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RF MEMS微电感和微电容的制造技术及其特性研究

作　者: 方东明
导　师: 赵小林；周勇
学　校: 上海交通大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 射频微机电系统微电感可变电容品质因数电感量可调比氧化铝设计优化 HFSS仿真
分类号: TM55
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

随着无线通信系统向小型化、低电压、低功耗、多功能、高性能和更高频方向发展,现有的半导体工艺无法满足射频通信部件的高性能和小型化,导致现有的无线通信系统体积庞大、成本高、工作频率低。RF-MEMS采用MEMS技术研制各种无线通信器件及其集成模块,RF-MEMS制作的器件不仅在体积上小于传统的射频器件,易于集成,而且性能也优于传统的射频器件,MEMS技术为实现无线通信系统的小型化、低功耗、高频化提供了良好的解决方案。在RF MEMS元件中,电感和电容是重要的元器件,是滤波器、谐振器的重要组成部分,影响着谐振电路、阻抗匹配网络、放大器、压控振荡器的性能。因此,随着对高频电子器件的需求越来越大,提高和改善MEMS电感和MEMS电容的高频性能已成为国内外学者的研究重点。传统的微机械电感多采用平面螺旋结构,存在着电感值低、寄生损耗大、占用芯片面积大等缺点。同平面螺旋结构的电感相比,三维结构的螺线管微电感由于采用了立体结构,螺线管型微电感器所产生的磁通是平行于基片平面的,所以高频磁通在基片上产生的涡流损失比磁通垂直于基片的平面线圈结构微电感的要小,底导线与衬底的接触面积较小,寄生电容和寄生电阻引起的寄生损耗降低,提高了电感的Q值。为了提高螺线管微电感的性能,本文研究了微电感的集总参数电路模型以及其MEMS制作技术,设计并制作了射频螺线管微电感。另外,射频电路需要可调范围大、高Q值的可变电容器,以实现宽频调变和有关电路功能。与传统的变容二极管相比,用MEMS技术制作的微机械可调电容没有静态电流,信号损耗较小、Q值较高、调节范围更宽,在射频下具有很小的损耗,从而可以降低电路的损耗,提高电路的优值,可替代片外压控变容二极管来实现射频压控振荡器、调谐滤波器等的单片集成。本文采用Al2O3作为牺牲层,利用螺线管微电感相似的MEMS工艺制作出高性能的可变微机械电容。针对射频电路对微电感和微电容的要求,结合目前国内外研制微电感和微电容的现状,本论文采用MEMS技术,包括UV-LIGA、干法刻蚀、湿法刻蚀、抛光技术和电镀技术等,研制各种高性能的微电感和微电容。本文主要完成的工作和结论如下所述:(1)螺线管微电感的建模和仿真利用微电感两端口π网络模型和等效电路,从Greenhouse电感量计算公式和Q值理论计算公式出发,采用Matlab软件进行编程,对螺线管微电感进行建模设计,并与实验结果相比较,对微电感优化设计上起到理论指导作用。研究和分析了线圈结构参数线圈匝数、线圈导体长度、宽度和厚度等对微电感的性能影响,并进行了优化设计。用HFSS软件对微电感进行了仿真,从实验测量值与理论计算值、仿真值对比可以看出,计算结果、仿真结果与实验结果吻合得较好。因此,在今后微电感的应用时,可以根据实际应用要求,设计优化微电感器件的性能,然后进行实验验证和制备,从而达到应用的目的。(2)空芯螺线管微电感的制备和测试考虑和分析了空芯螺线管微电感的几何结构参数对微电感性能的影响,利用MEMS技术制作了不同几何结构和衬底的高性能射频螺线管微电感,所涉及的MEMS工艺主要包括溅射、涂胶、光刻、电镀、干法刻蚀、湿法刻蚀和抛光等工艺。在制备过程中,解决了以下两个关键制造技术:一是通过合理的掩模版设计和双面套刻对准标记、多层深度光刻技术,解决了多层掩膜工艺中的套刻问题和电镀用的光刻胶模具,获得了较好的高深宽比光刻胶模具;二是采用深层微电铸工艺解决了微电感线圈的绕线和连线,通过在电镀液中施加添加剂的手段,实现了高深宽比微小尺寸深度盲孔的电镀问题。这些微电感采用铜线圈以减小线圈寄生电阻。测试结果表明玻璃衬底上的微电感在较宽的工作频率范围内具有高Q值,在6GHz下,微电感Q峰值为38,对应的电感量为1.81nH;硅衬底上的微电感在较宽的工作频率范围内也具有高Q值,2.3GHz下微电感Q峰值为32.8,对应的电感量为1.79nH,HFSS仿真结果与实验结果大致相符,在2.3GHz下Q峰值为34.8,对应的电感量分别为1.68nH。(3)可变电容制备和测试和制作螺线管微电感工艺类似,利用MEMS技术制作了高性能的静电驱动射频可调微机械电容。可调微电容制作方法的最大优势是利用Al2O3作为牺牲层,可以很方便地控制微电容可动机板与固定极板的距离即空气隙的间距,而且Al2O3很容易被KOH溶液刻蚀掉。结构金属材料采用电镀镍,因为镍在常温下的应力比较低,这有利于微电容的结构可靠性。利用WYKO NT1100光学表面轮廓仪测量在不同外加直流电压下可变电容的表面轮廓和位移等信息。测试结果表明有效长度为500μm的方形板微电容吸合电压为13.5V,在1GHz下电容值为0.79pF,品质因数为51.6,电容可调比为1.31:1。(4)可变电容的形变分析和动力学分析在传统平行板可变电容的理论基础上,根据实际情况,引入了可动极板形变参数,对可动极板的形变进行了合理分析,对微电容的初始电容和吸合电压进行了某些修正,给出了具体情况下的偏移量。对于成功的MEMS器件来说,除了改进的实验方法,还要对器件的行为进行探讨。可变电容或开关中一个明显的现象就是吸合效应,为了达到平衡状态,静电力与弹性支撑力要保持相等。但是当外加电压加到两个极板后,静电力增加要比线性弹性支撑力要快,当外加电压超过一个定值时,平衡状态被打破,吸合现象就会发生。对于平行板可变电容这种质量-弹簧-阻尼系统模型,将动力学方程进行近似展开并配合边界条件,就得到可变电容的位移和速度等力学参量。当没有外加电压时,可变电容的质量-弹簧-阻尼系统处于稳定状态,当加上外加电压后,被悬臂梁支撑的可动极板向固定极板移动并达到其平衡位置,同时在稳定区域(线)出现一种不稳定的区域。当外加电压逐渐增大时,位移逐渐增大,达到的平衡位置离可动极板的距离也越来越大,不平衡区域逐渐偏离于平衡区域(线)甚至凸出尖化,说明外加电压增大促进速度快速增大。当外加电压达到吸合电压时,静电力超过弹簧的回复力,可动极板就被吸附到固定极板。

