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静电驱动MEMS微波开关设计与仿真

谢兴军  
【摘要】:MEMS微波开关是利用MEMS技术形成的新的射频电路元件,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,对MEMS微波开关的研究将对现有雷达和通信中射频(RF)结构产生重大的影响。 在1979年就由Petersen提出了在硅上制作的微机械悬臂式开关,很多研究者报道了研究的微机械开关,但是由于微机电系统(MEMS)器件的研究与发展很大程度上受到现有工艺手段和水平的限制,另外MEMS技术是一种典型的多学科交叉的前沿性研究领域,许多方面的的科学问题需要研究,特别是射频MEMS器件的设计工具不成熟。经过多年的发展,许多高频MEMS开关已经开发出来,如旋转传输线式开关、砷化镓衬底上表面微机械开关、电容性膜开关等等。由于这些开关的稳定性、开关时间以及寿命等问题,很多MEMS开关还处于研究阶段,没有大量的用于实际电路中。 本论文对现有典型的MEMS开关做了分析,针对这些MEMS开关设计中的一些优点和不足,提出了一种比较新颖的开关结构——扭转臂膜开关,为现在MEMS开关的研究设计提供了一种新的思路。本论文对提出的这种开关进行了理论分析和工艺可行性论证,同时利用计算机辅助设计软件对该开关建立有限元模型进行了机电耦合分析、微机械结构模态分析、全波电磁场仿真分析,根据分析的结果优化设计了几种开关尺寸的加工版图进行加工。 对本设计的开关计算机仿真分析表明:(1) 由于利用扭转板和杠杆的原理,该开关结构在比较小的驱动电压下能获得较大的位移,开关闭合时驱动电压<10V。(2) 在0GHz-15GHz频率范围内插入损耗小于0.25 dB,8GHz-13GHz频率范围,隔离度大于20dB。(3) 由于现有电容性膜开关直流电压直接加于信号线上,本设计解决了这种情况引起的绝缘介质容易被击穿的问题。 加工出了实验样品,本加工工艺用于微波MEMS开关的加工在现有的研究中还尚未使用。加工结果表明,工艺是可行的。对实验样品的测试也验证了这种方案的可行性,随着MEMS新的研究手段和较高的微细加工水平的提高,基于本原理的开关的研究也会取得比较理想的结果。 通过MEMS微波开关的设计与仿真课题,对MEMS研究的现状和发展前景有一定的认识,了解了RF MEMS器件设计的难点与要点,初步掌握RF MEMS器件设计的一般方法和计算机辅助设计手段。


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