目前,以PCB板为基础的多芯片技术在速度、功耗等方面已无法满足现代信息系统的要求.为了达到高速、低功耗的目的出现了"系统芯片"技术,即将整个电子信息系统集成在一个芯片内.但是,许多传统的射频电子器件的制作工艺,例如变容二极管、石英晶体振荡器等,无法与CMOS平面集成工艺相兼容.因此,有必要开发新型的器件和工艺.用微加工技术制作的射频无源器件,其最大的优点是易于实现片上集成,这为进一步降低射频系统的功耗、改善系统的性能提供了技术支持,并有助于集成系统芯片技术的发展.在射频微机械器件中,MEMS开关是最早应用的射频器件.和传统的半导体开关相比,MEMS开关以其极低的直流功耗和优越的高频特性在微波/毫米波电路中表现出巨大的应用前景.自1979年Petersen首次提出静电驱动的悬臂梁开关以来,已研究出多种结构形式的微机械开关,例如悬臂梁开关、旋转开关和膜开关等,其中两种主要的MEMS开关结构是:串联金属接触式开关和并联电容式开关.从技术发展的角度来看,由于硅制作工艺较为成熟且对硅的材料特性研究深入,所以现在MEMS开关大多是制作在硅衬底上的.为了能与高速GaAs信号处理电路相集成,有必要研究基于砷化镓衬底的RF MEMS开关.此外,和FET开关和PIN二极管开关相比,MEMS开关的寿命和阈值电压成为阻碍开关进一步应用的主要因素.该文将主要研究基于砷化镓衬底的低阈值X波段射频微机械开关.为了设计和制作高性能的RF MEMS开关,论文主要从三个方面对微机械开关进行了研究.首先是设计低阈值电压微机械开关的结构.目前,高驱动电压是阻碍MEMS开关实用化的主要因素之一.对于常规结构尺寸的微机械开关,其阈值电压通常在20~80V,这远大于普通的MOS电路(3V)和TTL电路(5V)的工作电压.因此,降低开关的阈值电压是MEMS开关结构设计的主要问题.为了设计低阈值电压的MEMS开关,有必要研究开关的阈值电压和开关材料、结构尺寸之间的关系.该文在Petersen和Santos等人研究的基础上,利用材料力学的相关知识,建立了膜开关结构的力学解析模型,并用数值方法进行了验证.通过对膜开关结构的详细分析,我们设计了三种结构形式的低阈值开关.利用Ansys、Coventorware等有限元软件并结合等效弹簧理论分析了开关结构和阈值电压之间的关系,并最终优化了开关梁部分的尺寸设计.其次是建立了微机械开关的端口阻抗匹配模型.微机械开关的结构和工作机理决定了MEMS开关具有优越的高频特性.为了进一步优化开关的微波特性,减小开关的回波损耗,在微机械开关的微波设计中,开关的输入/输出端口阻抗将设为额定值,通常为50Ω.该文在Jeremy等人对MEMS开关微波等效电路模型分析的基础上,利用高频传输线理论,首次建立了MEMS开关的"开"态阻抗匹配模型,并利用该模型对开关的结构尺寸进行了优化设计.模型得到了高频有限元软件HFSS的验证.再次是研究了MEMS开关的砷化镓表面微加工工艺.和硅材料相比,砷化镓在高温下易于分解.因而,这就限制了砷化镓工艺中牺牲层和结构层材料的选择.基于砷化镓MMIC标准的工艺线,该文提出了一套与之相兼容的砷化镓表面微加工工艺.实验的结果不仅制作出性能优良的微机械开关,而且对砷化镓MEMS器件的研究提供了许多有益的经验.最后,根据MEMS开关的直流设计、微波设计和工艺流程设计,研制出GaAs衬底上的MEMS开关.通过对所制作的微机械开关的S参数测试,在0.5~25.6GHz频域内,开关的插入损耗小于0.3dB;在自谐振频率点,开关的隔离度可达-42dB.