Ka波段硅基MEMS滤波器

硅基MEMS制造技术一、概述硅基MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）制造技术是一种在硅基底片上制造微小机械系统的技术。

它结合了集成电路制造技术和微机械加工技术，能够实现微小机械元件和电子元件的集成，具有广泛的应用前景。

二、硅基MEMS制造工艺流程硅基MEMS的制造过程通常包括以下几个步骤：1. 底片准备首先需要准备高质量的硅晶片底片，通常使用晶向为<100>或<111>的硅晶片。

底片的表面需要进行清洗和平整处理，以确保后续工艺的可靠性。

2. 晶圆制备将准备好的硅晶片切割成圆片，通常采用直径为4英寸或6英寸的晶圆。

切割后的晶圆表面需要进行化学和机械抛光，以去除表面缺陷和残留污染物。

3. 电子器件制造在晶圆上使用光刻工艺制造出电子器件的结构。

通过光刻、蒸发、离子注入等工艺步骤，实现电子器件的制造和烘烤。

4. MEMS器件制造在晶圆上制造MEMS器件的结构。

常用的MEMS制造技术包括悬梁结构制作、电极制作、传感器元件制作等。

这些工艺步骤通常需要使用光刻、溅射、湿法腐蚀等工艺方法。

5. 封装封装涂覆将制造好的MEMS器件进行封装和涂覆保护层。

封装通常包括芯片粘接、封装介质注入、压力测试等步骤。

涂覆保护层可以保护MEMS器件免受环境中的灰尘和湿气的侵蚀。

6. 性能测试与封装对制造好的MEMS器件进行性能测试，包括静态测试和动态测试。

在测试合格后，将其封装到具有保护功能的封装载体中。

三、硅基MEMS制造技术的应用1. 惯性传感器硅基MEMS制造技术被广泛应用于惯性传感器领域。

通过制造微小的加速度计和陀螺仪等传感器，可以实现对物体姿态、加速度等参数的测量。

惯性传感器广泛应用于航空航天、汽车、手机等领域。

2. 压力传感器利用硅基MEMS制造技术制作的压力传感器具有高灵敏度、良好的线性度和稳定性。

压力传感器常用于医疗、汽车、工业等领域的气压测量和控制。

第40卷第2期2021年4月红外与毫米波学报J.Infrared Millim.Waves Vol.40，No.2 April，2021基于硅微机械加工波导W波段功率合成放大器成海峰1，2，朱翔2，候芳1，2，胡三明1*，郭健1，石归雄2（1.东南大学毫米波国家重点实验室，江苏南京210096；2.南京电子器件研究所，江苏南京210016）摘要：基于硅微机械加工工艺，设计并制作一款W波段4路硅基波导功分/合成器。

通过在8英寸的硅晶圆上采用干法刻蚀和晶圆级键合等工艺途径实现了硅基波导结构。

根据硅微机械加工工艺的特点，设计了一种基于H面T 型结和3dB耦合桥结构的波导功分/合成器。

该功分/合成器表现出的损耗为0.25dB。

最后，采用该硅基功分/合成器对4只2W的GaN功率单片进行了功率合成，研制了W波段硅基合成功率放大器。

测试结果表明，在92∼96GHz 的频率范围内，输入功率30dBm的条件下，输出功率在7.03W至8.05W之间，典型电源附加效率为15%，平均合成效率为88%。

关键词：W波段；硅微机械加工；功率分配/合成器；固态功率放大器；氮化镓中图分类号：TN73文献标识码：AW-band power combining amplifier based on siliconmicromachined waveguideCHENG Hai-Feng1，2，ZHU Xiang2，HOU Fang1，2，HU San-Ming1*，GUO Jian1，SHI Gui-Xiong2（1.State Key Laboratory of Millimeter Wave，Southeast University，Nanjing210096，China；2.Nanjing Electronic Device Institute，Nanjing210016，China）Abstract：Based on the silicon micromachined technology，a W-band4-way silicon waveguide power splitter/combiner was designed and fabricated in this paper.The silicon waveguide has been realized by dry etching and wafer level bond‐ing on an8inch silicon wafer.According to the characteristics of silicon micromachining，a waveguide power splitter/ combiner based on H-plane T-junction and3dB coupler was designed.This silicon splitter/combiner exhibits extremely low loss.A silicon power combined PA module was developed by using this silicon power splitter/combiner together with four2W GaN MMICs.The output power is between7.03W and8.05W across the frequency range of92to 96GHz with an input power of30dBm，and the typical PAE is15%.The average combining efficiency is88%.Key words：W band，silicon micromachined，power splitter/combiner，solid state power amplifier（SSPA），GaN. PACS：84.30.Le，84.40.-x引言受单片电路工艺及设计的限制，单个单片功率放大器的输出功率有限，因此功率合成是大功率固态功放研制中最常用的技术。

