石墨烯微机电开关设计与制备

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射频开关是无线通信系统的常用器件。快速发展的微电子通信领域对射频开关的射频性能的要求越来越高,固态开关已无法满足需求,微机电技术的发展则有利于应对这样的需求。相比于固态开关,微机电开关虽然具有优异的射频性能,但可靠性却不足,静电驱动的微机电开关还具有吸合电压高的弊端,阻碍着微机电开关的商业化应用。究其原因,是由于Si和金属材料本身的特性,不易进行结构加工以降低吸合电压,并且在反复开关的过程中由于力、电、热的作用容易出现断裂、黏附等失效情况。二维材料石墨烯的出现为解决这一困境提供了一种可能性。一方面,石墨烯在厚度上的优势,容易获得较低的吸合电压。另一方面,石墨烯强度高、表面疏水的特性还利于避免断裂和黏附等失效。石墨烯微机电开关的制备方法仍是当前研究的一个重点,制备关键是实现石墨烯的悬空结构。近年来提出的各种制备方法不可避免地具有工艺复杂、耗时长、精度差等问题。基于以前的研究成果,论文提出一种基于高精度石墨烯转移技术的石墨烯微机电开关的制备方法,对制备过程的关键过程进行研究、成功制备样品并进行性能测试。针对微机电开关的关键参数之一的吸合电压,对桥式和悬臂式两种结构开关的吸合电压进行理论推导,分别讨论载荷分布、作用位置,可动电极等效弹性系数、长度、宽度、厚度、杨氏模量以及电极间隙对吸合电压的影响。根据各种参数对吸合电压的影响规律,从降低微机电开关吸合电压角度出发,提出开关结构设计和材料选择的指导意见。指出选择石墨烯作为开关可动电极材料的合理性。针对制备石墨烯微机电开关的关键问题——如何实现石墨烯悬空结构,研究分析现有的制备方法,比较各种方法的特点,指出这些方法存在的不足。提出石墨烯转移技术的改进方案和石墨烯微机电开关的制备方案。针对石墨烯转移技术的改进方案,设计相应的实验进行可行性验证。分别研究了不同烤胶温度对PVA-PMMA双层膜中PVA溶解性的影响和PVA的引入对PVA-PMMA双层胶中PMMA的电子束曝光的影响。研究结果表明选择PMMA适合的烤胶温度对PVA-PMMA双层膜进行烤胶不会对PVA-PMMA双层膜中PVA的溶解性造成不利影响,由于PVA的引入,在进行电子束曝光时需要适当增加曝光剂量。利用高精度石墨烯转移方法进行石墨烯微机电开关的制备并对制备的样品进行SEM表征,结果表明本方法可以实现石墨烯的自然翘曲,即实现了石墨烯的悬空结构。对制备的开关样品进行初步的性能测试。测试结果表明使用石墨烯作为可动电极可以获得较低的驱动电压,石墨烯电极不容易失效,失效的样品多发生于Au电极。
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