（微电子学与固体电子学专业论文）rf+mems开关功率处理能力的研究.pdf

摘要 当今无线通讯的迅速发展，以及传统方法在便携式和性能提高上出现的瓶颈，使得人们把目光投向 r f m e m s 。作为可行的解决方案，r f m e m s 秉承了m e m s 器件的优点，通过m e m s 器件替代传统应用 的器件，实现性能、质量、体积等各方面改进。r fm e m s 开关是最早应用的r fm e m s 器件之一，由于 其具有极低的直流功耗，优越的射频性能，相对较好的线性度，可以用于移相网络和可调谐网络，从而在 雷达系统、卫星和无线通信系统有广阔的应用前景。 可靠性是衡量器件和系统好坏的重要参数。r fm e m s 开关的主要应用领域决定了对其可靠性的高标 准要求。目前针对r f m e m s 开关的可靠性有了一些研究基础：针对电容式开关的电荷注入效应；针对直 接接触式开关的接触电阻变化；开关的熟效应；开关的封装等。除此之外，r fm e m s 开关的功率处理能 力也是影响可靠性的重要参数。 目前r f m e m s 开关的功率处理能力比较低，一般在几百毫瓦到几瓦之间，这严重影响了m e m s 开关 的应用前景，闪此对开关功率处理能力的研究就显得尤其重要。本文从以下几个方面对r fm e m s 开关的 功率处理能力开展了研究。 首先是通过阅读文献资料，深入了解r fm e m s 开关的t 作原理和设计参数。开关的功率处理能力属 于电学领域，所以主要针对静电执行方式的m e m s 开关展开。针对静电开关的t 作原理系统总结了开关 的设计参数，分为低频和射频参数两类：低频参数包括开关的吸合电压和开关时间；射频参数包括开关的 插入损耗、回波损耗和隔离度，主要使用s 参数表征。为了方便设计，建立开关结构和射频参数之间的关 系，给出了开关的射频等效电路，井给出了每个参数的表达式以及与s 参数的关系。 接着在了解m e m s 开关的工作原理和设计参数之后，对开关的功率处理能力进行了深入的研究，通 过文献资料了解了影响开关功率处理能力的主要是自执行、自锁和热效应三剃呋效模式。分析发现白执行 和自锁要早于热效应发生，并且热效应可以通过增加器件尺寸缓解，所以主要针对自执行和白锁进行分析。 经过研究发现，开关的自执行和自锁主要是射频输入功率在开关上感应的电压形成的额外的静电力所致， 从而发现开关的吸合电压和梁的弹性系数是影响功率处理能力的关键因素。所以重点研究开关的不同工作 状态的吸合电捱和开关梁的弹性系数，从而得出了开关的各个结构参数对开关功率处理能力的影响。对于 设计高功率处理能力的开关具有指导价值。 然后分析了目前主要的提高开关功率处理能力的方法。针对三层板结构的m e m s 开关的缺点提出了 改进，并设计了相关结构。通过新颖的三层板结构解决了高功率带来的自执行和白锁效应，并且消除了传 统三层板结构引入的应力。采用阻抗匹配的方法提高开关结构的射频性能。利用c o v e n t o r w a r e 软件模拟了 开关结构的机电特性，利用h f s s 软件匹配了开关结构并且模拟了射频性能。开关结构的吸合电压模拟结 果为2 6 v 。在阻止白执行状态，开关在3 6 v 时被拉下，从而将功率处理能力翻了一番。并且在整个x 波 段，开关“开”态时的回波损耗低于- 2 8 d b ，插入损耗小于0 2 5 d b ；“关”态时的隔离度大于2 8 d b 。 关键词：r f m e m s ，开关，吸合电压，弹性系数，s 参数，功率处理能力，自执行，自锁 a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h ef a s td e v e l o p m e n to f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n dt h eb o t t l e n e c ko f i m p r o v o m o n to f m o b i l ed e v i c e s b yt r a d i t i o n a lm e t h o d si n a k ep e o p l ef o c u so nr fm e m s i n h e r i t i n gt h ea d v a n t a g e so f m e m s r fm e m sc a nb e n s e da st h es u b s t i t u t eo ft r a d i t i o n a ld e v i c e st oi n l p r o v et h ep e r f o r m a n c e m a s sa n db u l l 【o fd e v i c e sa n ds y s t e m s r fm e m ss w i t c hw a su s e da so n eo ft h ef o r e m o s tr fm e m sd e v i c e s b , c a u s eo ft h