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MEMS技术为提高射频无源元件性能提供了一个新的技术手段。本文针对RFMEMS电感、RFMEMS可变电容、RFMEMS共面波导以及RFMEMS开关等关键无源元件开展了系统的研究。
本文首次提出了边缘悬空结构有效降低衬底射频损耗的概念。利用射频趋肤效应和邻近效应以及结构力学原理论述了这种结构既能有效地降低RFMEMS无源器件的衬底损耗提高其性能，同时又能保证器件结构有较高的力学强度。从版图到工艺设计开发了实现这种边缘悬空结构并能与CMOS工艺相兼容的制造工艺技术，并对边缘悬空结构的形成与控制进行了详细的讨论与分析。利用该制造技术最终成功制备了具有边缘悬空结构的RFMEMS电感与CPW。边缘悬空结构使得电感的Q值与自谐振频率得到了显著的提高，并且使得CPW的插入损耗明显降低。其具体结果如下：15μmICP深刻蚀及11μm的边缘悬空使单纯平面电感的Q值最大值从6.8提高到11.7，提高了70％，也使自谐振频率从9.1GHz提高到14.3GHz，提高了57％；在39GHz，15μmICP刻蚀及14μm边缘悬空使纯平面CPW的插入损耗从2.4dB/mm降低至0.4dB/mm。以上两个元件的结果证实了边缘悬空结构能够有效地降低衬底损耗提高射频无源元件的性能。
本文提出了一种新的RFMEMS电容耦合式开关结构，该结构将介质层淀积在悬空的硅膜上，而不是像大多数报道的开关那样淀积在传输线上，从而能有效地降低开关的插入损耗。本论文采用高介电常数Ta2O5薄膜为介质层，提高开关的隔离度，同时不会影响开关的其他性能，并采用浓硼扩散单晶硅为开关桥膜结构的主要材料，以提高开关的机械寿命。对RFMEMS电容耦合式开关的电磁学模型进行了较为详细地研究，进行了开关力学结构和电磁学模拟仿真，并进行了开关的设计。利用浓硼扩散自停止腐蚀、键合及ICP深刻蚀技术开发了实现本论文设计的RFMEMS电容耦合式开关的制造工艺技术，并对关键工艺技术进行了试验与讨论。利用所开发的制造工艺技术成功制备了本论文设计的开关。对开关制备工艺中造成的器件失效机制进行了总结，并测试与分析了开关的基本性能，其结果如下：介质薄膜生长在桥膜上能够显著地降低开关的插入损耗，在金传输线厚度仅0.5μm的情况下，在10GHz，介质薄膜生长在桥膜上使得开关的插入损耗从0.253dB降低到了0.018dB，在40GHz，介质薄膜生长在桥膜上使得开关的插入损耗从2.07dB降低到了0.641dB；对于以Ta2O5为介质薄膜、桥膜宽度为140μm的直梁结构的开关，在10GHz，隔离度为-17.4dB，在40GHz，隔离度为-24.4dB。
本文首次较全面地研究对比了器件物理尺寸对平面叉指式可调电容电容调节率以及Q值的影响，并对MgO和LaAlO3两种不同衬底上的可调电容的性能进行了对比，该工作对BST平面叉指式可变电容及基于该电容的可变组件或电路的设计具有指导意义。本文对BST薄膜、平面叉指式可变电容进行了设计。在LAO和MgO衬底上的厚度为350nm～400nm的双层Ba0.6Sr0.4TiO3/Ba0.4Sr0.6TiO3薄膜上成功制备了平面叉指式可调电容，并对其射频性能进行了测试与分析。其结果如下：叉指宽度为3μm、叉指间距从6μm减小至1μm，可变电容的调节率从20％(1.25：1)增加至60％(2.5：1)；10GHz时叉指间距和宽度均为3μm的可变电容的Q值为13；同样生长条件下，衬底LaAlO3上生长的BST薄膜的介电常数、调节率均大于MgO衬底上的，它们分别为522、50％和379、39％。