全文目录

摘要  3-6
ABSTRACT  6-14
第一章绪论  14-39
  1.1 射频微电感的研究进展  14-23
    1.1.1 栅型微电感  15
    1.1.2 螺旋型微电感  15-18
      1.1.2.1 平面螺旋微电感  15-16
      1.1.2.2 垂直螺旋微电感  16
      1.1.2.3 悬浮螺旋微电感  16-18
      1.1.2.4 多层螺旋微电感  18
    1.1.3 螺线管型微电感  18-23
  1.2 射频微电容的研究进展  23-30
    1.2.1 单电容  24-26
    1.2.2 双电容  26-27
    1.2.3 叉指（梳状）电容  27-29
    1.2.4 新颖结构电容  29-30
  1.3 本文研究的意义和主要内容  30-32
    1.3.1 本文研究的意义  30-31
    1.3.2 本文研究的主要内容  31-32
  参考文献  32-39
第二章螺线管微电感的物理模型和参数优化设计  39-55
  2.1 微电感的系能参数  39-40
    2.1.1 电感量  39
    2.1.2 品质因数  39-40
  2.2 螺线管微电感的物理模型  40-47
    2.2.1 物理结构和几何结构  40-41
    2.2.2 物理模型  41-47
      2.2.2.1 电感量L_S计算  41-45
      2.2.2.2 串联电阻R_S计算  45
      2.2.2.3 寄生电容C_S计算  45-46
      2.2.2.4 品质因数Q 计算  46-47
  2.3 参数优化设计  47-53
    2.3.1 线圈匝数对微电感性能的影响  47-48
    2.3.2 线圈导线厚度对微电感性能的影响  48
    2.3.3 线圈导线长度对微电感性能的影响  48-49
    2.3.4 线圈导线宽度对微电感性能的影响  49-50
    2.3.5 线圈导线间距离对微电感性能的影响  50
    2.3.6 柱子高度和频率对微电感性能的影响  50-51
    2.3.7 计算结论  51-53
  2.4 本章小结  53-54
  参考文献  54-55
第三章静电驱动微机械可变电容的设计和优化  55-64
  3.1 吸合效应  55-57
  3.2 可变电容的设计和优化  57-63
    3.2.1 金属材料的选取  57
    3.2.2 牺牲层  57
    3.2.3 弹性梁  57-60
    3.2.4 重力对可动极板的作用  60
    3.2.5 测量  60-61
    3.2.6 微电容设计的结果  61-63
  3.3 本章小结  63-64
第四章实验制作工艺  64-75
  4.1 基本工艺  64-69
    4.1.1 溅射  64
    4.1.2 甩胶  64-65
    4.1.3 烘胶  65-66
    4.1.4 曝光  66
    4.1.5 显影  66
    4.1.6 电镀  66-67
    4.1.7 抛光  67
    4.1.8 去胶  67-68
    4.1.9 刻蚀  68-69
  4.2 套刻符号的制作  69
  4.3 空芯螺线管微电感的制作工艺  69-73
  4.4 可变电容的制作工艺  73-74
  4.5 本章小结  74-75
第五章微电感测量结果和分析  75-86
  5.1 微电感等效二端口微波网络  75-76
  5.2 测量仪器  76-77
  5.3 测量结果  77-84
    5.3.1 玻璃衬底不同几何尺寸的微电感性能与频率的关系  77-79
    5.3.2 理论计算和实验结果的对比  79-80
    5.3.3 微电感性能与衬底结构的关系  80-81
    5.3.4 微电感性能仿真和实验结果的对比  81-84
  5.4 本章小结  84-85
  参考文献  85-86
第六章微电容测量结果和分析  86-108
  6.1 可变电容测量结果  86-90
  6.2 可动极板形变分析  90-99
  6.3 可变电容的动力学分析  99-103
  6.4 本章小结  103-104
  参考文献  104-108
第七章总结与展望  108-110
致谢  110-111
攻读博士学位期间发表的学术论文  111-114

RF MEMS微电感和微电容的制造技术及其特性研究

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