接触式RF MEMS开关接触可靠性的研究与分析

摘要

RF MEMS开关与现有射频领域中应用的PIN开关和FET开关相比,具有插入损耗更低、隔离度更高、线性度更好、功耗更小、可使用频带更宽等优点,可以广泛的应用在雷达系统、卫星和无线通信系统等领域。目前RF MEMS开关可靠性研究受到越来越多的关注,可靠性分析模型的建立可以为高性能开关的设计提供参考依据和设计准则。随着RF MEMS开关可靠性的提高,其市场前景会越来越广阔。
　　 接触式RF MEMS开关是通过两层金属的接触和断开完成开关功能的,其可靠性与金属接触区域的性能密切相关。而开关的金属触点仅为微米量级,因此表面粗糙形貌的正确描述成为确定开关接触模型的关键。本文从微观尺度出发,引入多元统计方法建立了平行粗糙表面间的基本微观接触模型,用以分析接触载荷、实际接触面积、表面变形等参数随粗糙表面的变化特性。采用接触电阻作为接触式RF MEMS开关接触可靠性的宏观表征量,建立了相关的分析模型,更有利于直观的分析开关的接触特性和可靠性问题。针对开关很容易出现的粘附失效现象,应用微观统计分析方法,着重计算了考虑毛细力作用后的表面接触特性。结合ANSYS有限元分析建立了开关准静态粘附失效的分析模型,为更好的预测开关的粘附失效提供理论基础。
　　 本文利用ANSYS和HFSS对接触式RF MEMS开关的结构参数进行优化设计并完成了开关样品的制备。测试了开关的基本接触特性,并选择合适的实验样品进一步分析了开关的接触可靠性。根据开关吸合电压与维持电压的关系得到了不同尺寸开关在工作过程中的粘附力。通过监测接触电阻的变化研究了开关接触区域的退化特性,实验结果表明接触特性将随开关周期的增加而退化,同时工作电流对开关可靠性的影响显著。本文通过对开关粘附特性以及接触性能退化的测试,为开关的可靠性设计提供了参考依据。