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本论文在对国内外RF MEMS开关的研究情况及应用背景进行充分调研的基础上,依据北京大学微米/纳米加工技术国家级重点实验室的加工条件,提出并完成了一种具有低插入损耗、高隔离度、宽频带、高驱动速度、高传输功率等显著优点的静电驱动欧姆接触式。RF MEMS开关的设计、加工和测试分析。其主要内容如下:
本论文首先分析了静电驱动欧姆接触式RF MEMS开关的机电特性和电磁特性。依据多物理场数值计算软件和电磁计算软件,设计了结合平行板电容和悬臂梁的驱动结构、高功率处理能力和高可靠性的Au-Pt弹片式接触结构和紧凑排布的多触点接触方案、以及基于共面波导的射频测试电路和基于微带线的开关整体射频结构。
本论文针对静电驱动欧姆接触式RF MEMS开关的结构和射频器件对于表面平整度和低应力的加工要求,设计并完成了厚膜电镀金、牺牲层加工与优化、圆片级封装等关键工艺。厚膜电镀金的加工结果具有表面平整光滑、应力低的特点。对比光刻胶牺牲层,金属牺牲层适合制造复杂的器件结构。采用镍牺牲层可以降低电镀金界面的粗糙度,达到4.74 nm。但是溅射镍的应力大,达到718 MPa,而溅射铜的应力只有36 MPa。对于圆片级封装,采用SU-850可以产生最大的黏附强度,达到4.2 MPa,键合强度为3.1 MPa。玻璃焊料在键合过程中产生回流。键合后,线条高度最大减小10μm,宽度最大增大16μm。
本论文结合厚膜电镀金和表面微机械加工工艺,提出了Cu-Ni双金属牺牲层表面微机械加工工艺流程。完成了流片以及工艺测试。
建立了静电驱动欧姆接触式RF MEMS开关的低频和高频测试装置和系统。完成了开关时间、功率处理能力、可靠性、以及射频特性的测试。开关时间小于10μs。Au-Pt弹片式接触结构开关的电流处理能力达到300 mA,在50Ω标准传输线上的等效功率处理能力达到4.5 W;热开关寿命达到1.2×106次;Au-Au固态触点开关的电流处理能力为40 mA,热开关寿命为5000次。Au-Pt弹片式接触开关20 GHz的插入损耗为-0.2 dB,与Au-Au固态接触开关的插入损耗相当。Au-Pt弹片式接触开关20 GHz的隔离度是-22 dB,Au-Au固态接触结构开关20GHz的隔离度是-18 dB。紧凑的四触点接触方案可以减小开关的插入损耗,但是同时减小隔离度。