资源描述：
《悬臂接触式RFMEMS开关的设计》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。
1、http://www.paper.edu.cn悬臂接触式RFMEMS开关的设计张义恺北京邮电大学自动化学院，北京(100876)E-mail：xysr213@sina.com摘要：本文研究的金属接触型RFMEMS开关由悬臂梁，驱动电极，金属触点等部分构成。基于微波、材料和机械设计因素的考虑，本次设计选取了氮化硅作为悬臂梁的材料，以保证有材料具有良好的机械特性和化学稳定性。并选择金作为接触金属，是由于金在稳定性和导电性方面的优势。悬臂梁为PECVD制作的氮化硅薄膜,聚酰亚胺作为牺牲层,运用等离子体刻蚀法释放牺
2、牲层。研究了悬梁、电极的制作工艺,并分析了牺牲层的制作和刻蚀工艺对开关结构的影响，并对开关进行失效分析。关键词：微机电系统，射频开关，阈值电压，失效中图分类号：TP2111．引言MEMS（MicroElectroMechanicalSystems，微机电系统）是电子技术与机械、光学等领域交叉融合并具有战略意义的前沿高技术，是未来的主导产业之一。并在近10年来取得了快速的发展。作为RFMEMS的主要器件之一，RFMEMS开关在微波集成电路（Microwave[1]MonolithicIntegratedCir
3、cuits,MMICs）中有着广阔的应用前景。微开关研究最早可以追溯[2]到Peterson于1979年研制的0.35µm厚、金属包覆的静电悬臂梁式微机械开关。此后，由于工艺的限制没有再取得进展,直到90年代，RFMEMS开关才获得了巨大发展。本文设计的开关属于静电驱动类。2．材料选择及参数设计本次设计的悬臂接触式spst(single-polesingle-throw)型的RFMEMS开关由悬臂、金属触点和静电驱动机械部分组成，用静电吸附力来控制悬臂的上下运动从而实现开、关特性,具有低插损、高绝缘、易于集
4、成和能处理大功率，而且还有驱动电压相对较低、在实际电路中应用灵活等优点。图1开关结构示意图2.1材料选取作为射频开关中的可动部件,悬梁应当具有良好的弹性和较高的强度,对于接触式串联开关而言,上电极在悬梁的上方,地线作为下电极,因此悬梁还必须具有好的绝缘耐压性能,防-1-http://www.paper.edu.cn止静电击穿。为了使开关能长期稳定工作,又能与整个制备工艺兼容,经过综合比较,本次设计最终选择氮化硅作悬臂梁材料。该材料具有良好的机械特性和化学稳定性,同时又可用等离子增强化学气相淀积(PECVD)
5、在低温下淀积,与其他工艺兼容,因此是合适的悬臂梁材料。还有一个重要的问题是接触点的制备。实际上,开关的导通电阻主要来自接触电阻,在可靠性试验中,往往也是接触金属出问题。由于金在稳定性和导电性方面的优势,金不仅具有较低的弹性模量，而且屈服强度也较高，是电极的适合材料。故本次设计选择金为接触金属。2.2机械静态分析微机电开关的力学模型与一端受力的悬臂梁近似。该悬臂梁的长为l、宽为h、厚度为t。由于悬臂梁的宽度远大于厚度,且受力和运动方向都在如图1所示的x-y平面内,所以悬臂梁的运动可以用平面问题分析。假设自由端
6、沿宽度方向单位长度受力为F,悬臂梁在固定端的边界条件:挠度y
7、X=L=0,∂y/∂x
8、X=L=0。则在外力F的作用下,悬臂梁的挠度方程可表示为23y=F3FLFLx−x+(1)6EI2EI3EI3式中,E为悬臂梁的杨氏模量,I为矩形梁的惯矩,I=ht/12。于是,当x=0时,可得自由端的最大位移为3FLy=(2)3EI图2悬臂梁在静电力F作用下的示意图在微机电开关中,悬臂梁受到的外力是由静电作用引起的,该外力可以表示为2εεAV0F=(3)22(d−y)0其中,ε为真空介电常数,ε为介质的相对介电常数。本设
9、计中,介质为空气,ε取为1,A0为有效电极面积,V为电极之间的电压,d为悬臂梁无外力作用时电极之间的距离。因此,0悬臂梁自由端的最大位移y满足方程32LεεAVy=0(4)26EI(d−y)0-2-http://www.paper.edu.cn3FL根据方程y=,自由端的位移v正比于外力F,因此,可以认为悬臂梁自由端的位移也遵3EI循胡克定律,而弹性系数3k=L/3EI(5)当在悬臂梁和下拉电极之间通以电压以后，就会有静电力作用于梁上，这就是相当于在电压的作用下，存在于电容极板间的静电力。为了估算这个力，在
10、下拉电极上的梁被认为是一个平行板电容器的一个极板，尽管由于边缘场的原因，实际电容要相对大20%-40%，但这个模型仍然可以很好的体现静电驱动的过程。平行板电容大小为：C=ε0A/y(6)可以得到：12dC(y)1ε0A2F=V=−V(7)e22dy2y其中V是梁和下拉电极之间的电压。又由于有回复力公式：F=ky(8)e联立上述两式，解等式得出：2k2V=(d−y)y(9)0εA032LεAV定义无量纲量0σ=，并