er a t h e r1 0 wd cp o w e r c o n s u m p t i o n h i g hr fp e r f o r m a n c ea n dr e l e v a n tl i n e a r i t y , r fm e m ss w i s h e sc a nb cu s e di ns h i f t e rn e t w o r k sa n d r e c o n f i g n r en e t w o r k s c o n s e q u e n t l y , t h e yw i l lh a v ew i d ea p p l i c a t i o ni n “舭s a t c h i t ca n dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s r e l i a b i l i t yi sa ni m p o r t a n ti n d i c a t i o no ft h es i t u a t i o na n dp e r f o m m o fd e v i c e sa n ds y s t e m s m o s ta p p f i c a t i o n f i e l d sr e q u i r er fm e m ss w i t c h e sh a v eh i 曲r e l i a b i l i t i e s n o wt h e r ea r es o m er e s e a r c h e so nr e l i a b i l i t i e so fr f m e m sw i t c h e s ：t h ee l e c t r o nc h a r g i n go f c a p a c i t i v es w i t c h e s ；t h er e s i s t a n c ec h a n g i n go f d cc o n t a c ts w i t c h e s ；t h e t h e r m a le f f e c t a n d p a c k a g i n g a d d i t i o n a l ，p o w e r h a n d l i n gc a p a b i l i t i e s i so l l e o f t h e m o s t i m p o r t a n t p a r a m e t e r s t h a t i n f l u e n c et h er e l i a b i l i t yo f r fm e m ss w i t c h e s p o w e rh a n d l i n gc a p a b i l i t yo f r fm e m ss w i t c h e sh a sb e e na p p r o v e dt ob ev e r yl o w i ng e n e r a l t h ep o w e rw h i c h c a nb eh a n d l e db yr fm e m ss w i t c h e sw i t h o u tc h a n g i n gp e r f o r m a n c ai sh - o r eh u n d r e d so fm i n i w a t t si os e v e r a l w a t t s 蹦sl o wp o w e rh a n d l i n gc a p a b i l i t i e sh a si n f l u e n c e dt h ea p p l i c a t i o nf i e l d so f r fm e m ss w i t c h e ss e r i o u s l y ， s ot h er e s e a r c ho nt h ep o w e rh a n d l i n go fr fm e m ss w i t c h e si sv e r yi m p o r t a n t 1 1 ”f o l l o w i n ga s p e c t sa r e i n c h i d e di nt h i sd i s s e r t a t i o n f i r s t l y , t h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dd e s i g np a r a m e t e r so fr fm e m sh a v eb e e nc o n c l u d e df r o mt h er e l e v a n t r 嚣e a r c hr e f e r e n c e s s i n c ep o w e rh a n d l i n gp r o b l e m sa r ee l e c t f i c i t yp r o b l e