基于RF MEMS柔性器件微波弯曲特性的预匹配仿真设计文献综述

 2022-09-21 10:08:22

  1. 文献综述(或调研报告):

MEMS技术萌芽于20世纪60年代,贝尔实验室开发出微型硅压力传感器[1]。1967年,Westinghouse公司的Harvey Nathanson发明了一种谐振栅晶体管[2]。70~80年代,人们开始使用集成电路加工技术来制作悬臂梁、薄膜、沟道和喷嘴等微机械装置。1978年,惠普公司首先发明了基于硅微机械加工技术的喷墨打印喷嘴。1988年,美国加州大学伯克利分校首次研制出多晶硅静电马达[3]。在20世纪90年代,全世界MEMS研究进入一个日新月异、飞速发展的阶段,非常成功的例子有,Analog Devieces公司的集成惯性传感器[4]和Texas Instruments公司的数字光处理芯片[5](DLP)。RF MEMS开关由休斯顿实验室的Larson博士于1991年首次提出[6],由于其结构简单、插入损耗小、隔离性高、线性度高等特点,得到了广泛的研究。RF MEMS器件体积相对较小,基本上无质量,对加速度不敏感,没有直流功耗,响应时间短,可以在低成本的硅或玻璃衬底上制造,又比GaAs工艺做出的任何器件的截止频率高30~50倍[7]。它已越来越多地应用于自动化测试设备、先进的通信、卫星通信以及航天和国防应用。近十几年来,科学家们对RF MEMS开关的研究取得了大量的成果,以致于RF MEMS 开关的设计和工艺都十分的成熟。但在机载/星载雷达或物联网通信系统中,利用传统的刚性基板制备的电子器件越来越难以满足上述复杂环境空间应用的保形、可挠曲、耐冲击、低成本的需求,因此,RF MEMS柔性器件应运而生,其中绝大部分都是基于MEMS膜/梁结构构建的。

迄今为止,RF MEMS柔性器件研究已经形成了三条研究主线:一是将RF MEMS柔性器件直接制备在各类柔性基板上实现传感器/执行器的功能;二是将RF MEMS柔性器件依然制备在硅片上,然后通过硅片减薄的方式实现柔性特征;三是将RF MEMS柔性器件依然制备在硅片上,然后利用晶片转移技术将器件结构转移到柔性基板上实现。它们各有优缺点,下面分别罗列沿这三条研究主线研究的RF MEMS柔性器件的最新进展:

(1)Georgia Institute of Technology和University of Illinois at Urbana-Champaign的研究人员研究了基于LCP(液晶聚合物)柔性基板的双端固支膜桥和悬臂梁RF MEMS开关结构,并以开关结构为基础构建了RF MEMS移相器、相控阵天线等器件[8-11]。INESC Microsistemas e Nanotecnologias和Istituto Italiano di Tecnologia的研究人员分别提出了基于PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)柔性基板的MEMS双端固支膜桥结构和基于Polyimide(聚酰亚胺)柔性基板的MEMS悬臂梁结构[12][13]。以上基于各类柔性基板的RF MEMS器件具有成本低、弯曲延展性好的优势,但是存在加工精度和一致性较差、良率低、工艺兼容性差等问题。

(2)Y. R. Kang等人(Korea Institute of Science and Technology)提出了一种基于超薄硅片的柔性薄膜体声波谐振器(FBAR)结构[14]。该结构通过将硅片减薄至50微米厚度实现基板的柔性化,然后利用RIE工艺实现膜桥结构。该器件通过标准MEMS工艺实现,加工精度较高、器件性能好,但是减薄硅片的弯曲延展性较差、制备成本高。

(3)Q. X. Zhang等人(Nanyang Technological University)提出了一种基于晶片转移技术(Wafer Transfer Technology)的双端固支膜桥RF MEMS柔性开关[15]。RF MEMS开关结构首先通过标准MEMS工艺反向放置制备在低阻硅片上,然后通过键和、硅片减薄、湿法腐蚀工艺将开关结构转移到柔性基板上,最终形成双端固支膜桥RF MEMS柔性开关。该器件通过标准MEMS工艺实现,加工精度高,且将开关结构反向放置制备的方法解决了膜桥纵向尺寸控制精度和杂质污染的问题。但是,晶片转移技术工艺具有复杂度高、制备成本高、良率低的问题。

(4)G. M. Coutts等人(University of Waterloo)提出了一种新颖的基于微机械加工的刚性弯曲(rigid-flex)基板结构RF MEMS可调频率选择表面器件[16]。将刚性基板背面按设计间距刻蚀出腔体,腔体处的基板因薄层化具备了弯曲的特性,再在此刚性弯曲基板正面加工出双端固支膜桥结构RF MEMS开关电容,形成一种柔性的RF MEMS可调频率选择表面器件。该器件实际上可看成由柔性基板和刚性基板串联而成的柔性器件,其工艺较为简单,加工过程受柔性基板影响较小,但是这种器件不是制备在完全柔性的基板上,其安装于弯曲表面的贴合度较差,只能算是“半柔性”RF MEMS器件。

(5)此外,还有通过非典型柔性基板制备MEMS器件的报道,J. Lessing等人(Harvard University)就提出了一种基于“fluoroalkylated paper” (“RF paper”) 纸张作为基板材质的MEMS悬臂梁结构[17]。该结构通过喷墨印刷导电墨水的方式实现悬臂梁结构,具有工艺简单、成本极低、折叠性好的特点,但是采用纸张基板的MEMS结构加工精度差、可靠性不高,目前处于初始的实验研究阶段。

综上所述,目前无论是基于硅基的还是基于各类柔性基板的RF MEMS柔性器件,其主要的研究内容和目的还都处于器件设计、制备和非弯曲条件下的性能测试阶段,RF MEMS柔性器件的弯曲特性建模和实验表征验证的研究目前还处于空白。如何提出基于器件/基板双变形的耦合关系模型以及变形后对器件微波性能影响的解析模型是理论研究的主要难点和重点; RF MEMS柔性器件制备的工艺参数精确控制和弯曲特性的测试表征是当前主要的技术难点。然而,不管从科学研究角度还是工程应用层面,都迫切需要建立起基于柔性基板的RF MEMS器件的弯曲特性模型,以推动RF MEMS柔性器件的深入研究和开发应用。

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