mems卡尔曼滤波
MEMS卡尔曼滤波是一种用于处理微机电系统（MEMS）传感器输出数据的滤波方法。

MEMS传感器是小型化的传感器，可以在许多应用中使用，例如智能手机，汽车和医疗设备。

MEMS传感器的输出数据通常存在噪声和误差，需要使用滤波器来提高数据质量和准确性。

卡尔曼滤波是一种常用的滤波方法，可以通过对传感器输出的数据进行预测和校正来减少误差和噪声。

MEMS卡尔曼滤波将传感器输出数据建模为状态变量的向量，并使用卡尔曼滤波算法来估计每个状态变量的最佳值。

MEMS卡尔曼滤波是一种非常有效的滤波方法，可以在减少传感器输出数据误差的同时，保持较高的数据采样率和精度。

它已被广泛应用于许多领域，包括飞行控制，自动导航，机器人技术和医疗设备等。

使用MEMS卡尔曼滤波可以改善传感器输出数据的质量，并提高系统的准确性和稳定性。

对于需要高精度和高稳定性的应用，如自动导航和医疗设备等，MEMS卡尔曼滤波是一种非常有用的滤波方法。

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Ka波段硅基分布式MEMS传输线移相器射频特性研究作为一种新型的射频微机电系统(RF MEMS:Radio Frequency MicroElectroMechanical Systems)器件,分布式MEMS传输线(DMTL: Distributed MEMS Transmission Line)移相器因其具有损耗低、体积小、重量轻、以及与集成电路加工工艺相兼容等特点,已经越来越广泛地应用在相控阵雷达、微波通信、卫星通信以及微波测量等领域,其工作稳定性、可靠性以及射频性能在应用系统中起着关键作用。

伴随着DMTL移相器的广泛应用,其射频性能问题一直是人们关注的焦点之一。

特别是近年来,DMTL移相器朝多位数字式结构、更高频通信系统应用以及集成化方向发展,从而对DMTL移相器的机械性能、射频性能以及封装结构提出了新的要求。

为此,本文对硅基DMTL移相器MEMS电容开关的下拉电压、响应时间和动态特性进行了理论分析和数值计算,并针对传统毫米波段DMTL移相器的射频性能、分析方法和封装结构在实际应用中存在的问题进行了深入系统地研究。

鉴于DMTL移相器含有可动机械部件,其机械性能和射频特性等理论分析方法还不够完善,因此,本文首先针对静电驱动分布式MEMS传输线移相器的下拉电压和响应时间展开研究。

采用理论模型和仿真验证相结合的方法从多个角度对DMTL移相器的MEMS电容开关进行机械性能分析,探讨和总结MEMS桥几何尺寸、材料性能等因素与下拉电压和响应时间之间的基本规律,目的是为RF MEMS器件的分析、设计和应用提供一定的理论依据。

其次,本文针对DMTL移相器的MEMS桥动态特性展开研究,在考虑多种物理因素情况下建立MEMS桥的二维分布动态方程,并采用有限元多物理耦合场方法研究静态加载和动态加载下MEMS桥的动态特性,从而获得了在静态和动态加载情况下残余应力、伸长效应、加载电压、外界机械力的加载模式以及加载模式的振幅、周期和频率对MEMS桥的非线性动态特性影响的基本规律,为分布式MEMS传输线移相器MEMS桥设计和可靠性研究提供了理论基础。

