基于RF MEMS柔性器件微波弯曲特性的预匹配仿真设计

论文总字数：30445字

摘 要

随着信息化时代的不断发展，对具有高效、可弯曲延展特性高、低成本的制备工艺流程的柔性电子器件的需求在不断的增加，其在国防、信息、治疗、能源等领域具有十分广阔的应用远景。RF MEMS（射频微机电系统）柔性器件，由于其在机载、星载雷达和物联网通信系统中的广泛应用前景，成为了近年来国内外的研究热门。

本文将在双端固支梁、悬臂梁结构RF MEMS柔性开关的微波特性模型基础上，对其进行弯曲条件下微波性能的仿真，并对其进行预匹配设计。本文在对柔性RF MEMS开关的研究背景、发展现状以及应用领域进行研究分析后，展开了以下的研究工作：

（1）利用HFSS仿真软件，总结原有双端固支梁、悬臂梁结构RF MEMS开关模型在弯曲条件下的微波特性漂移规律；

（2）通过开关的微波特性模型，分析传输线特性阻抗变化以及开关并联电容变化对微波性能漂移的影响；

（3）结合上一步的结果，通过阻抗匹配设计，实现对双端固支梁和悬臂梁结构的RF MEMS开关微波特性模型的预匹配设计。

本论文建立了静电驱动的双端固支梁、悬臂梁结构的柔性RF MEMS开关微波弯曲特性模型，并对柔性衬底弯曲对膜/梁结构性能产生的影响进行解析，获得微波特性关键参数的变化规律，然后进行了预匹配设计。

关键词：RF MEMS开关，柔性电子器件，弯曲特性模型，微波特性

Abstract

With the continuous development of the information age, the demand for flexible electronic devices with high efficiency, high bendability and low cost manufacturing process is increasing, which has a very broad application prospect in the fields of national defense, information, treatment and energy. RF MEMS (radio frequency microelectromechanical system) flexible devices, due to its wide application prospects in airborne, satellite-borne radar and Internet of things communication systems, has become a research hotspot at home and abroad in recent years.

In this paper, based on the microwave characteristic model of RF MEMS flexible switch with clamped– clamped beam and cantilever-shaped structure, the microwave performance under bending condition is simulated and the pre-matching design is carried out. In this paper, the research background, development status and application field of flexible RF MEMS switch were analyzed, and the following research work was carried out:

1. Using HFSS simulation software, the drift rule of microwave characteristics of

the RF MEMS model of the original clamped– clamped switch and cantilever-shaped beam switch structure under bending conditions is summarized

1. The influence of the change of characteristic impedance of transmission line

and the change of shunt capacitance on the microwave performance drift is analyzed through the microwave characteristic model of the switch.

1. Combined with the results of the previous step, the pre-matching design of RF

MEMS switching microwave characteristic model of clamped– clamped beam and cantilever-shaped beam structure is realized through impedance matching design.

In this paper, the flexible RF MEMS switching microwave bending characteristic model of electrostatic driven clamped–clamped beam and cantilever-shaped beam structure is established, and the influence of the bending microwave performance of flexible substrate is analyzed to obtain the variation rule of key parameters of microwave characteristics, then the pre-matching design is carried out.

Keywords: RF MEMS switch, flexible electronic device, bending characteristic model, microwave characteristic

目 录

摘 要 III

Abstract IV

第一章 绪论 1

1.1 微机电系统(MEMS) 1

1.1.1 微机电系统的定义 1

1.1.2 MEMS的技术途径 3

1.1.3 MEMS的特点 3

1.2 射频微机电系统（RF MEMS） 3

1.2.1 RF MEMS的定义与优点 3

1.2.2 RF MEMS的应用 3

1.3 RF MEMS开关 5

1.3.1 RF MEMS开关的特点 5

1.3.2 RF MEMS开关的分类 6

1.3.3 RF MEMS开关的发展现状 6

1.4 RF MEMS柔性电子器件 6

1.4.1 RF MEMS柔性电子器件的特点 6

1.4.2 柔性MEMS电子器件的研究现状 7

1.4.3液晶聚合物（LCP）的简介 13

1.5本文主要工作 13

1.5.1 拟解决的关键问题和创新点 13

1.5.2 主要研究工作 14

第二章 典型RF MEMS膜/梁结构弯曲特性建模 15

2.1双端固支梁/悬臂梁结构并联开关的回波损耗 15

2.2双端固支梁/悬臂梁结构微波弯曲特性分析 16

2.3共面波导并联开关的预匹配设计方法 21

2.4 本章小结 23

第三章 典型MEMS膜/梁结构的设计与仿真 24

3.1 仿真软件简介 24

3.2静电驱动双端固支梁结构RF MEMS开关的设计与仿真 25

3.2.1 静电驱动双端固支梁结构的微波弯曲特性仿真 25

3.2.2 静电驱动双端固支梁结构的微波特性模型的预匹配设计 31

3.3静电驱动悬臂梁结构的RF MEMS开关的设计与仿真 35

3.4 本章小结 38

第四章 总结与展望 39

4.1 论文总结 39

4.2 课题展望 39

参考文献 41

致 谢 43

第一章 绪论

微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System，简称MEMS）是上世纪八十年代发展起来的新型技术，是由IC技术发展起来的。正如名字所说的那样，MEMS技术是由微型加工、电子、机械等多种技术整合而成的新技术。其实MEMS技术早在1965年就有所显露,但是在接下来的二十多年间，科研机构只是开展了一些有关MEMS的琐屑研究^[1]。直至1989年，MEMS一词才第一次出现于NSF认证研讨会，至此MEMS已经成为在世界范围内广泛热议的词语。

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