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MEMS开关在无线通信和无线传感领域的有良好的应用前景,是目前MEMS研究中的一个热点。与其他开关结构相比,横向热驱动MEMS开关具有开关结构简单、驱动电压低、加工成本低、成品率高等优点,因此得到了很多关注。
隔离结构是横向热驱动MEMS开关设计中的难点。在横向开关中,触头和驱动器之间需要隔离结构来实现电学绝缘和机械互连。隔离结构的实现往往会增加开关工艺的复杂度,同时,隔离结构的机械强度限制了开关可靠性的提高。
本课题针对横向热驱动MEMS开关进行了系统的研究,并提出了一种新型的非掺杂多晶硅隔离结构。非掺杂多晶硅隔离结构具有工艺简单、机械强度高等优点,避免了由隔离结构引起的开关失效。本课题利用表面硅工艺实现了开关结构,对非掺杂多晶硅隔离结构的性能进行了研究,并且系统地测量了开关的性能。在加工过程中,通过改进退火工艺避免了多晶硅残余应力对开关性能的影响。此外,通过对开关结构进行优化设计,降低了开关的静态功耗、提高了开关的响应速度。而非掺杂多晶硅隔离结构的应用有效提高了开关的可靠性。
最终制备的横向热驱动开关驱动电压为12.0V,维持闭合状态的静态功耗60mW,静态接触电阻为 0.42Ω。频率响应测试结果显示,开关的响应时间为127gs,最高响应频率为4.5kHz,结构设计的优化使开关响应速度明显提高。在传递RF信号时,开关的闭合状态插入损耗为-0.41dB@20GHz,断开状态的隔离度为-20.2dB@20GHz。冷开关测试结果表明,开关的寿命大于1×10<9>次。