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微电子机械系统(MEMS)是微电子(IC)、微驱动器、多数情况下还包括微传感器的集成化系统,是微电子技术与机械、光学等领域交叉融合而产生的一项新技术。利用MEMS技术制作的射频器件,与传统的IC技术兼容,使得微波/毫米波电路的单片集成成为可能,并且具有体积小、重量轻、成本低、性能优越等优点。RF MEMS用于射频和微波电路中的信号处理,将会对雷达、通信系统的设计产生很大的影响。
MEMS开关是最常见的射频MEMS控制元件,是现在RF结构中的关键MEMS器件。RF MEMS开关靠机械移动实现对信号传输线的开/断控制,工作于RF到毫米波频段(0.1～100GHz)。与传统固态开关如FETs和PIN二极管相比,MEMS开关有明显的低插入损耗、高隔离度和低功耗的优势。MEMS开关的主要缺点是驱动电压高、响应速度相对低、可靠性差等。本论文针对现有RF MEMS开关器件的不足,研制了一种基于准LIGA加工制造技术的新型RF MEMS开关。作为开关核心的微驱动器,由两端固支的扭梁、两端可自由摆动的悬臂梁,以及永磁体、下磁路和平面线圈组成。悬臂梁和扭梁由软磁材料制成,和下磁路一起形成两个并联的磁回路。永磁体的使用,实现了器件的双稳态功能,从而可以得到低功耗的磁驱动器。通电线圈用来调节两个磁回路中的磁通,实现器件的姿态转换。
研究了共面波导传输线的金属条带厚度效应,通过保角变换,推导出了共面波导修正的特征阻抗表达式,给出了相应的插入损耗的计算方法。设计了RF MEMS开关的微驱动器结构形式,建立了微驱动结构的力学模型,对微机械结构进行了优化分析,ANSYS模态分析表明开关机械系统的固有频率为3230,接近理论计算值。利用磁路定理对设计的器件进行了电磁分析,说明软磁材料的性能可以保证开关器件的双稳态驱动功能。利用ANSYS进行电磁机械耦合场仿真分析,验证了器件的双稳态机制；分析了磁极板、驱动线圈及铁芯对双稳态机制的影响,分析表明铁芯的存在对器件功能有决定性的影响。根据模拟分析设计了平面线圈的结构形式及结构参数。
研究了RF MEMS开关制作所涉及的工艺技术,确定了合适的工艺方案和工艺参数。采用溅射、甩胶、光刻、电镀、腐蚀等工艺,以溅射Cr/Cu薄膜为电镀金属种子层,以电镀低应力软磁材料坡莫合金为主要结构材料、并提供导磁功能形成磁回路,以电镀铜为驱动线圈导线,以溅射氧化铝作为绝缘掩蔽材料,以电镀金作为波导传输线,以正性光刻胶为牺牲层并采用湿法释放技术形成悬空结构梁,经过整合的工艺流程,成功地制作出集成化的RF MEMS开关原型器件。
采用非接触式光学测量系统Wyko NT1100光学轮廓仪测定的微波开关的机械性能,结果证实了开关的双稳态功能,在50mA的脉冲电流驱动下可以实现开关的状态转换,与ANSYS软件有限元模拟结果相符合。对应的驱动电压小于3伏。开关的状态转换所用时间约为20μs,功耗不到3μJ,驱动位移约17μm。利用8722ES型S参数网络分析仪和专用控针台测试了开关的微波性能插入损耗、隔离度和回波损耗。测试结果表明开关在1GHz～3GHz频率范围内插入损耗小于0.12dB、隔离度大于42 dB、回波损耗优于-35 dB。所设计的新型RF MEMS开关具有低压、低功耗、响应速度快、插入损耗小、隔离度大等综合技术优势。