典型MEMS膜_梁结构的RF MEMS柔性器件弯曲特性的研究.pdf

摘要 摘 要 在当今信息化发展的浪潮中，柔性电子器件以其可弯曲延展特性及其高效、低成本的制 备工艺流程，在国防、信息、治疗、能源等领域具有十分广阔的应用远景，在对复杂环境空 间应用的保形性、轻量化、小型化以及智能化等方面具有无可比拟的重要性和优势。MEMS （微机电系统）柔性器件作为柔性电子器件的重要组成部分，其保形性、高性能、小体积、 智能化的传感器、执行器成为当今柔性电子系统中必不可少的组成部分，特别是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，使得各种RF MEMS柔性执行器、传感器变为了近年来的研究热门。目前关于RF MEMS 柔性器件的主要研究内容和目的还都处于器件设计、制备和非弯曲条件下的性能测试阶段， 器件的弯曲特性建模和实验表征验证的研究目前还处于空白。然而，不管从科学研究角度还 是工程应用层面，都迫切需要建立起基于柔性衬底的RFMEMS器件的弯曲特性模型，以推 动RF MEMS柔性器件的深入研究和开发应用。 本论文将建立典型MEMS膜/梁结构RF MEMS柔性器件的弯曲特性模型，探索在复杂 环境应用中柔性衬底弯曲对典型MEMS膜/梁结构MEMS柔性器件力学特性、微波特性和 动态特性参数的影响。本文对柔性射频电子器件的研究背景、应用领域和发展现况进行调研 分析后，展开了以下研究工作： （1）建立典型MEMS膜/梁结构的弯曲特性模型。通过分析MEMS驱动器设计的基础 理论，给出了静电驱动双端固支梁/悬臂梁结构和热驱动V 形梁结构的基本工作原理和力学 特性、微波特性和动态特性参数的计算公式，并且对LCP 柔性衬底发生弯曲条件下典型 MEMS膜/梁结构相关参数的变化进行了理论分析。 （2）基于典型MEMS膜/梁结构的弯曲特性模型，结合工艺限制，最终确定三种典型 膜/梁结构的尺寸和结构，包含静电驱动双端固支梁结构、静电驱动悬臂梁结构和热驱动V 型梁结构三种典型结构，并且对不同曲率弯曲条件下典型结构的吸合电压/驱动电流、回波 损耗和驱动时间进行仿真，仿真结果和模型理论计算值相吻合。 （3）对三种典型MEMS膜/梁结构进行了制备，测量确定制备结果的实际尺寸，并基 于不同弯曲曲率的测试架对所制备的样品进行了性能参数表征。测量结果显示，双端固支梁 结构和悬臂梁结构由于工艺导致膜桥上翘过高，无法实现驱动，但是其微波性能符合理论模 型；V 型梁结构的测量结果显示其力学和动态特性的测量结果与其实测尺寸下的理论模型计 算结果符合的很好。 本论文首次建立了基于典型MEMS膜/梁结构的 RFMEMS柔性器件弯曲特性模型，并 对柔性衬底弯曲对膜/梁结构性能产生的影响进行解析，获得力学特性、微波特性和动态特 性关键参数的变化规律。本论文的主要工作填补了国内外对RF MEMS柔性器件弯曲特性模 型的研究空白，为真正实现RF MEMS柔性器件适用于复杂环境应用的深入研究和实际应用 提供坚实的理论基础。 关键词：RF MEMS，柔性器件，柔性衬底弯曲，弯曲特性模型 II Abstract Abstract In the current wave of information development, flexible electronic devices, with unique flexibility, ductility, high efficiency and low cost manufacturing process, have very broad application prospects in the fields ofnational defense, information, medical treatment, energy and other fields, and have unparalleled importance and advantages in conformal, miniaturization, lightweight and intelligent applications