ＭＥＭＳ器件与技术ＭＥＭＳＤｅｖｉｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ收稿日期：２００８－０１－３０基金项目：国家自然科学基金（６０６７６０４７）；上海－应用材料研究发展基金（０６ＳＡ１１）Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｙｈ２２＠１６３．ｃｏｍ基于ＭＥＭＳ技术的微波滤波器研究进展欧阳炜霞，张永华，王超，郭兴龙，赖宗声（华东师范大学微电子电路与系统研究所，上海２００２４１）摘要：基于ＭＥＭＳ技术的滤波器是现行ＲＦ结构中一个关键的ＭＥＭＳ器件。

与传统的采用金属矩形或圆柱波导以及半导体元件制作的滤波器相比，ＭＥＭＳ滤波器具有低损耗、高隔离度、线性好、体积小、易于集成等优点。

对利用ＭＥＭＳ技术制作的滤波器做了分类总结，综述了近几年ＭＥＭＳ滤波器的研究进展，包括硅体微加工滤波器、ＬＩＧＡ传输线型滤波器和基于ＭＥＭＳ开关／电容实现的可调滤波器。

指出可调滤波器的开发适应微波、毫米波波段的多频段、宽带无线通信系统的迫切需要，具有重要的现实意义。

关键词：ＭＥＭＳ技术；硅体微加工；ＬＩＧＡ技术；微波滤波器；可调滤波器中图分类号：ＴＮ７１３；ＴＨ７０３文献标识码：Ａ文章编号：１６７１－４７７６（２００８）０４－０２１４－０５ＲｅｖｉｅｗｏｎＭＥＭＳＭｉｃｒｏｗａｖｅＦｉｌｔｅｒｓＯｕｙａｎｇＷｅｉｘｉａ，ＺｈａｎｇＹｏｎｇｈｕａ，ＷａｎｇＣｈａｏ，ＧｕｏＸｉｎｇｌｏｎｇ，ＬａｉＺｏｎｇｓｈｅｎｇ（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＣｉｒｃｕｉｔ＆Ｓｙｓｔｅｍ，ＥａｓｔＣｈｉｎａＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００２４１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＦｉｌｔｅｒｓｂａｓｅｄｏｎＭＥＭＳｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｒｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｄｅｖｉｃｅｓｉｎｃｕｒｒｅｎｔＲＦｓｙｓｔｅｍｓ．Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｍｉｃｒｏｗａｖｅｆｉｌｔｅｒｓｕｔｉｌｉｚｉｎｇｍｅｔａｌｌｉｃｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ／ｃｉｒｃｕｌａｒｗａｖｅｇｕｉｄｅｓｏｒｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，ＭＥＭＳｆｉｌｔｅｒｓｈａｖｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｉｎｃｌｕｄｉｎｇｌｏｗｌｏｓｓ，ｈｉｇｈｉｓｏｌａｔｉｏｎ，ｅｘｃｅｌｌｅｎｔｌｉｎｅａｒｉｔｙ，ｓｍａｌｌｓｉｚｅ，ｅａｓｙｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ，ｅｔｃ．ＦｉｌｔｅｒｓｂａｓｅｄｏｎＭＥＭＳｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｒｅｃｌａｓｓｉｆｉｅｄａｎｄｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．ＴｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｅｓｏｆＭＥＭＳｆｉｌｔｅｒｓｏｖｅｒｔｈｅｐａｓｔｓｅｖｅｒａｌｙｅａｒｓａｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｓｉｌｉｃｏｎｂｕｌｋｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ，ＬＩＧＡｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅｓａｎｄＭＥＭＳ－ｓｗｉｔｃｈｅｓ／ｃａｐａｃｉｔｏｒｓ－ｂａｓｅｄｔｕｎａｂｌｅｆｉｌｔｅｒｓ．Ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｏｆｔｕｎａｂｌｅｆｉｌｔｅｒｓｈａｖｅｍｏｒｅｉｎｔｅｒｅｓｔａｓｔｈｅｙｍｅｅｔｔｈｅｕｒｇｅｎｔｄｅｍａｎｄｏｆｍｏｄｅｒｎｍｉｃｒｏｗａｖｅ／ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ－ｗａｖｅｍｕｌｔｉｂａｎｄ，ｗｉｄｅ－ｂａｎｄｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ（ＭＥＭＳ）ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｓｉｌｉｃｏｎｂｕｌｋｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ；ＬＩＧＡｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｍｉｃｒｏｗａｖｅｆｉｌｔｅｒ；ｔｕｎａｂｌｅｆｉｌｔｅｒＥＥＡＣＣ：２５７５；１２７０Ｄ０引言滤波器作为一种选频元件，用来抑制噪声、选择或限定ＲＦ／微波信号的频段范围，在许多ＲＦ／微波应用中起着重要的作用。

