基于LCP基板加工工藝的RF MEMS開(kāi)關(guān)器件的研究.pdf

1、隨著無(wú)線通訊技術(shù)的快速發(fā)展，通訊頻率的不斷提高，針對(duì)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(diǎn)，由于RF MEMS器件具有線性度高、損耗低等諸多特點(diǎn)，因此受到了射頻和微波領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，其中RF MEMS開(kāi)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(diǎn)，尤其成為替代砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)管和p-i-n二極管等傳統(tǒng)射頻和微波開(kāi)關(guān)的首選器件。目前為止，絕大部分射頻和微波開(kāi)關(guān)都是制造于例如硅和砷化鎵之類(lèi)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(jìn)行微組裝封裝才能實(shí)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(diǎn)，所以能夠在得到優(yōu)良性能的同時(shí)實(shí)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)集成封裝從而實(shí)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(duì)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(duì)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(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)制備以及襯底彎曲對(duì)開(kāi)關(guān)機(jī)械性能的影響進(jìn)行了開(kāi)拓性研究。這里對(duì)RFMEMS開(kāi)關(guān)原理、分類(lèi)、研究現(xiàn)狀和基本概念進(jìn)行了調(diào)研，并在此基礎(chǔ)上完成了以下工作:
　　1.通過(guò)分析相關(guān)資料研究了RFMEMS開(kāi)關(guān)的基本原理和設(shè)計(jì)理論并且結(jié)合各種驅(qū)動(dòng)機(jī)制，確定了所要設(shè)計(jì)的RFMEMS開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)。本文提出了基于LCP材料工藝的兩種RFMEMS開(kāi)關(guān):一種是縱向驅(qū)動(dòng)的靜電開(kāi)關(guān)，

4、并對(duì)襯底彎曲對(duì)于其機(jī)械性能的影響做了理論分析;另一種是橫向驅(qū)動(dòng)的熱開(kāi)關(guān)，主要考慮到橫向驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)對(duì)襯底彎曲的不敏感特性。
　　2.根據(jù)對(duì)于開(kāi)關(guān)機(jī)械性能和微波性能的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，本文對(duì)開(kāi)關(guān)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和微波結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真和優(yōu)化。對(duì)于開(kāi)關(guān)的的微波結(jié)構(gòu)，為了實(shí)現(xiàn)高隔離度和低插入損耗，對(duì)靜電驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)的膜橋和傳輸線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以減小耦合電容;對(duì)熱驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)的懸臂梁信號(hào)線結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)采用HFSS電磁仿真軟件對(duì)上述微波結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真和優(yōu)化

5、。對(duì)于開(kāi)關(guān)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，為了使靜電驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)能有較小的驅(qū)動(dòng)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(dòng)開(kāi)關(guān)能有較大的驅(qū)動(dòng)位移，對(duì)V型梁熱驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用多根V形梁并聯(lián)，并運(yùn)用杠桿驅(qū)動(dòng)原理，同時(shí)采用ANSYS有限元仿真軟件，對(duì)上述開(kāi)關(guān)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真和優(yōu)化。
　　3.本文對(duì)設(shè)計(jì)的兩種RF MEMS開(kāi)關(guān)進(jìn)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(tái)等測(cè)試設(shè)備對(duì)制備結(jié)果進(jìn)行了

6、測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示靜電開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)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(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)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(shí)驗(yàn)顯示制備的靜電開(kāi)關(guān)膜橋中心為下陷狀態(tài)，其驅(qū)動(dòng)電壓會(huì)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(kāi)關(guān)應(yīng)用于可重構(gòu)微波系統(tǒng)或模塊中，可