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本论文围绕RF MEMS(RF microelectromechanical systems)滤波器的加工工艺和可重构设计技术,分别研究了基于硅微加工技术的全硅腔凋落模可调滤波器和基于商用RF MEMS器件的可重构微带滤波器,具体研究内容如下。(一)首次提出基于硅微加工技术的K–Ka频段二阶RF MEMS全硅腔凋落模可调带通滤波器,并提出基于纯金溅射工艺的新型微齿薄膜用于该滤波器的频率调谐。该滤波器的耦合凋落模腔体谐振器采用四甲基氢氧化铵(Tetramethylammonium hydroxide,TMAH)湿法刻蚀技术制作在(700±25)-?m厚低阻(电阻率5–10Ω·cm,下同)硅衬底上,表面金属淀积采用1-?m厚纯金溅射工艺;微齿薄膜的齿同样采用TMAH湿法刻蚀技术制作在(300±25)-?m厚低阻硅衬底上,1-?m厚溅射金薄膜采用硅的二氟化氙气体干法刻蚀释放。提出的滤波器具有在23–35 GHz范围内通带中心频率连续可调,滤波器品质因数(Q)高(530–750)和静电驱动电压低(小于140 V)的优势。对于实现相同的频率调谐范围,微齿薄膜的静电驱动电压远小于传统商用压电执行器膜片,且不存在压电执行器膜片偏置电压—形变关系的迟滞效应;与相同物理尺寸的平面金膜相比,微齿薄膜的静电驱动电压减小了2倍以上。(二)首次提出基于金、钒双金属源共溅射技术的抗蠕变纳米晶粒金钒合金微齿薄膜,研究了金钒合金微齿薄膜的抗蠕变性能。针对纯金微齿薄膜在RF MEMS全硅腔可调滤波器宽频率范围调谐中的蠕变,在溅射金薄膜中引入极少量的钒(2.2原子百分比(at.%)钒)可以大幅度细化晶粒,增大材料的屈服强度,明显提升薄膜的抗蠕变性能,这符合金属薄膜的晶界强化机制。首次在微齿薄膜加工中引入纯氩气环境中的2小时300℃退火工艺,进一步提升了薄膜的抗蠕变性能。1-?m厚共溅射金钒合金微齿薄膜制作在(300±25)-?m厚低阻硅衬底上;采用X射线光电子能谱技术(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)检测金钒合金薄膜中的钒含量;用场发射扫描电子显微技术(Field emission scanning electron microscopy,FESEM)观察比较退火前后薄膜表面的晶粒形貌并测量薄膜的平均表面晶粒尺寸;在微力探针台上测量微齿薄膜的应力松弛响应,量化比较薄膜的抗蠕变性能。金钒合金(2.2 at.%钒)微齿薄膜的平均表面晶粒尺寸比纯金微齿薄膜减小了50%以上,其稳态应力松弛响应在第3和第12小时处的应力松弛速率分别为后者的约1/2和1/10,且12小时的回复力衰减量比后者减少13.4%。提出的金钒合金薄膜与传统纯金薄膜加工工艺兼容性好,抗蠕变性能明显优于后者,能够有效地改善薄膜使能的RF MEMS器件长期工作下的机械可靠性。(三)在(二)的基础上首次深入研究了2小时300℃退火和改变钒含量对金钒合金薄膜机械和电气性能的影响。采用相同物理尺寸和加工工艺制备了钒含量分别为0.7 at.%和6.8 at.%的金钒合金微齿薄膜。类似地,薄膜的钒含量和平均表面晶粒尺寸分别用XPS和FESEM技术测得,薄膜的应力松弛响应用微力探针台测得。实验表明,金钒合金(0.7或6.8 at.%钒)薄膜的平均表面晶粒尺寸与金钒合金(2.2 at.%钒)薄膜差异不大,但均远小于纯金薄膜的平均表面晶粒尺寸。两种晶界强化金钒合金(0.7和2.2 at.%钒)微齿薄膜的12小时稳态应力松弛响应无明显区别,但明显优于纯金薄膜。固溶强化金钒合金(6.8 at.%钒)微齿薄膜在所有被测材料薄膜中抗蠕变性能最好,且明显优于前两种晶界强化金钒合金薄膜,其3小时的回复力衰减量仅约6%,分别是纯金和金钒合金(2.2 at.%钒)微齿薄膜同期衰减量的约1/4和1/3,且在第3小时处的应力松弛速率分别是后两者的约1/9和1/5。实验还发现在该退火条件下,纯金薄膜退火后重结晶显著导致应力松弛明显改善,但金钒合金薄膜退火后重结晶不明显且应力松弛无明显改善。在对金钒合金电气性能的评估中,实验采用四端传感技术测量了2小时300℃退火前后(500±50)-nm厚纯金和金钒合金薄膜的表面电阻Rs,并计算出了薄膜的电阻率ρ和电导率σ。然后,实验基于500-?m厚石英衬底接地共面波导传输线测量了退火前后的纯金和金钒合金(2.2 at.%钒)薄膜在毫米波20–40 GHz频段的传输性能,并计算出了薄膜的射频衰减因子α。直流(四端传感技术)和射频(S参数)测量方法验证了薄膜电导率的一致性。实验发现,2小时300℃退火可以明显提高纯金薄膜的电导率,但是对改善金钒合金薄膜的电导率无明显作用。退火后金钒合金(2.2 at.%钒)薄膜表面电阻为339.10 mΩ/□,电导率为5.9 MS/m,衰减因子为0.327–0.410 dB/mm。金钒合金(2.2 at.%钒)薄膜的电阻率约为纯金薄膜的5倍,这是由于薄膜平均晶粒的大幅度减小增大了晶界处的电子散射密度。(四)基于商用RF MEMS开关和带通—准吸收式带阻级联滤波器拓扑,提出了L频段RF MEMS可重构窄带陷波微带带通滤波器。该滤波器中,1.575-GHz三阶静态窄带带通滤波器采用小型化发夹线形谐振器实现,而与带通滤波器级联的两个准吸收式带阻滤波器采用Omron商用RF MEMS电阻性开关进行陷波频率的切换。提出的滤波器实现了三种可重构状态,即只含1.575-GHz带通响应、1.575-GHz带通响应加1.525-GHz陷波和1.575-GHz带通响应加1.625-GHz陷波。该可重构窄带陷波实现了大于90 dB的衰减,这是传统反射式带阻滤波器无法实现的。(五)基于商用RF MEMS可调电容器和并联带通滤波器拓扑,提出了0.95/2.45-GHz频率切换式恒定带宽带通滤波器。该滤波器中,0.95-GHz四阶带通滤波器采用集总电感器和集总电容器实现,而2.45-GHz四阶微带带通滤波器采用小型化发夹线形谐振器实现。采用WiSpry商用RF MEMS数字式可调电容器分别失谐每个带通滤波器中的两个谐振器来实现通带频率的切换。提出的频率切换式滤波器实现了四种可重构状态,即0.95-GHz和2.45-GHz双通带响应、只含0.95-GHz通带响应、只含2.45-GHz通带响应和无任何通带响应(滤波器关断)。该滤波器实现了大于2.5:1的频率跨度下恒定带宽通带的固有切换和开启/关断功能。