• 125•根据星载固放工作环境特点以及对固放高可靠性要求，本文介绍了一种K 波段星载固放，其内部提出了一款良好散热、保证气密的GaN 功率芯片封装模块用于功率合成。

该GaN 功率模块使用金刚石铜作为衬底底部和可伐材料拼接，能够满足气密性和散热需求，同时内部集成了宽带脊波导到同轴转接，易进行空间功率合成。

实测气密性优于1×10-1Pa·cm3/s ，满足可靠性和工程应用需求。

经过测试，整个固态单机的输出功率大于15W ，额定输出下效率21.5%。

1 引言京理工大学，2004；石雯，Ku 波段氮化镓功率放大器研究：杭州电子科技大学，2012；Dong Min Kang,Jong Won Lim,et a1.X-band 100 W solid-state power amplifier using a O.25 μM GaN HEMT technology:MICROWA VE AND 0PTICAL TECHNOLOGY LETTERS 2015）。

因此，本文采用GaN MMIC 设计一款K 波段星载固态功率发射机，内部功率模块采用的是探针双脊波导过度和空间功率合成的方式。

该模块能够保证较宽的工作带宽、良好的导热率以及气密性。

整个固放输出功率大于15W ，功率增益大于45dB ，固放单机效率达到21.5%。

芯片封装的气密性优于1×10-1Pa·cm 3/s ，散热良好，满足特殊应用环境需求。

基于GaN芯片的星载K波段固态功放研制中国电子科技集团公司第十三研究所 朱文思图1 宽带波导同轴探针过渡HFSS仿真模型示意图图2 宽带同轴波导转接仿真结果曲线目前，微波固态功放（SSPA ）相对于真空管放大器具有可靠性高、寿命长、工作电压低、尺寸小、重量轻等特点，因此在雷达、通信、卫星等领域中有着非常广泛的应用，其性能指标直接制约着整个系统的性能和技术水平。

基于GaAs 材料的功率器件已经无法满足对更高频率、更高功率的追求，这就需要新的材料来突破这个瓶颈（曹韬，曾荣，基于GaN HEMT 器件的宽带高效功率放大器：微波学报，2012；钮浪，石洁昀，潘威，X/Ku 波段宽带GaN 微波固态功放技术研究：科学与信息化，2018）。

