-0.1开关时间1-300µs1-100ns1-100nsCup(fF)1-640-8070-140Rs(Ω)0.5-22-44-6西南科技大学硕士研究生学位论文第3页电容率40-50010n/a截止频率(GHz)20-801-40.5-2隔离度(1-50GHz)很高中等低插入损耗(dB)0.05-0.20.3-1.20.4-2.5功率容量(W)<1<10<10根据表中的信息可以看出，RFMEMS开关具有以下优点：（1）功耗极低：尽管需要较高的