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射频MEMS技术是近年来发展迅速的高新技术,它具有微型化、低损耗、可集成、成本低等特点,用它实现相关射频器件或系统可为无线通信技术带来新的变化。本论文受重庆市教育委员会科学技术研究项目“基于复合腔结构MEMS谐振器、滤波器应用研究”(No.020508)支持,主要研究了射频MEMS谐振器、滤波器相关的基础理论及其器件设计研究。
本文的前两章介绍了射频MEMS研究现状及其相关MEMS基础理论及其微细工艺:基础理论包括微尺度下电磁学、几何、热学等相关理论;微细加工工艺包括体硅微细加工工艺和表面微细加工工艺等。第三章介绍了近年来国内、国际上研制的典型MEMS谐振、滤波器件。对这些器件结构原理、制造方法以及性能指标作了分析。根据这些器件的性能指标,分析了它们在射频系统中的应用和不足。
第四章在相关微尺度条件下和微细加工工艺基础上,研究出的新型MEMS微带结构滤波器利用三维有限元电磁学软件HFSS模拟出良好的性能:S21损耗不到3.5dB,中心频率约为40GHz,通频带约为12GHz,尺度仅为2000μm×850μm×120μm,该设计结构尺度微小,集成容易,利于加工。第五章研究的基于复合圆柱腔MEMS结构谐振器的谐振频率可高达72GHz,此时Q值达到1387,S11约为14dB,尺度为5.9mm×6mm×1.6mm,理论计算值和仿真值的误差不到1%,说明设计具有一定的可行性。第六章研究的基于MEMS共面波导腔结构带通滤波器,其中心频率为46GHz,S21损耗约为1dB,通频带约为20GHz,该器件更利于集成化、尺度更微小,仅为800μm×600μm×100μm;同时利用大型有限元软件ANSYS研究了该MEMS复合结构的热应力特性表明,在一定温度范围内,设计的结构不会失效。若改变这些器件的设计参数,则可获取不同优良性能需求的MEMS谐振、滤波器件。
射频MEMS技术涉及到微细加工、光学、微控制及其无线通信技术等多交叉学科,而跟这些相关联的光学、微控制和微细加工工艺更是该技术的薄弱环节。现阶段的射频MEMS技术可集中于基础理论和应用研究,如微尺度效应、复杂微细加工技术、射频MEMS谐振/滤波器件、射频MEMS开关等。目前关于MEMS的研究没有系统的方法,本课题的实施,客观上为射频MEMS器件相关技术储备了一定的研究经验、技术、人才资源,同时也具有较高的理论价值和实际意义。