第30卷　第5期2007年10月电子器件Ch inese Jou r nal Of Elect ro n DevicesVol.30　No.5Oct.2007Electr omechanical Design of Low 2Dr iven Volta ge Capacit ive SwitchesB ased on K a 2B an k Distr ibuted M EMS Phase Shif ter s 3H E X un 2j un1,2,WU Qu n 1,J I N B o 2sh i 1,SO N G M in g 2x i n 2,YI N J i n g 2h ua21.S chool of El ect ronics and In f ormati on Technol og y ,Harbi n Inst it ut e of Technol og y ,Harbi n 150001,Chi na;2.S chool of Ap pl ied S ciences ,Harbi n Univers it y of Science and Technolo gy ,Harbi n 150080,ChinaAbstract :The R F MEMS capaciti ve swi tche s have de monst rated great pot enti al i n microwave phase shift ersand millimete r 2wave circuit s and devices due t o t heir very low lo ss ,low power consumption ,and low co st cha racteristics.To reduce t he driven 2vol tage of switches based on K a band di st ri but ed M EMS pha se shift 2ers ,t he mec hanical desi gns of different low spri ng 2constant hi nge beam st ruct ure a re p re se nt ed.The dis 2pl acement dist ribut io n ,driven volt age ,mechanical modes and R F performance of t he swit ches usi ng t he se bea ms are a nal yzed by using Intelli Sui te TM a nd ADS sof t ware si mulation tool.The result s demonst rate t hat for t he st ruct ure of beam2swit ch ,t he dri ven volta ge i s 3V ,t he nat ural frequencies of all modes are more t han 31k Hz ,t he insertion lo ss a nd ret urn loss are 0.082dB ,18.6dB at 35GHz ,re spect ively.At sa me t ime ,t he pha se shif t of 105.9o is obtaine d.K ey w or ds :MEMS pha se shift ers ;capaciti ve swi tches ;low dri ven 2volt age ;elect ro mechanical perfor mance ;RF performance EEACC :1250;2570K a 波段分布式MEM S 移相器低驱动电平容性开关的机电设计3贺训军1,2,吴　群1,金博识1,宋明歆2,殷景华21.哈尔滨工业大学电子与信息技术研究院,哈尔滨150001;2.哈尔滨理工大学应用科学学院,哈尔滨150080收稿日期6223基金项目国家自然科学基金资助项目(656);哈尔滨工业大学跨学科交叉性研究基金资助(I T MD 3)作者简介贺训军(2),男,博士生,主要研究方向为R F M MS 器件设计与封装,x j @;吴　群(552),男,教授,博士生导师,主要研究方向为微波毫米波器件与电路,q @摘　要:为降低K a 波段分布式M EMS 移相器容性开关的驱动电压,提出不同形状新型低弹性系数铰链梁结构M EMS 电容开关的机电设计概念.采用IntelliSuite TM 和ADS 软件分析了三种梁结构M EM S 电容开关的位移分布、驱动电压、机械振动模式和射频性能等参数,结果表明:所设计新型bea m2结构MEMS 电容开关具有优越的机电特性和射频特性,即开关的驱动电压为3V ,机械振动模式固有频率都大于31kHz ,在35GHz 处插入损耗和回波损耗分别为0.082dB 和18.6dB ,而相移量可达到105.9o .