微机械射频开关吸合冲击的自适应变刚度调控机理及其应用研究

The RF MEMS switch is the key device for the advanced electronic systems including the next-generation mobile communication system, high performance Phased Array Radar, etc. The pull-in related bounce severely deteriorates the reliability of the device. Because of the fabrication tolerance and drift, the current impact suppression method is limited for its repeatability among batch fabricated devices. In this project, the adaptive variation of the stiffness were obtained for microstructures with large deformation. In this way, the structrue restore elastic force could be strengtherned to suppress the undisirable bounce induced by the non-linear electrostatic force and the drive waveform could be simplified considerably. The fluctuation caused by the fabrication tolerance and drift may be reduced fundamentally. Based on the principle, a method that could be adopted in batch fabricated devices would be put forwarded. The prototype device would fabricated and tested to verify the proposed principle. The probable way to suppress the micro-scale impact will be explored based on the research of the micro-scale electro-mechanical transfer process. The probable research method and measure would be provided for the in-depth extension of the micro/nano actuator research at the micro-scale. The result would overcome the key factors that limit the durability of RF MEMS switch, and accelerate the commercialization of the device.

微机械射频开关是下一代移动通信终端及系统、高性能相控阵雷达等先进电子装备研制亟需的基础性关键元器件。但器件吸合过程中的冲击/碰撞已成为限制其寿命、制约实用化的瓶颈问题之一，现有冲击抑制方法受器件制造公差及老化漂移影响，难以在大批量器件中实现稳定、可重复的效果。本项目提出利用微结构大变形状态下获得的自适应变刚度特性，抑制静电驱动力非线性的不利影响的冲击抑制方法。可以显著简化驱动波形、有望从根本上降低器件制造公差、老化漂移导致的冲击抑制效果波动，从而提出可以在集成制造的批量化器件中实现的冲击抑制方法，并设计、制造器件、测试其性能，验证该方法的有效性与可行性。本项目在深入分析微尺度电-机械转换过程的基础上探索如何抑制微观冲击与振动，将为微尺度抑制冲击的相关研究探索有针对性的分析方法和研究手段，研究成果有望克服限制微机械射频开关寿命的重要因素，加速其实用化

本项目针对微机械射频开关吸合过程中的冲击/碰撞问题，提出运用非线性变刚度方法从根本上抑制吸合失稳的不利影响，并从理论分析、器件集成制造、实验测试多个方面揭示了非线性变刚度方法全面提升器件静态、动态特性的机理、实现方法和显著效果。.1，在静态特性优化中，从降低驱动电压、延长可控行程的角度，提出并验证了基于夹紧-导向梁的三阶非线性变刚度方法优化器件静态特性，建立了非线性变刚度方法的静态和动态吸合数学模型，分析了气隙g和非线性度系数k对Pull-in电压、可控行程的影响规律。测试结果表明，相比于传统的定刚度开关，三阶非线性变刚度开关可以延长可控行程50%以上， Pull-in电压降低60%以上。并进一步提出和验证了一种可定制高阶非线性变刚度特性的结构。.2，在动态特性优化研究中，首先从定性和定量两方面分析了简化条件下三阶非线性变刚度方法抑制吸合冲击、改善系统鲁棒性以及加快响应时间的机理和优势。然后，运用数值仿真分析了开关动态吸合过程以及由工艺偏差造成的系统参数波动（气隙和刚度）对动态特性的影响。测试结果表明，变刚度开关的驱动电压和吸合速度（23.4V，1.9cm/s）要明显小于线性开关（28.9V，3.9cm/s）。可靠吸合气隙范围至少是线性开关的2.4倍以上；这充分说明了非线性变刚度方法可以从本质上抑制吸合冲击且不折损响应时间，同时改善静电开关对系统参数波动的鲁棒性。.3，提出了在微尺度稳定产生与准确表征变刚度特性的集成制造方法与测试方法，以非硅表面微加工技术为基础，开发了与之相适应的器件集成制造方法。针对内应力、表面平整度对结构非线性变刚度特性的影响，研究了CMP光刻胶平整化、低电镀内应力、薄层补胶以及湿法释放絮状物去除等工艺技术。利用深硅刻蚀工艺在SOI（Silicon-On-Insulator）片上成功制备了于高阶非线性变刚度弹簧。搭建了基于固体激光位移传感器的电压-位移响应测试系统，作为对静电开关静动态特性的测试平台，提出了消除残余电荷对微力测试影响的正负极“短接法”，实现了精确、稳定的测试。