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1 微波应用的RF MEMS导论1

1.1 RF MEMS的起源1

1.2 RF MEMS的构造3

1.3 MEMS开关和GaAs PIN二极管及晶体管开关比较4

1.4 RF MEMS的应用领域5

1.5 RF MEMS实例研究7

1.5.1 实例1：开关网络中的RF MEMS7

1.5.2 实例2：低噪声低功耗电路中的RF MEMS8

1.5.3 实例3：便携式无线系统中的RF MEMS9

1.5.4 实例4：相控阵中的RF MEMS11

1.6 国际RF MEMS的研究状况13

1.7 RF MEMS与Si或GaAs电路的集成15

1.8 线性度和互调分量15

1.9 气密或非气密封装16

1.10 功率处理能力和可靠性17

参考文献17

2.1 固支梁的弹性系数19

2 　MEMS器件的力学模型：静态特性分析19

2.1.1 残余应力引起的弹性系数部分22

2.1.2 弹性系数的非线性拉伸部分24

2.1.3 固支梁的临界应力24

2.1.4 不同材料构成的梁的残余应力和杨氏模量25

2.1.5 梁孔的影响25

2.2 低k梁的弹性系数26

2.3 悬臂梁的弹性系数27

2.4 圆膜的弹性系数29

2.5 应力梯度引起的梁弯曲30

2.6 静电激励31

2.7 静电激励下变形梁的形状34

2.8 MEMS固支梁与悬臂梁的直流压紧维持电压35

2.9 作用在MEMS梁上的力37

2.10 MEMS电容开关的自激励现象38

2.11 MEMS电容开关的RF压紧维持电压39

2.12 模拟模式中的电容比40

2.13 静电激励梁的稳定性42

2.14 MEMS器件中的电压击穿45

2.15 温度变化的影响46

2.16 加速度力和声波力的影响46

2.17 MEMS分析软件47

参考文献48

3 MEMS器件的力学模型：动态特性分析50

3.1 MEMS梁的线性（小位移）动态分析50

3.2 气体基础51

3.3 阻尼系数／品质因数53

3.4 MEMS梁非线性（大变形）动态分析54

3.5 开关和释放时间的计算56

3.5.1 开关时间56

3.5.2 释放时间58

3.6 MEMS梁的开关特性59

3.6.1 稳态情况59

3.6.2 速度、加速度和电流59

3.6.3 边缘电容的影响61

3.6.4 阻尼的作用61

3.7 开关能量62

3.6.5 渐降驱动电压62

3.8 不同激励下的响应64

3.8.1 单信号激励下的响应65

3.8.2 多信号激励下的响应66

3.8.3 调幅信号激励下的响应67

3.8.4 调频信号激励下的响应68

3.9 MEMS梁的动态自激励和释放分析68

3.10 互调分量的生成69

3.11 布朗噪声分析71

参考文献72

4 MEMS开关的电磁模型74

4.1 引言74

4.2 MEMS电容式并联开关的物理描述74

4.3 MEMS电容式并联开关的电路模型75

4.4 MEMS并联开关的电磁模型76

4.4.1 up态电容76

4.4.2 down态电容和电容比77

4.4.3 电流的分布79

4.4.4 串联电阻80

4.4.5 电感81

4.4.6 损耗82

4.5 MEMS并联电容开关的CLR参数与S参数的拟合83

4.5.1 up态电容83

4.5.2 down态下的电容和电感85

4.5.3 MEMS梁的串联电阻86

4.6 直接接入式MEMS电容并联开关87

4.7 DC接触式MEMS并联开关88

4.8 MEMS串联开关的物理描述90

4.9 MEMS串联开关的电磁模型91

4.9.1 up态电容91

4.9.2 电流的分布93

4.9.3 down态电阻94

4.9.4 损耗94

4.9.5 电感95

4.10 DC接触式串联开关的CLR参数与测量的拟合97

4.10.1 up态电容97

4.10.2 down态电阻和电感99

4.11 实例：Rockwell公司MEMS串联开关100

4.12 CLR参数与电容式串联开关的参数拟合101

4.13 结论101

参考文献101

5 MEMS开关库102

5.1 Raytheon公司MEMS并联电容开关102

5.2 Michigan大学MEMS并联电容开关103

5.2.1 低压（低弹性系数）开关103

5.2.2 低间距（高弹性系数）Ti/Au开关104

5.3 韩国LG公司高电容比MEMS并联开关105

5.4 Illinois大学DC接触式MEMS并联开关106

