基于LCP基板加工工藝的RF MEMS開關(guān)器件的研究.pdf

1、隨著無線通訊技術(shù)的快速發(fā)展，通訊頻率的不斷提高，針對應(yīng)用于射頻和微波領(lǐng)域的電子器件的研究也成為電子通訊行業(yè)關(guān)注的焦點，由于RF MEMS器件具有線性度高、損耗低等諸多特點，因此受到了射頻和微波領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，其中RF MEMS開關(guān)，因其具有低插入損耗、高隔離度、高線性度和低功耗等特點，尤其成為替代砷化鎵場效應(yīng)管和p-i-n二極管等傳統(tǒng)射頻和微波開關(guān)的首選器件。目前為止，絕大部分射頻和微波開關(guān)都是制造于例如硅和砷化鎵之類的半導(dǎo)體襯底上，而

2、制造于半導(dǎo)體襯底上的MEMS器件成本很高并且需要與其它芯片進行微組裝封裝才能實現(xiàn)完整的功能。研究發(fā)現(xiàn)液晶聚合物(LCP)具有低吸水性、低介質(zhì)損耗和低成本等特點，所以能夠在得到優(yōu)良性能的同時實現(xiàn)較低的成本。并且其本身可作為封裝材料具有多層封裝能力，所以易于實現(xiàn)系統(tǒng)級集成封裝從而實現(xiàn)較小的體積。另外，LCP的柔性特征使得基于LCP襯底的MEMS器件和射頻電路能夠非常適用于對于裝配空間要求高的以及可穿戴的設(shè)備等應(yīng)用之中。
　　本文主要針

3、對基于柔性襯底(LCP)的具有寬頻帶、高隔離度和低插入損耗的RFMEMS開關(guān)設(shè)計制備以及襯底彎曲對開關(guān)機械性能的影響進行了開拓性研究。這里對RFMEMS開關(guān)原理、分類、研究現(xiàn)狀和基本概念進行了調(diào)研，并在此基礎(chǔ)上完成了以下工作:
　　1.通過分析相關(guān)資料研究了RFMEMS開關(guān)的基本原理和設(shè)計理論并且結(jié)合各種驅(qū)動機制，確定了所要設(shè)計的RFMEMS開關(guān)的結(jié)構(gòu)。本文提出了基于LCP材料工藝的兩種RFMEMS開關(guān):一種是縱向驅(qū)動的靜電開關(guān)，

4、并對襯底彎曲對于其機械性能的影響做了理論分析;另一種是橫向驅(qū)動的熱開關(guān)，主要考慮到橫向驅(qū)動結(jié)構(gòu)對襯底彎曲的不敏感特性。
　　2.根據(jù)對于開關(guān)機械性能和微波性能的設(shè)計指標要求，本文對開關(guān)的機械結(jié)構(gòu)和微波結(jié)構(gòu)進行了仿真和優(yōu)化。對于開關(guān)的的微波結(jié)構(gòu)，為了實現(xiàn)高隔離度和低插入損耗，對靜電驅(qū)動開關(guān)的膜橋和傳輸線進行優(yōu)化設(shè)計，以減小耦合電容;對熱驅(qū)動開關(guān)的懸臂梁信號線結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，同時采用HFSS電磁仿真軟件對上述微波結(jié)構(gòu)進行仿真和優(yōu)化

5、。對于開關(guān)的機械結(jié)構(gòu)，為了使靜電驅(qū)動開關(guān)能有較小的驅(qū)動電壓，采用彈簧連接結(jié)構(gòu)的膜橋以減小雙端固支膜橋的等效彈簧系數(shù);為了使熱驅(qū)動開關(guān)能有較大的驅(qū)動位移，對V型梁熱驅(qū)動器進行優(yōu)化設(shè)計，采用多根V形梁并聯(lián)，并運用杠桿驅(qū)動原理，同時采用ANSYS有限元仿真軟件，對上述開關(guān)的機械結(jié)構(gòu)進行仿真和優(yōu)化。
　　3.本文對設(shè)計的兩種RF MEMS開關(guān)進行了制備，并采用安捷倫N5244A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和Cascade探針臺等測試設(shè)備對制備結(jié)果進行了

6、測試，測試結(jié)果顯示靜電開關(guān)驅(qū)動電壓為22V，在DC～20GHz頻段內(nèi)插入損耗優(yōu)于-0.6dB，回波損耗優(yōu)于-16dB，隔離度優(yōu)于-15dB。熱開關(guān)驅(qū)動電流為0.8A，在DC～10GHz頻段內(nèi)插入損耗優(yōu)于-1.5dB，回波損耗優(yōu)于-10dB，隔離度優(yōu)于-30dB。襯底彎曲實驗顯示制備的靜電開關(guān)膜橋中心為下陷狀態(tài)，其驅(qū)動電壓會隨著襯底彎曲程度的增大而先增大后減小，這與理論符合良好。
　　RFMEMS開關(guān)應(yīng)用于可重構(gòu)微波系統(tǒng)或模塊中，可