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RFMEMSOMAL开关的性能研究
在射频通信系统中,大量的OMAL开关用于信号的控制。RFMEMSOMAL开关相较于传统的半导体OMAL开关具有低功耗、低插损、高隔离度、体积小等诸多优异的特性,在多个领域具有代替PIN二极管和GaAs场效应管的潜力。虽然RFMEMSOMAL开关结构简单、易于理解,但要达到高可靠性,实现优异的性能并不容易,OMAL开关的材料选择、结构设计和制作工艺等方面都需要进行综合考虑。
RFMEMSOMAL开关的性能研究分析了欧姆接触式RFMEMSOMAL开关主要存在的可靠性问题,在此基础上,ZD研究了残余应力及应力梯度对OMAL开关性能可靠性的影响,并寻求降低残余应力影响的方法。Z后基于应力梯度补偿机制,设计制作了Au-Si3N4-Au的多层梁MEMSOMAL开关。本论文的主要内容有:1.建立OMAL开关力学模型,推导分析OMAL开关梁的弹性系数、吸合电压和谐振频率三个关键性能参数,建立欧姆接触式OMAL开关的up态和down态的等效电路模型。总结分析目前欧姆接触式OMAL开关存在的接触损伤、粘连和粘附等可靠性问题原因和解决方法。分析了悬臂梁的卷曲偏转量与残余应力及应力梯度的数学关系;推导了在残余应力作用下的OMAL开关吸合电压表达式,并综合致动电极的位置分布,分析了残余应力对吸合电压的影响程度;研究了残余应力对固支梁谐振频率的影响;利用Ashby方法,基于硅基底,提出了低残余应力的材料选择方案;从结构设计上总结了残余应力的控制方法。推导了多层梁应力梯度补偿的原理,仿真分析了应力梯度补偿技术对悬臂梁形态和谐振频率偏移的纠正作用;利用应力梯度补偿技术,设计了Au-Si3N4-Au结构的欧姆接触式MEMSOMAL开关,当OMAL开关间隙为5μm时,在2~40GHz频段内,仿真的OMAL开关up态S21大于-0.18dB,S11小于-23dB,OMAL开关down态的隔离度S21小于-23dB,同时研究了up态时OMAL开关间隙对插入损耗,down态时OMAL开关梁感应电感和电阻对隔离度的影响;COMSOL仿真的OMAL开关吸合电压间于103V~104V之间,在具有14μs上升时间的140V工作电压下,OMAL开关时间约为19μs,OMAL开关工作频率小于37KHz;从OMAL开关结构和热稳定性两方面进行了可靠性分析。设计了OMAL开关的制作流程,并进行了流片制作。
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