5.5 Michigan大学直接插入式DC接触式MEMS并联开关108

5.6 台湾大学MEMS电容和DC接触式并联开关109

5.7 其他MEMS并联开关110

5.8 Rockwell Scientific公司DC接触式MEMS串联开关111

5.9 Motorola公司DC接触式MEMS串联开关112

5.10 HRLDC接触式MEMS串联开关113

5.11 Northeastern大学和Radant公司直接插入DC接触式串联开关115

5.12 Lincoln实验室直接插入DC接触式和电容接触式串联开关116

5.13 Omron公司DC接触式MEMS串联开关118

5.14 Michigan大学全金属MEMS串联开关120

5.15 Samsung公司低压DC接触式MEMS串联开关121

5.16 UC Berkeley MEMS串联和并联式开关122

5.17 推—拉DC接触式MEMS串联开关123

5.18 CEA/LETI ST微电子公司热—静电DC接触式开关124

5.19 磁驱动：Microlab公司门闩式串联开关125

5.20 Cronos集成微系统公司横向DC接触式串联开关126

5.22 压电驱动128

5.21 UC Davis横向DC接触开关128

5.23 HRL MEMS旋转开关129

5.24 其他MEMS串联式开关130

参考文献130

6 MEMS开关的加工和封装135

6.1 引言135

6.2 MEMS电容式开关的加工工艺135

6.3 MEMS DC接触式串联开关的加工139

6.4 横向DC接触式开关141

6.5 MEMS释放工艺142

6.6 衬底转移工艺143

6.7 Omron公司DC接触式串联开关的加工、衬底转移和封装工艺145

6.8 MEMS开关的常规气密性封装147

6.9 MEMS开关的圆片级气密性封装148

6.10 圆片级气密性封装的引出155

6.11 总结156

参考文献156

7.1 MEMS电容式开关的失效机理159

7 MEMS开关可靠性与功率处理能力159

7.2 介质层电荷注入问题的解决方法162

7.3 DC接触式开关的失效机理164

7.4 接触材料问题169

7.5 中低功率的可靠性测试170

7.6 中高功率条件下的MEMS开关172

7.6.1 串联与并联开关的开路维持电压173

7.6.2 高功率应用的SPST与SPDT开关电路174

7.7.1 电容式并联开关175

7.6.3 DC接触式开关的热开关与冷开关情况175

7.7 电容式开关：高功率情况175

7.7.2 电容式串联开关180

7.8 DC接触式开关：高功率情况180

7.8.1 DC接触式串联开关180

7.8.2 DC接触式并联开关182

7.9 提高DC接触式开关的电流负载能力182

7.10 DC接触式开关的大电流可靠性测试184

7.11 总结184

参考文献185

8 MEMS开关电路的设计188

8.1 引言188

8.2 MEMS开关的偏置电路188

8.3 CPW MEMS并联电容开关的设计190

8.3.1 C波段到X波段设计190

8.3.2 毫米波设计191

8.3.3 W波段设计192

8.4.1 T型匹配193

8.4 并联电容式开关的电感匹配193

8.4.2 π型匹配195

8.5 微带线结构中的MEMS并联开关196

8.6 DC接触式CPW MEMS并联开关设计198

8.7 DC接触式MEMS串联开关设计199

8.8 MEMS电容式串联开关设计200

8.9 MEMS串／并联开关设计202

8.10.1 串联设计203

8.10 单刀多掷开关设计203

8.10.2 并联设计205

8.11 双刀双掷（变换）开关设计207

8.12 吸收式MEMS开关设计207

8.13 电感谐振高隔离度X波段电容式并联开关209

8.14 高隔离度并联和串联开关测试210

8.14.1 Ka波段调谐开关211

8.14.2 Ka波段“十字型”开关212

8.14.3 W波段高隔离开关213

8.14.4 0.1～40 GHz串／并联开关214

8.14.5 0.1～26.5 GHz MEMS吸收式开关215

8.15 总结216

参考文献216

9 MEMS移相器218

9.1 引言218

9.2 反射型移相器221

9.2.1 并联式开关实现的N位移相器222

9.2.2 串联式开关实现的N位移相器223

9.2.3 1位／N位反射线型移相器223

9.3 开关线型移相器225

