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自激励机理是限制RF MEMS开关的功率处理能力的主要因素之一。为了更深入了解自激励机理,通过实验手段来验证是必不可少的。目前,对RF MEMS开关自激励机理的实验验证主要是通过对一般的开关结构进行S参数、开关时间、开光梁位移等参数的测试来完成。这些方法存在的问题有:用到的测试仪器繁多复杂或者昂贵,特别在毫米波等高的频段;测试结果都是间接表征自激励大小,不便于自激励机理的验证。
为了克服上述问题,本论文提出了一种新型的毫米波MEMS开关自激励机理的实验验证结构,并完成了仿真和版图设计。该结构除了具有一般开关结构的测试功能外,还简化了对测试仪器的要求,而更重要的是,可以直接精确地测试出表征自激励作用的等效静电驱动电压Veqv。该实验验证结构由一分四功率分配器和开关阵列组成。开关阵列由五个相同的开关组成:开关A单独存在,另外四个开关B、开关C、开关D和开关E分别与一分四功率分配器的输出端相连。它们具用相同的吸合电压Vp。单独的开关用来测量Vp,其它四个开关用来测量自激励等效静电驱动电压的大小。一分四功率分配器把RF功率等分到这四个开关,使它们受到的自激励作用相等。与此同时,对这四个开关同时加上不同的静电驱动电压,这四个静电驱动电压依次递减,开关B的静电驱动电压最大,为VB,开关E的最小,为VE,此时,开关B和开关E总的等效静电驱动电压分别为、√V2eqv+V2B和√V2eqv+V2E。当开关B吸合而开关E没有吸合,可以判断出开关自激励作用的大小为√V2P-V2B≤Veqv<√V2P-V2E;同理,再通过判断开关C与开关D是否吸合,可以缩小Veqv的范围。当VB和VE差值越小,Veqv越精确,换言之,该结构的测试精度只取决于直流电压源的精度。
此外,为了进一步研究自激励对毫米波MEMS开关的作用,必须知道相关的材料特性,如杨氏模量、残余应力和应力梯度等。本论文针对这三个重要的材料特性,提出了相应的测试结构,利用商用软件Intellisuite验证了这些测试结构适用于本论文所采用的工艺,并完成了版图设计。其中,杨氏模量利用悬臂梁的吸合电压计算出来,应力梯度利用悬臂梁末端的挠度推导出来,这两种方法均具用简单快捷等特点;残余应力利用微旋转式残余应变测试结构测试出来,具有灵敏度高等特点。