可重构mems微波功率耦合器的设计与其可靠性分析

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1、隶劫大·粤硕士学位论文可重构MEMS微波功率耦合器的设计及其可靠性研究本论文获国家自然科学基金项目(60976094，61076108和60676043)资助。哪舢洲㈣㈣删㈣Ⅲ0Y2922053RESEARCHOFTHEDESIGNA加THEI之ELIABILITYOFTHERECONFIGURABLEMEMSMICROⅥ後VEPOWERCOUPLERADissertationSubmittedtoSoutheaStUniVersi够FortheAcademicDegreeofMaSterofEngineeringBYWANGKaiyueSupervisedbyPro￡LI

2、AOXiaopingandLecturerZHANGZhiqiangSchoolofElectronicScienceandEngineeringSoutheaStUniVers时April20l5东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研姓虢龇魄丝!业：!z．东南大学学位论文使用

3、授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布(包括以电子信息形式刊登)论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布(包括以电子信息形式刊登)授权东南大学研究生院办理。研究生签名：蜥摘要微波功率耦合器广泛地应用在军用和民用微波通讯领域。传统的微波功率耦合器的耦合度是固定的，所以本文提出了一种耦合度可变的可重构MEMS微波功率耦合器，并完成了该可重构MEMS微波功率耦合器的模拟、设

4、计与制备。由于M卧嗄S器件中加入了可动的M匣MS梁结构，微观效应造成的可靠性问题成为MEMS器件设计中最难解决的关键问题。针对这一问题，本文还对MEMS梁的可靠性问题进行了一系列研究。本文的主要研究内容及其创新点包括：(1)基于GaAsMMIC工艺，设计了一种可重构MEMS微波功率耦合器。利用HFSS优化设计后的耦合器中心频率为35GHz，在35GHz处可实现7．989dB和10．62dB两种不同的耦合度。在30到40GHz频率范围内，该耦合器在两种状态下的Sll小于．15dB，隔离度大于15(1B。以上内容的创新之处在于，该耦合器的副线上设计了一种带有悬臂梁的双端梁结构来

5、实现耦合度的调节；该耦合器与传统的双线定向耦合器在同等性能下基本具有相同的尺寸，相比与其它的可重构耦合器在尺寸上有明显的优势。(2)基于粘附会影响^伍MS梁的振动频谱的原理，提出了利用振动实验来检测粘附问题的方法。根据振动实验的实验结果，总结了三种常见的振动频谱对应的粘附状态，其中只有振动频谱中的谐振峰出现的频率值与理论预测一致时，MEMS梁才是未粘附的，而其他情况下的MEMS梁都发生了部分或者全部的粘附，该结论与通过观察对应测试梁的表面形貌得出的结论是一致的；利用谐振法对不同干燥温度的MEMS梁的粘附问题进行了检测，实验结果表明，提高干燥温度有利于抑制粘附，这与相关的理论

6、结果是一致的。以上内容的创新之处在于本文提出的谐振法具有无损和适用性广的优点，弥补了SEM法和干涉法无法准确检测宽MEMS梁的粘附问题的缺陷。(3)基于考虑了等效抗扭刚度的简支边界条件，建立了具有阶跃锚区的双端梁的振动模型，并推导了该振动模型的谐振频率和振型函数的理论表达式；利用该振动模型分析了杨氏模量和支撑梁的厚度对阶跃锚区双端梁谐振频率的影响，分析结果表明，随着杨氏模量和支撑梁的厚度的减小，阶跃锚区双端梁的谐振频率也会随之减小；利用ANSYS软件对阶跃锚区双端梁进行了有限元仿真，该仿真结果与本文模型的预测结果的对比表明，在梁长大于200um时，本文中的振动模型得到的谐振

7、频率的预测值和有限元仿真得到的值之间的误差要小于5％。以上内容的创新之处在于，本文中的振动模型相比固支锚区的模型更有效的描述了阶跃锚区双端梁的谐振特性。(4)为了方便残余应力的测量，设计了四向微旋转梁残余应力测量结构，利用ANSYS软件对四向微旋转梁残余应力测量结构进行了优化设计，并基于GaAsMMIC工艺制备了四向微旋转梁残余应力测量结构；实验测试结果表明，在GaAsMMIC工艺中，残余应力对MEMS梁的屈曲的影响很小。以上内容的创新之处在于，相比于传统的微旋转梁残余应力测量结构，该四向微旋转梁残余应力测量结构不