关键词:M EM S 移相器;电容开关;低驱动电压;机电特性;射频特性中图分类号:TN 304 文献标识码:A 文章编号:100529490(2007)0521835204 随着射频微电子机械系统(R F M EMS )技术的发展,R F MEMS 开关和器件在毫米波频段显示出低插入损耗、高隔离度、频带宽、成本低、超小型化、易于与IC 、M M IC 电路集成等优点.因此,采用MEMS 开关和器件与传输线相结合构成移相器来实现电子移相扫描控制相阵天线成为研究热点.传统移相器通过半导体开关来改变信号传输的路径,从而使其获得附加相移,但是存在高插入损耗、较低:200101:07102H .200.07:1977E he un un 19/wu hit.e .的额定功率、占用的面积较大,集成度低等缺点.本文采用的方法是通过改变传输信号的传播常数来实现相移,它的基本工作原理是在共面波导传输线上周期加载MEMS金属桥,通过在金属桥和传输线之间施加电压改变金属桥高度,从而改变金属桥与传输线之间的电容和信号在传输线中的传播常数.因此可以得到改变入射波相移的分布式MEMS移相器(图1所示),它具有低插入损耗、低成本、微小尺寸和IC兼容等优点,在微波单片集成电路、卫星导航和相阵天线中被认为是最有吸引力的器件之一[122].RF MEMS开关作为分布式MEMS移相器的关键模块,其性能好坏直接决定分布式MEMS移相器性能指标.通常所采用的开关为并联式电容开关,驱动开关所需力可以通过静电、电磁和热等方式获得[324].到目前为止,只有静电驱动型MEMS电容开关具有高可靠性和实用性,但该类型开关仍有一些问题需待解决,例如驱动电压过高(20280V),导致功耗过大,而无法应用于低供电电压的场合[5].目前,国内外有许多关于高驱动电压MEMS电容开关的报道[3,527],低驱动电压开关的研究报道非常少,而适合于Ka波段分布式MEMS移相器的低驱动电压开关就更少.因此,本研究为了降低K a波段分布式MEMS移相器电容开关的驱动电压,提出不同形状新型低弹性系数铰链梁结构的机电设计.(a)up状态 (b)down状态图1　分布式MEMS移相器两种工作状态1　模型表征及静态分析1.1　电容开关机械模型静电驱动电容开关的机械模型为在共面波导信号线上方悬挂双端固定有效弹性系数为k、有效面积为A的MEMS金属梁,而金属梁和信号线分别作为开关的上下两电极,如图2所示.为了避免上下电极接触而短路,在下电极信号线上淀积一层厚度为d0、介电常数为εr绝缘层,上电极和介质层之间的空气缝高度(MEMS梁高度)为g0.当下电极未加载电压时,开关处于导通状态;而当下电极加载电压为V,由于受到静电力作用,上电极将向下运动与介质接触,使开关闭合处于短路状态图2　双端固定M EMS梁开关的简化模型1.2　驱动电压函数描述采用静态分析方法对R F MEMS开关进行分析,对于电压驱动开关总势能U为[8]:U=12kz2-12ε0AV2g0+d0εr-z(1)其中:z为MEMS桥偏离平衡位置的位移.当开关加载驱动电压时,开关的M EMS梁将向下运动.为了维持系统在给定的状态,所需的反作用力F 可以通过总势能在运动方向偏微分获得,即: F=9U9z=kz-12ε0AV2(g0+d0εr-z)2(2)系统的平衡状态是指反作用力消失时状态,即:F=kz-12ε0AV2(g0+d0εr-z)2=0(3)平衡状态的稳定度可以通过系统的刚度K来确定,即:K=9F9z=1-ε0AV2(g0+d0εr-z)2(4)将平衡方程(3)代入(4)可得:K=1-2kz(g0+d0εr-z)(5)从上式可知,当K>0时系统处于稳定平衡状态,K<0时系统处于不稳定平衡状态,K=0时系统处于临界状态,而临界状态就是静电力迅速下拉MEMS梁的状态,可得驱动电压为:V p=8kg0(g0+d0εr)227ε0A≈8kg3027ε0A(6)其中有效弹性系数k取决于金属梁的几何尺寸和所采用材料的杨氏模量.2　低驱动电压开关设计从方程(6)可知,MEMS电容开关驱动电压主要与双端固定梁的有效弹性系数k、空气缝隙高度g0和有效面积有关为了降低驱动电压,本文主要进行低有效弹性系数设计研究,从而设计出三种不同形状铰链的梁结构,它们分别是由形状不同、宽度和长度分别为6381电　子　器　件第30卷.A.10μm和70μm铰链支撑中心面积为A(W CPW3w beam=100μm3100μm2)的梁结构,如图3所示.(a)bea m1(b)beam2(c)bea m3图3　三种不同铰链形状的梁结构3　低驱动电压开关特性分析本文采用Int elli suit e TM和ADS软件分析具有上述结构的MEMS电容开关位移分布、驱动电压、机械振动模式和射频性能.当电容开关梁的长度、厚度和高度分别为l=240μm,t0=0.4μm、g0=2.5μm,以及开关长度为300μm时,位移分布、驱动电压和射频性能的模拟结果如图4～图6所示,而机械振动模式表1所示.3.1　低驱动电压开关位移分析图4分别为bea m1、beam2和bea m3电容开关(a)bea m1(b)beam2()3图　三种不同梁结构开关的局部位移在down状态下的局部位移图.从图中可知,当电压增大到驱动电压时,支撑梁结构的铰链发生弯曲,从而使梁结构的矩形面积与共面波导信号线完全接触.此时,MEMS梁的应力在铰链两端固定处最大,从两端固定处向中间逐渐减小,中间接触位置处最小.