m s ，t h er e s e a r c hs t a r sf r o mt h es w i t c h w h i c hi sa c t u a t e db ye l e c t r o s t a t i cf o r c e 1 1 1 ed e s i g np a r a m e t e r so fe l e c t r o s t a t i ca c t u a t i o ns w i s h e sh a sb e e n s u r m i s e da n da r r a n g e da sd ca n dr fp a r a m e t e r s t h ed c p a r a m e t e r si n c l u d ep u l l - i nv o l t a g ea n ds w i t c h i n gt i m e ； t h er fp a r a m e t e r sa r ei n s e r t i o nl o s s i s o l a t i o na n dr e t u r nl o s sw h i c ha r ec a l c u l a t e d ，b ysp a r a m e t e r s i no r d e rt o e n h a n c et h ef a c i l i t yo f l l l ed e s i g n t h ee q u i v a l e n tc i r c u i t so f r fm e m ss w i s h e sa r ee h c i t a da n dt h er e l a t i o n s h i p o f t h ee k e u i tc e l l sa n dsp a r a m e t e r sa r ea l s oe d u c e d a f t e rr e a l i z e dt h ew o r k p r i n e i p l ea n dd e s i g np a r a m e t e r , t h ep o w e rh a n d l i n gc a p a b i l i t yo f r fm e m s s w i t c hw a s d e e p l yr e s e a r c h e d t h r e ei n v a l i d a t i o n sw e r ec o n s i d e r e da st h em a i nr e a s o n st h a ta f f e c t e dt h ep o w e rh a n d l i n g c a p a b i l i t i e so f r fm e m ss w i t c h e s t h e yw a r es e l f - a c t u a t i o n , s e l f - l a t c h i n ga n dt h e r m a le f f e c la f t e rt h ea n n l y s i s t h e f n l a le f f e c tw o u l da f f e c tp o w e rh a n d l i n ga th i g h e rp o w e rl e v e lt h a no t h e rt w oi n v a l i d a t i o n s b e s i d e s t h e r m a l e f f e c tc a nb cr e d u c e db yi n c r e a s i n gt h es i z eo fs w i t c h e s s ot h e r ea r eo n l ys e i f - a c t u a t i o na n ds e l f - l a t c h i n gt h a t n e e dt ob ec a r e f u l l ya n a l y z e d s i n c et h ev o l t a g eb e t w e e nt w oe l e c t r o d e so f r fm e m ss w i t c hw h i c hi si n d u c e db y r fi n p u tp o w e rr e s u l t si nt h es e l f - a c t u a t i o na n ds e r f - l a t c h i n gi n v a l i d a t i o n ，p u l l - i nv o l t a g ea n ds p r i n gc o e f f i c i e n to f t h es w i s hb e a ma r ek e yp a r a m e t e r sw h i c ha f f e c tt h ep o w e rh a n d l i n gc a p a b i l