射频(RF) MEMS开关的模拟、制备和力学分析

    射频(RF) MEMS开关的模拟、制备和力学分析

    摘 要
    由于相对于传统的固体开关，射频微电子机械系统(Radio Frequency Microelectromechanical Systems, RF MEMS)开关具有很多优点，已引起了广泛的关注和研究兴趣。本文分为以下五部分。
    第一部分，本文研究的电容型RF MEMS开关由复合膜桥和溅射了传输线的玻璃衬底组成。基于微波、材料和机械设计因素的考虑，这里选择具有高介电常数的Ta2O5作为开关中的介电层，以提高器件的关/开电容比率。为了更好的研究开关的性能，多种不同结构的开关被设计，其中既有直梁结构，也有弯曲梁结构。通过硅玻璃阳极键合和ICP刻蚀技术制备出RF MEMS开关器件。

    第二部分，在RF MEMS开关的驱动电压测试和SEM形貌观察时，观察到许多典型的失效现象，经过分析将之归纳为三个主要的失效模式：断裂、粘着、残余应力和应力梯度引起的变形失效。并且对失效模式的失效机制和降低失效的防范措施进行了分析和讨论。

    第三部分，综合考虑残余应力、梁轴向伸长、及边缘场效应，建立了关于RF MEMS开关的新的力电模型。通过对模型控制方程的无量纲化，得到四个无量纲数，其中一个表示单位长度梁上的弯曲力和静电力之比，其余三个分别对应于轴向伸长、残余应力和边缘场效应的影响。

    第四部分，本文利用一种半解析的数值方法，对前面建立的新模型实现了有效的数值计算。随后，通过数值分析对结构行为中涉及的基本材料参数、几何参数和无量纲数的影响和重要程度分别进行了分析讨论。其中在三个影响因素中，残余应力和梁的轴向伸长相对于边缘场效应要显著的多。并且通过理论、数值和实验结果的比较说明此模型和数值模拟有利于提高理论预测的精确性。

    第五部分，对于纳微系统中一个重要的科学问题——表面间的接触问题，本文采用一种更为广泛的表面粗糙高度的描述方式——分形分布，对于固体表面间的粘着塑性接触变形行为进行了研究。得到了实际接触面积、全部载荷和需要的分离力的一般表达式。此分析不再局限于高斯或者指数的分布形式。但是作为特例，对于其中的粗糙因子取1/2和1时，结论将分别退化为已有的高斯分布和指

    关键词:    微电子机械系统(MEMS)、射频(RF) MEMS 开关、键合、阈值电压、吸合、残余应力、边缘场、粘着、分形图形、分离力

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