9.4 负载线型移相器226

9.5 基于变容二极管和开关式电容阵列的移相器230

9.6 基于开关网络的移相器232

9.7 基于1∶N开关的移相器234

9.8 基于天线馈入的移相器235

9.9 MEMS移相器库236

9.9.1 Raytheon公司X波段反射线型移相器236

9.9.2 HRL的X波段反射一短截线型移相器238

9.9.3 Rockwell公司0.1～40 GHz宽带开关线型移相器240

9.9.4 Michigan大学／Rockwell公司1∶N开关线型移相器242

9.9.5 Raytheon公司Ka波段开关线型移相器244

9.10 其他移相器设计245

参考文献246

10 分布式MEMS移相器和开关250

10.1 引言250

10.2 分布式MEMS传输线的分析250

10.2.1 电感对布拉格频率的影响252

10.3 分布式MEMS传输线的测量253

10.2.2 损耗253

10.4 DMTL的实现255

10.5 DMTL的相移257

10.6 电容负载分布式传输线的设计257

10.6.1 最优化259

10.6.2 负载电容的影响260

10.6.3 布拉格频率的影响262

10.6.4 推广到其他频率的设计264

10.7 X波段2位DMTL共面波导移相器265

10.8 X波段4位DMTL微带线移相器267

10.9 模拟和数字式Ka/V波段和W波段DMTL移相器269

10.9.1 模拟式Ka/V波段和W波段移相器设计269

10.9.2 数字式2位Ka波段移相器270

10.10 宽带分布式MEMS开关271

10.11 总结272

参考文献273

11.1 引言276

11 MEMS变容器和可调振荡器276

11.2 品质因数基础的回顾277

11.3 可调静电平行板电容器279

11.4 可调的热执行和压电平行板电容器288

11.5 可调叉指型电容器290

11.6 MEMS开关式电容294

11.7 用分离定位控制的MEMS变容器297

11.8 基于MEMS的电压控制型振荡器299

11.10 总结301

11.9 MEMS变容器的可靠性301

参考文献302

12 微机械电感304

12.1 引言304

12.2 电感模型和品质因数Q305

12.2.1 平面电感的频率响应305

12.2.2 平面电感的Q值307

12.2.3 测量平面电感的Q值308

12.2.4 金属厚度的影响308

12.2.5 寄生电容的影响310

12.2.6 微机械电感的设计目标311

12.3 使用厚金属层的微机械电感311

12.4 使用衬底腐蚀的微机械电感312

12.5 使用自组装技术的微机械电感315

12.6 高架平面铜电感和螺线管铜电感316

12.7 总结320

参考文献320

13.1 引言323

13 可重构MEMS网络、滤波器、天线和子系统323

13.2 可重构匹配网络324

13.3 可重构匹配网络上的电流328

13.4 可重构天线330

13.5 MEMS可动天线335

13.6 可重构／开关式的频率选择表面和准光学元件336

13.7 可调谐谐振器基本原理337

13.8 分布式电容调谐342

13.9 HF-UHF可调滤波器344

13.10 毫米波可调滤波器350

13.11 基于Lincoln实验室方法的可重构电路356

13.12 可调谐滤波器中的电流和电压356

13.13 总结358

参考文献359

14 MEMS移相器和振荡器相位噪声的分析362

14.1 布朗噪声362

14.2 MEMS并联膜开关的布朗噪声363

14.2.1 相位噪声364

14.2.2 幅度噪声365

14.3 N个MEMS膜开关并联降低相位噪声366

14.4 基于MEMS并联开关的移相器366

14.5 基于MEMS变容器的移相器368

14.6 分布式移相器369

14.7 MEMS串联开关和移相器相位噪声371

14.8 基于MEMS振荡器的布朗噪声371

14.9 加速度噪声和声压波噪声的影响373

14.11 偏置电压噪声的影响375

14.10 恒定加速度和声波对MEMS振荡器的影响375

14.12 总结376

参考文献377

15 RF MEMS需进一步研究的工作379

15.1 已完成的工作379

15.2 尚待研究的工作382

附录A RF MEMS开关、变容器和可调滤波器的互调失真和功率处理能力的详细分析与测试385

参考文献397

附录B RFMEMS材料的机械、电和热学特性398

参考文献403