i t i e s t h e r e b y ，p u l l - i nv o l t a g ea n d s p r i n gt o e f f i c i e n ta r ea n a l y z e da td i f f e r a n tw o r ks t a t e si nd e t a i l 1 b er e l a t i o n s h i pb e t w e c nt h es w i t c hs t r u c t u r e p a r a m e t e r sa n dt h ep o w e rh a n d l i n gc a p a b i l i t yw e r ec o n c l u d e d c o n s e q u e n t l y , t h er e l a t i o n s h i pi sw o r t h yo ft h e h i g hp o w e rr fm e m ss w i t c hd e s i g n f i n a l l y , t h ew a yw h i c hc a ni m p r o v ep o w e rh a n d l i n gc a p a b i l i t i e so fr fm e m ss w i t c h e sw e r ea l s oc o n s i d e r e d b a s e do nt h er e f e r e n c er e s e a r c h ，an o v e lt h r e ep l a t es t r u c t u r ew a su s e dt os o l v er fs e l fa c t u a t i o na n dr fl a t c h i n g w i t h o u ta d d i n ga n ys t 3 e s s t h er fp e r f o m m c ew a si m p r o v e db ym a t c h i n gt h ec h a r a c t e r i s t i ci m p e d a n c eo ft h e s w i t c h t h ee l e c t r o m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i cw a ss i m u l a t c db yc o v e n t o r w a r ea n dt h ep u l l i nv o l t a g ei s2 6 v a t a n t i s e l f - a c t u a t i o ns t a t e ，t h es w i t c hw a sp u l l e dd o w na t3 6 v c o n s e q u e n t l yt h ep o w e rh a n l d i n gc a p a b i l i t yw a s d o u b l e d t h ei m p e d a n c em a t c h i n ga n dr fp e r f o r m a n c e so f t h es w i t c hw e l es i m u l a t e db yh f s s w h t h cs w i t c h i s o f f s t a t e t h er e t l l ml o s si sb e l o w - 2 8 d b a n dt h ei n s e r tl o s si sk s st h a n0 2 5 d ba tx - b a n d s t h e o n s t a t e s w i t c ha t t a i n s i s o l a t i o no f m o r et h a n2 8 d b k e yw o r d s ：r fm e m s ，s w i t c h , p u l l - i nv o l t a g e ，s p r i n gc o e f f i c i e n t , sp a r a m e t e r , p o w e rh a n d l i n gc a p a b i l i t y , s e l f - a c t u a t i o n , s e l f - l a t c h i n g h i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生躲数日期：迦宰互乡 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 第一章绪论 第一章绪论 微电子机械系统( m e m sm i e r o - e l e c l x o - m e c h a n i c a ls y s t e m s ) 起源于上世纪5 0 - 6 0 年代，是新兴的、跨 多学科的高科技领域。