RF MEMS理论·设计·技术PDF电子书下载

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 MEMS 7

1.5.2 实例2：低噪声低功耗电路中的RF MEMS 8

1.5.3 实例3：便携式无线系统中的RF MEMS 9

1.5.4 实例4：相控阵中的RF MEMS 11

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Q 305

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