射频微电子机械可变电容的研究

论文题目: 射频微电子机械可变电容的研究

论文类型: 硕士论文

论文专业: 微电子学与固体电子学

作者: 李锐

导师: 廖小平

关键词: 可变电容,射频,型梁

文献来源: 东南大学

发表年度: 2005

论文摘要: MEMS即Micro electrical mechanics system的缩写,也即为微机电系统。由于在个人通讯和军事通讯领域中系统体积小型化、高可靠性及降低成本的需求,在射频领域也开展了对MEMS器件的研究。在射频领域中运用的MEMS器件主要有微机械开关、微机械电感、可变电容、薄膜体声波振荡器、微机械谐振器及滤波器等。目前基于CMOS工艺的电路研究正在深入,需要更多高性能的器件。研究基于CMOS电路的可变电容提供了一种新的器件,使得CMOS的电路设计有更多的自由度,更有利于构建可靠性和集成度更高的电路。本论文主要从以下几个方面进行MEMS领域中微机械可变电容的研究:首先是在大量文献调研的基础上,总结了可变电容的研究现状与进展,列举了目前可变电容的结构,比较了各种结构的优缺点。通过比较,得出目前具有较大发展前途的可变电容为平行板上下移动的可变电容,这种电容的Q值比较高,制造方法比较简易,可调范围比较大。由于结构比较简单,因而可靠性也比较大,并且使用静电执行器,调节速度也比较快,因而这种电容有望最先实现商业化运用。其次深入研究了Crab梁可变电容的结构,提出了其初始电容值,寄生电容值,调节特性,位移分布,应力分布并进行了模态分析。在此基础上,提出了“T”型梁可变电容新结构,同样提出了其初始电容值,寄生电容值,调节特性,位移分布和应力分布。通过研究得出材料的剪切模量比弯曲模量要小,所以要减小电容的执行电压,必须加大梁的剪切部分的几何尺寸。并且整个梁结构的应力不是太大,这有利于提高结构的寿命。再次对可变电容的工艺制造中的关键步骤进行了讨论,关键步骤在于牺牲层的选择性释放以及随后的自由结构的干燥。尤其是在使用铝作结构层的同时要选择性的腐蚀牺牲层磷硅玻璃。随后的器件干燥也需特别的注意,由于表面张力的作用会导致自由结构粘附到下表面而导致结构没有得到释放。另外,由于在干燥过程中经常需要加热到一定的温度,从而导致上极板由于受热而产生热应力而翘曲。最后对可变电容的高频特性和测试电路进行了讨论。给出了压控振荡器的技术指标,并对科尔比兹振荡器进行了讨论,讨论了影响科尔比兹振荡器性能的主要因素,并把所设计的可变电容代入振荡器并进行了电路仿真并给出仿真波形。

论文目录:

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 射频MEMS 概况

1.1.1 射频MEMS 简介

1.1.2 射频MEMS 器件

1.2 可变电容的应用领域和特点

1.3 几种典型的射频MEMS 可变电容

1.3.1 上极板水平移动的可变电容

1.3.2 梳状水平移动的可变电容

1.3.3 平行板上下移动的可变电容

1.3.4 平行板梳状上下移动的可变电容

1.3.5 改变介质的面积交叠可变电容

1.3.6 使用水平执行器的可变电容

1.3.7 使用绝缘衬底实现的可变电容

1.3.8 使用MEMS 开关调节电容阵列来实现的电容

1.3.9 各种可变电容的比较

1.4 本章小结

第二章 射频MEMS 可变电容的原理和设计

2.1 MEMS 可变电容的原理

2.2 平行板可变电容的原理

2.2.1 平行板可变电容的结构和原理

2.2.2 MEMS 平行板可变电容的平板部分的优化

2.2.3 环境导致的悬臂微机械可变电容的变化

2.3 平行板射频MEMS 可变电容的设计

2.3.1 平行板射频MEMS 可变电容的设计参数

2.3.2 平行板射频MEMS 可变电容的设计步骤

2.4 射频MEMS 可变电容中机械梁的设计

2.4.1 悬臂梁的机械性能

2.4.2 Crab 梁的机械性能

2.4.3 “T”形梁的机械性能

2.4.4 三种连接梁的比较

2.5 本章小结

第三章 射频MEMS 可变电容的模拟和结构设计

3.1 Crab 梁可变电容的特性

3.1.1 Crab 梁可变电容的结构

3.1.2 模型的建立及参数

3.1.3 Crab 梁可变电容结果分析

3.2 “T”型梁可变电容的特性

3.2.1 “T”型梁可变电容的结构

3.2.2 “T”型梁可变电容模型的建立及参数

3.2.3 “T”型梁可变电容结果分析

3.3 两种可变电容比较

3.4 动态特性等效电路的建立

3.4.1 描述电容的动态特性用分析动态特性方程的方法

3.4.2 动态特性等效电路模拟

3.5 本章小结

第四章 MEMS 可变电容的工艺设计

4.1 射频MEMS 可变电容的工艺设计

4.1.1 射频MEMS 可变电容的制作工艺流程设计

4.2 MEMS 可变电容的制作工艺中的牺牲层释放

4.2.1 高浓度HF 混合物

4.2.2 磷硅玻璃牺牲层的腐蚀

4.2.3 金属的腐蚀防止

4.2.4 粘附的防止

4.3 射频MEMS 可变电容的应力计算

4.4 小结

第五章 MEMS 可变电容的高频特性和VCO 电路设计

5.1 MEMS 可变电容的高频特性

5.1.1 高频等效电路的建立

5.1.2 趋肤效应

5.1.3 高频特性的模拟

5.2 压控振荡器的性能指标

5.3 科尔皮兹振荡器

5.4 运用RF MEMS 可变电容的VCO 电路模拟

5.5 本章小结

第六章 总结

致谢

参考文献

图表索引

在学期间发表的论文

发布时间: 2007-06-11

参考文献

• [1].用于高性能锁相环的CMOS振荡器研究[D]. 李宇斌.浙江大学2017
• [2].基于仿真的合成基因振荡器特性研究[D]. 赵慧宁.浙江大学2016
• [3].多模多带振荡器研究[D]. 江中坡.电子科技大学2014
• [4].高频热声振荡器的协同行为研究[D]. 刘晓蕾.华中科技大学2013
• [5].新型光电振荡器研究[D]. 徐伟.浙江大学2014
• [6].3mm振荡器的设计[D]. 刘永星.电子科技大学2009
• [7].高Q微腔光电振荡器的延时效应及温度性能研究[D]. 杜建功.中北大学2017
• [8].光电振荡器结构及稳定性研究[D]. 曲嵩.浙江大学2015
• [9].高稳定度介质振荡器的研究[D]. 刘川.南京理工大学2010
• [10].振荡器相位噪声的分析和建模[D]. 王远.安徽大学2011

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• [7].新型锁存射频微机械开关的设计与工艺研究[D]. 邢向龙.中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所）2005
• [8].RF MEMS开关器件研究[D]. 宣云.清华大学2005
• [9].RF MEMS压控电容理论优化和工艺研究[D]. 韦嘉.清华大学2005
• [10].新型集成方式RF MEMS开关[D]. 周玉娇.北京邮电大学2006

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