m e m s 将微电子系统和其它微型信息系统相结合，从而可以将非电学领域的问题转 化为电学领域，利用电学领域已有的成果进行处理和研究；相反电学领域的问题也可以转化为非电学领域 进行处理。m e m s 的这种优势使得其发展相当迅速，在信息、通讯、航空、航天、生物、医疗、环保、工 业控制等领域都有广泛的应用前景。 目前国际上通常将m e m s 冠以i n e r t i a l - ，o p t i c a l ，c h e m i c a l 一，b i o - ，r f ，p o w e r - 等前缀以表示不同 的应用领域。射频微电子机械系统( r fm e m s ) 作为m e m s 技术的重要的应用领域之一，在军民两方面 都具有巨大的潜力。 1 1 射频微电子机械系统( r fm e m s ) 当今无线通讯的迅速发展，以及传统方法在使携式和性能提高上出现的瓶颈，使得人们把目光投向 r fm e m s 。作为町行的解决方案，r fm e m s 秉承了m e m s 器件的优点，通过m e m s 器件替代传统麻用 的器件，实现性能、质量、体积等各方面改进。 1 1 1r fm e m s 的定义及其技术特征 r f m e m s - - 词来源于采用m e m s 技术对r f 集成电路进行设计和制造：r f m e m s 中的m e m s 部件可以 用来对类似电容器i l j 、开关“1 和滤波器等离散器件或部件进行制动和调整。r fm e m s 也可以利用m e m s 的 加工技术制造出片上的体传输线”j 、体谐振腔以及表面滤波器、耦合器以致天线h 等无源器件。利用m e m s 能量交换的优势可以制作出r fm e m s 功率传感器i s 。 利用m e m s 体积小、质量轻的优点，可以使r f m e m s 器件或系统与传统的相比更具优势，如图1 1 所 示为飞利浦公司基于传统方法和利用r fm e m s 方法制作的无源器件的无线通信收发子系统【6 】，其中( a ) 显示的1 9 9 8 年制造的g s m 单频功率放大器，( b ) 显示的足2 0 0 4 年制造的发射机，包括g s m 双频功率放大 器、天线开关、变容二极管、双工机( d i p l e x e r ) 和两个体统滤波器。相对于传统方法，r fm e m s 在体积、 质量和性能上都有很大的改进。 棚 图l l 飞利浦公司基于传统方法( a ) 和r fm e m s ( b ) 方法制造的无线通信子系统 r fm e m s 器件和系统具有体积小、质晕轻的优点，同时对加速度不敏感，没有卣流功耗，可以在低 成本的辟化玻璃衬底上制造，更重要的是r fm e m s 器件可以与传统的硅基和g a a s 基集成电路集成，利 用兼容工艺，可以实现片上系统，从而进一步提升性能，同时也实现了进一步的小型化。 东南大学硕士学位论文 1 1 2r fm e m s 的分类和应用领域 r fm e m s 发展到今天，已经从最初的开关发展到如今的五大类【7 】： ( 1 ) r f m e m s 开关、变容器和电感：已表明他们可以在d c 一1 2 0 g h z 范围内工作，目前也是相对 成熟的技术。除了微加工电感以外，r fm e m s 开关和变容器工作时可移动数个微米。 ( 2 ) 微加工传输线、高q 谐振器、滤波器和天线：适合于1 2 2 0 0 g h z 范围内工作。通常集成在薄绝 缘介质上或使用体硅微机械加工技术制造，但是没有机械移动部分。 ( 3 ) f b a r ( 薄膜体声波谐振器) 和滤波器：利用薄膜的声波振动原理，直到3 g h z 都能表现出优异 的性能和高q 值( 2 0 0 0 ) 。最近，用f b a r 技术研制出无线应用的小型低损耗滤波器。 ( 4 ) r fm e m s 谐振器和滤波器：利用极小梁的机械振动，在o 0 1 2 0 0 m h z 并在真空中完成高q 值谐 振。在这种情况下，机械移动在几十个a 的量级。利用这种技术已经制备出2 0 0 m h z 范围的高 q 值( 8 0 0 0 ) 谐振器，但二级滤波器仅能工作到1 0 m h z 范围。 ( 5 ) r fm e m s 功率传感器：利用悬挂在信号线上的极板和信号线组成的电容变化测置信号线上传输 的功率m j ( 在线式) 或者采用匹配电阻和热电偶的方法 g a o l ( 终端式) ，通过匹配电阻发热消耗信 号线传输的功率，以及热电偶感应热产生的电势的变化测罡信号的功率，它们的优点是灵敏度高， 线性度好，测量范围宽，同时自身损耗小，并且可以与集成电路工艺兼容，从而可以实现片上集 成。 上面从r fm e m s 的具体应用领域系统进行分类；针对m e m s 部件与r f 电路之间的关系可以将r f m e m s 分为【1 1 - 1 2 ： ( 1 ) r f 外延型( r fe x t r i n s i c ) ：m e m s 器件定位于r f 电路之外，但是用于制动或控制r f 电路中的 微机械器件；其实例有可调微带传输线和与之相关联的移相器和移相器阵由于易于采用自动化 技术进行生产，微带线已成了一种连接高速电路和各部件的一种用得最广泛的传输线。 ( 2 ) r f 本征型( r fi n t r i n s i c ) ：m e m s 器件位于r f 电路之中，具有制动电路和r f 电路双重功能； 其实例有m e m s 开关、可变电容和梳状电容器。随着电激聚合物( e a p ) 、多功能智能聚合物 及微立体平板印刷技术的出现，此类r fm e m s 已能轻易地用聚合物衬底基础系统表现出来。这 些系统是可塑、稳定和耐久的，并且还能与有机薄膜晶体管集成在一起。 ( 3 ) r f 反应型( r f r e a c t i v e ) ：m e m s 器件位于r f 电路之中，只是通过耦合对r f 进行衰减的功能； 其实例有容性可调滤波器和谐振器。薄介质膜上的微波和毫米波平面滤波器显示地损耗特性，适 合用做低价格、紧凑和高性能的毫米波单片集成电路。 上面从两个不同的角度对r fm e m s 进行了分类，对r fm e m s 有了综合的了解。在实际应用中，各 个类别之间的界限不是很明显，我们往往采用上述类别中的一类或多类组合构成我们所需要的器件或系 统，比如采用开关和滤波器组合构成可调滤波器就是一个很好的例子。 经过上面的分析，r fm e m s 的具体器件已经有所熟悉。这些r fm e m s 器件是如何用在系统中的? 主要用在哪些系统中? 我们首先从一个实例入手，如图1 - 2 所示为一个典犁的无线接收机的前端系统级详细框图1 4 j ，图中阴 影部分的器件或系统采用片外的无源器件实现。虽然这提供了较大的器件选择性，能够制造出高性能的r f 系统，但是这与当今小型化、轻型化的需求背道而驰，为此人们把目光转移到了具有体积小、质量轻的 m e m s 器件上面，图中也标注了采用m e m s 器件的改进方案。 2 第一章绪论 图1 2 一个典型的无线接收机的前端系统级框图 随着研究的深入，m e m s 器件的高q 值和低噪声以及可与传统的集成电路工艺兼容等优点被挖掘出来， 越来越多的专家和学者进行了m e m s 器件的r f 领域开拓，如图1 3 所示为在r f 微系统巾町应用的m e m s 器件”1 以及相关的制备技术。 图1 3r f m e m s 的技术框图 任何r f 系统不可能是全频带系统，都有一定的适用频段，r f 系统的应用频率范围受到r fm e m s 器件 的影响，因此我们需要了解r fm e m s 器件的应用频率范围。如图1 4 所示为r fm e m s 器件的应用频率范 嗣i i ，从图巾可以看出r fm e m s 器件的主要应用领域足在g h z 频率范围，在这个频段，普通的m o s 器件 无法实现传统巾利用的变容器和开关，r f m e m s 的可变电容和开关有效地解决了这个问题，这足r f m e m s 可变电容和开关得到较大发展的原凶之一。 3 东南大学硕士学位论文 图1 4r fm e m s 器件的应用频率范围 下面我们了解一下r fm e m s 器件或系统具体应用的系统以及发展情况，在无线通信领域，军用和民 用的需求都比较大，r fm e m s 以其独特的优点，在最近几年发展迅速，如图1 - 5 所示为r fm e m s 的具体 应用领域的发展情况【，从图中可以看出在近两年将会陆续有采用r _ fm e m s 器件的系统出现。 1 1 3r fm e m s 的制作方法 图1 - 5r fm e m s 器件各应用领域的市场走向 r f m e m s 器件由于采用了m e m s 器件，所以有自己特定的工艺，有些工艺与标准的集成电路丁艺不兼 容，表1 1 列出t r fm e m s 器件的丁= 艺技术。表中涉及的具体工艺可以参照文献【1 ，这里不再重复。 表1 ，1r f m e m s 制备技术框图 4 第一章绪论 层) m c m - d m c m - l ) 衬底键合 ( 没有衬底刻蚀，过孔除外) 1 1 4r fm e m s 的研究现状 r f m e m s 的诸多优点促使其在过去得十年问飞速发展。如图1 - 6 所示为国际知名公司在r f m e m s 的 典犁器件中的投入情况i ，从图中可以看出体声波谐振器已经产业化。r fm e m s 开关、可变电容和微机 械谐振器也将于近两年有一些工业产品问世。 图1 - 6 典型r fm e m s 器件的研究规划 目前r f m e m s 的t 0 究方向主要针对三个方面n i i , 1 7 1 ： 1 1单个器件( 如开关、可变电容、电感等) 的性能和可靠性的研究； 2 )器件组成的可重构网络( 如阻抗变换器、移相器、多路选择开关等) 的相关研究： 3 1器件与r f 电路的集成设计研究。 1 2 r f m e m s 开关 纵观上述的r fm e m s 现在的研究方向，开关都有涉及：除了单纯使用r fm e m s 开关做收发天线的 转换开关外，还町以利用r f m e m s 开关制作可重构网络，提高r f 集成电路的性能。