如果加载驱动电压超过材料可承受强度时,在铰链两端固定处容易发生断裂,使MEMS开关发生断裂失效.因此,设计开关时,为了避免开关驱动电压过高和失效,梁的高与长之比不能过大.3.2　低驱动电压开关电压分析图5为加载电压与开关的位移关系图,加载电压小于驱动电压时,梁偏离平衡位置的位移都很小;而当电压增大到驱动电压时,梁偏离平衡位置的位移突然增大,迅速与共面波导信号线接触.从模拟结果可得,beam1、beam2和bea m3的驱动电压分别为5V、3V和1.5V.表明通过改变支撑梁结构的铰链形状可以明显降低梁结构的有效弹性系数和驱动电压,这与理论非常吻合.但是,为了降低驱动电压不能过多地增加铰链的折叠数,目的是避免梁的恢复力太小而不能使梁恢复到平衡位置,导致MEMS开关黏附失效.图5　三种不同梁结构开关的位移与驱动电压3.3　低驱动电压开关机械振动模式分析为了优化MEMS电容开关的机械性能,采用Int ellis ui te TM软件对三种梁结构的机械振动模式进行分析,模拟结果见表1.表1　三种不同梁结构开关的机械振动模式str uct ure1st mode2nd mode3rd modeF/k Hz Dir.F/k Hz Dir.F/k Hz Dir.beam1136.42Z216.82X401.24Ybeam230.874Z34.789X56.534Ybeam312.953Z13.462X23.284Y 其中Z表示沿z轴方向振动,而X和Y分别表示绕x轴和y轴方向转动.从表1可知,梁主要以沿z轴方向机械振动第一种模式为主,而其他方向振动模式发生几率很小,并且所有振动模式的固有频率都大于3z3　低驱动电压开关的射频特性分析为了分析三种不同结构的M MS电容开关的射7381第5期贺训军,吴　群等:K a波段分布式M EMS移相器低驱动电平容性开关的机电设计c bea m41kH..4E频性能,本文采用ADS 软件对三种不同形状梁结构电容开关在K a 波段的插入损耗、回波损耗和相移量进行分析,结果如图6所示.图6中的(a )、(b )、(c )分别为三种不同形状梁结构开关在20～50GHz 时插入损耗、回波损耗和相移量随频率变化曲线,结果表明:beam 2结构表现出优越的射频性能,在频率为35GHz 处插入损耗和回波损耗分别为0.082dB 和18.6dB ,而相移量达到105.9o /0.3mm.(a)三种不同梁结构开关的插入损耗(a )三种不同梁结构开关的回波损耗(a )三种不同梁结构开关的相移图6　三种不同梁结构开关的射频特性4　讨论从上面分析可知,如果采用等宽度平面梁bea m 1,它具有优越的机械特性,其固有频率大于136k Hz ,不易受外界的干扰.但是它的射频特性比较差,驱动电压比较高,而失去实用价值,因此必须采用更优化的平面结构.如采用beam 3结构,由于弹性梁的有效长度增长,其等效弹性系数变小,根据式(6)可知驱动电压降低,与模拟结果相吻合.但是这种结构也会引入大的电感分量,而其等效电感分量随着弹性梁结构变细和变长而增大该分量在设计开关时可以提高在Ka 频段的隔离度,但对K a 波段分布式MEMS 移相器的相移量有明显的影响,使相移量变小,而它对插入损耗和回波损耗基本不影响(如图6所示).同时由于弹性梁的有效长度增长使得其恢复力和机械固有频率降低,容易导致黏附失效和抗外界机械干扰能力不强.综合分析beam2的机电特性和射频特性可得,它不仅具有优越的机电特性,而且也具有优越的射频特性.5　结论随着MEMS 电容开关广泛地应用在微波毫米波电路和器件中,通常其驱动电压对电路和器件性能有重要影响.通过分析应用于高频的静电驱动R F MEMS 电容开关的模型和工作原理,提出通过设计低弹性系数铰链来降低开关驱动电压的机电设计思想,设计出三种不同铰链形状梁结构.采用In 2telli Suit e TM 和ADS 模拟工具分析三种低弹性系数铰链梁结构电容开关的机电特性和射频特性,结果表明:如果梁结构的铰链形状设计得当,可以保证较好的机电特性和射频特性.参考文献:[1]　Pill an s B ,Eshelman S ,and Malczewski A ,et al.X 2Band R FMEMS Phase Shift ers for Phased array Ap plicat ions [J ].IE EE Microwave and Gui ded Wave L et t ers ,1999;9(5):5172519.[2]　K i m M ,Hacker J B ,and Mi hailovich R E ,et al.A dc 2to 240GHz four 2bit R F MEMS True 2Ti me Del ay Net work [J ].IE EE Microwave and W i rel es s Component s Let t er s ,2001;11(8):56258.[3]　Gold sm i t h C L ,Es hel m an S an d Dennist on D.Perfo rmance ofLow 2Lo ss R F M EM S Capaci ti ve 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