m e m s 开关的研究 已经系统化，既有关于开关本身的研究，也有关于开关构成可重构网络和电路系统的。 5 东南大学硕士学位论文 1 2 1r fm e m s 开关的特点 从1 9 7 8 年p e t e r s e n 研究的悬臂梁开关【1 ”开始，r fm e m s 开关进入了高速发展的时期，为了了解r f m e m s 开关，我们首先需要了解r fm e m s 开关的特点，表1 2 给出了传统r f 开关和r fm e m s 开关的比较 h i ： 表1 2 传统r f 开关和r f m e m s 开关的比较 参数延迟线肖特基h l o s f e tp - i - n 磬 m _ n cm e m s 过渡时间n sn ，a5n ，a3 0 05n ，a 开关速度 2 e - 3n m3 e 9 一e 一86 5 0 e - 92 5 e 1 9e 一6 电压，、，1 0 0 - 2 0 0n h5 1 53 5 n a 3 3 0 电f f t j j a 1 2n ，a 1 0 1 0 0 0 0n ，a 3 0 0 0 寿命周期 e 7 - - e 一8 e 9 e 9n ，an a e 1 3 损耗，d b ( i g h z ) 02 508 50 5 105 】1 10 1 隔离度d b ( 1 g h z l 7 06 2 2 0 4 0 4 06 0 4 0 体秘m m 2 n a n | 1 50 1n ，ao 1 总电 b r u m a 6 0 1 8 0n ，a3 00 1 5n a 电源电压 + 1 2+ 5n ，a5+ 5n ，a 瞬时信号，m v n ，a 1 0n ，a 2 1 01 0 0n a 带宽m h z d c 1 2 0 0 2 5 0 0 n a 2 0 2 0 0 0 5 4 0 0 0d c 4 0 0 0 0 设计灵活性 n ，an ，an k 是 n ，an ，a 从上表可以看出，r fm e m s 开关在功耗、隔离度、损耗和线性度上具有比p i n 、f e t 更优越的特性， 而在阈值电压，开关时间和功率处理能力上性能要比p i n 、f e t 差。 r fm e m s 开关相比p i n 和f e t 的另一个重要的优点就足r fm e m s 开关可以工作在很高的频段，从 而可以应用在微波和毫米波领域。r f m e m s 开关的这些优点构成了r f m e m s 开关的发展动力，同时r f m e m s 开关存在的问题也成了r f m e m s 开关研究小组的各个研究方向。下面将从r f m e m s 的具体结构 深入了解r f m e m s 开关。 1 2 2r fm e m s 开关的分类和典型结构 r fm e m s 开关发展到今天，可以说是形态各异，驱动方式千差万别。为了研究的方便，有必要对r e m e m s 开关进行分类，由于r em e m s 开关是用机械结构实现电学性能，我们口丁以从不同的角度进行分类： r em e m s 开关都离不开执行器的驱动，在r em e m s 开关执行器的研究上发展也比较迅速：静电执 行器、熟执行器、压电执行器和电磁执行器。从执行器的角度讲，r fm e m s 开关按照执行器进行分类。 从机械结构方面也可以进行划分：按固定方式分为悬臂粱和双端周支梁；按照移动方向分为垂直和侧 向方式；按照连接方式可分为串联和并联方式。 从实现电学性能的方式我们可以把r fm e m s 开关分成两类：金属直接接触式，电容式。现在也有采 用接触式和电容式串联的方式( 也可以把这。类归为第三类) 实现宽带信号的通断”。 实际应用的r fm e m s 开关都足上述各个分类方式的组合【l ”】，我们从执行器的角度介l ? 几种典型的r e m e m s 开关，表1 3 给出了各剩一执行方式的典犁r em e m s 开关： 表1 3 各种执行方式的典型开关 6 第一章绪论 静电执行驱动电压：6 v 参考文献：【2 0 】： 开关时间：5 0 1 j s 双端固支电容式开关； 通过设计开关粱和执行电 极可以改变开关电压和开 关时间，这是以增大面积为 代价的 驱动电压：6 0 - 8 0 v 参考文献：【2 1 】； 开关时问：2 - 3 i t s悬臂梁直接接触式开关； 开关电阻：1 - 5 n增加驱动电压改善开关时 间，增大极板厚度减少电流 密度 热执行驱动电压：5 v 参考文献：【2 2 】； 开关电流：1 2 m a热静电执行方式； 开关温度：1 8 0 舣端同支接触式开关； 开关时间：3 0 0 p s随着驱动电压的增加，开关 时问有所减小 驱动电压：“8 v 参考文献：【2 3 】： 开关熟功率：侧向移动接触式开关； 3 0 - 4 0 r o w 侧向开关占用面积较大，位 开关时间：1 3 m s移较大； 压电执行驱动电压 5 v ： 参考文献【2 4 】； 接触电阻：1 q双端同支串联接触式开关： 接触力较大 驱动电压：2 5 v 参考文献：【2 5 】； 悬臂粱直接接触开关； 低驱动电压； 开关时间较长 电磁执行驱动电压： 1 0 0 r o w )触点温度上升，电更大的接触力更好的接触材料， 流密度，材料转移更好的触点传热性能 1 3 2 功率处理能力的研究现状 功率处理能力是r fm e m s 开关的重要指标，直接决定r fm e m s 开关的应用范围。传统的静电执行 r fm e m s 开关的功率应用范围仍然低于1 w m 。目前针对静电开关的失效机理h “8 】和增强功率处理能力的 新型驱动方式的r fm e m s j ：f 关【“t “5 2 1 都有所研究，具体的总结见表1 5 。 表1 5m e m s 电容式开关和金属金属接触式开关的高功率失效机理和解决方案 开关类型失效机理备注解决办法 表现形式机理 电容式开关自执行 射频功率( 通过) 一开关上耦合静电力执行器的周有新的开关结构： 出电压一准静电力一自执行特性；可以利用做开关静电力执行器的 的驱动方式改进h ；新的 自锁射频功率( 通过) 一开关上耦合静电力执行器的固有执行器的使用“ 出电压一准静电力一自锁特性 s o - 5 2 1 电迁移趋肤效应一电流密度上升一热斑器件分离失效可以通过增加开 一金属电导率提高一电迁移 该失效是永久失效 关的厚度1 4 7 , 4 9 1 ( e l e c t r o m i g r a t i o n ) 热效应射频功率( 损耗) 一开关温度上 可能会引起开关的永 选用电阻和热阻 升一粱弯曲形变一自执行久失效；电迁移与热效小的材料；增大 ( b u l k i n g 、c r e e p ) 应之间界限并不是很器件尺寸i f 4 - 5 5j ： 射频功率( 损耗) 一开关温度l 明垃 新的开关结构 升一自锁( b u l k i n g 、c r e e p 、 1 4 74 8 ，s e - s 2 1 w e l d i n g ) 趋肤效应一电流密度上升一热斑 9 东南大学硕士学位论文 一增加热阻一温度继续升高 金属金属自锁接触式开关的接触面积较小，导三种失效的界限不明新的开关接触材 接触式开关电迁移致的电流密度增大一失效显，表现出的是接触电料l 柙】 热效应 阻增大，熔台等现象； 该失效是永久失效 1 4 小结及本论文的主要工作 本章简单介绍了r fm e m s 以及r fm e m s 开关的研究现状。针对r fm e m s 开关，进行了较深入的 调研，了解了当今正对r f m e m s 开关的三个主要的研究方向。可靠性是任何器件从实验室过度到产品的 必须要考虑的问题，功率处理能力影响开关的可靠性，决定开关的应用范围，基于这两个方面，针对r f m e m s 开关的功率处理的研究已经比较深入。 本文的工作主要足选择当今普遍使用的静电执行电容式开关为研究对象，以开关的功卒处理能力为研 究方向，以现有的文献为研究背景参考，对所选的开关的功率处理能力进行较综合的研究。 第二章提出了静电执行r f m e m s 电容式开关的基本原理和基本设计参数； 第三章主要针对上述开关的高功率可靠性，对开关的基本参数和动态特性进行深入的研究，在动态特 性的基础上，量化判别开关的高功率处理能力。 第四章主要针对开关的高功率应用，设计和优化了一种新型的m e m s 开关结构。 第五章进行了论文的总结和展望。 论文的主要创新点：( 1 ) 提出了开关动态过程中的高功率处理能力的量化公式；( 2 ) 优化了增强功率 处理能力的新的开关结构。 1 0 第二章r fm e l d s 开关的原理和设计参数分析 第二章r fm e m s 开关的原理和设计参数分析 r fm e m s 开关不同于传统形式的开关，它通过执行器控制机械部件的通断实现开关作用。为了能很 好的应用r fm e m s 开关，需要抽象出其工作原理，并了解应用过程所需要达到的设计指标，下面分别进 行讨论。 2 1r fm e m s 开关的结构和工作原理 从第一章中的表1 3 可以看出现今使用的r f m e m s 开关通过使用不同的驱动方式驱动开关梁，从而实 现开关的通断。无论使用哪种具体的驱动方式，都需要使用开关梁，并且开关粱采用带有锚区的悬空结构 实现。如今普遍使用开关梁结构为：悬臂梁和双端同支梁结构，典型的例子如图2 - 1 所示【”。 ( )( b ) 图2 1 两种典型的r fm e m s 开关的结构示意图： ( a ) 典型悬臂梁开关结构示意图；( b ) 典型双端固支梁开关结构示意图 通过静电、热电、压电、电磁等执行方式可以将悬空的梁下拉与另一开关极板接触( 接触式开关， 对于电容式开关是与电介质接触) ，实现开关的“开”态；取消执行器工作时，开关梁凭借自身的弹性回 复到初始位置，实现开关的“关”态。以上所概括的就是r f m e m s 开关的基本工作原理。 各种执行方式都有自身的优缺点“，因为静电执行方式开关的制作简单、开关速度相对较快( 没有 能域的互换) ，该种执行方式被广泛研究和使用。本文秉承实验室的研究基础【1 4 s q ，主要研究静电执行方 式的r fm e m s 开关。 静电执行方式的基本原理是通过在开关的