响应面方法的硅刻蚀工艺优化分析（英文）北大核心CSCD

利用响应面分析方法优化了用于压力传感器硅敏感芯体的刻蚀操作条件。主要考虑了温度、KOH浓度和腐蚀时间三个操作参数,将它们的范围分别设定为40~60℃,0.4~0.48mol/L和5~12.5h,并设定各向异性腐蚀速率为响应值。通过建立二次方模型,分析这些参数的单独影响以及多个操作条件之间对腐蚀速率的相互交叠作用。分析结果表明：模型可以精确预测99%的响应值,相比于腐蚀时间,溶液浓度和工作温度对刻蚀速率的影响更为明显。     

膜片上薄膜体声波谐振器型微加速度计

针对"FBAR(薄膜体声波谐振器)-梁"结构悬臂梁厚度不足、"嵌入式FBAR"结构微加工工艺复杂的缺点,提出了新型"膜片上FBAR(FBAR-on-diaphragm)"结构的微加速度计。其弹性膜片由氧化硅/氮化硅复合薄膜构成,既便于实现与硅微检测质量和FBAR的IC兼容集成加工,也利于改善微加速度计的灵敏度和温度稳定性。对由氧化硅/氮化硅双层复合膜片-硅检测质量惯性力敏结构和氮化铝FBAR检测元件集成的膜片上FBAR型微加速度计进行了初步的性能分析,验证了该结构的可行性。通过有限元模态分析和静力学仿真得出惯性加速度作用下膜片上FBAR结构的固有频率和弹性膜片上的应力分布;选取计算所得的最大应力作为FBAR中压电薄膜的应力载荷,结合依据第一性原理计算得到的纤锌矿氮化铝的弹性系数-应力关系,粗略估计了惯性加速度作用下氮化铝薄膜弹性系数的最大变化量;采用射频仿真软件,通过改变惯性加速度作用下弹性常数所对应的纵波声速,对比空载和不同惯性加速度作用下加速度计的谐振频率,得到加速度计的频率偏移特性和灵敏度。进一步分析仿真结果还发现:氧化硅/氮化硅膜片的一阶固有频率与高阶频率相隔较远,交叉耦合小;惯性加速度作用下,谐振频率向高频偏移,灵敏度约为数k Hz/g,其加速度-谐振频率偏移特性曲线具有良好的线性。     

介电层粗糙对电容式RF MEMS开关down态电容退化的影响

电容式RF MEMS开关在控制高功率射频信号时会发生自锁失效,由于开关桥膜与介电层之间的粗糙接触,开关的down态电容会发生退化,因此很难建立开关自锁失效阈值功率的高保真预测模型。提出了3D电磁-等效电路仿真对比建模的方法。建立开关的3D电磁仿真模型,仿真得到具有任一表面粗糙度水平的介电层粗糙开关的隔离度(S21)曲线;再建立同一开关的等效电路模型,通过调谐其down态电容值,使得仿真得到的S21曲线与3D电磁模型仿真结果尽可能吻合;此时,可以确定一组根据开关3D电磁仿真模型设定的表面粗糙度水平与等效电路模型调谐好的down态电容值的关系;改变开关介电层的表面粗糙度水平,并重复上述步骤,确定了任一开关的介电层表面粗糙度与开关down态电容退化的关系。采用文献的down态电容实测数据,初步验证了该方法的可行性和合理性。并利用所得的开关down态电容随介电层表面粗糙度退化的特性,对简化的(介电层光滑)开关自锁失效阈值功率解析计算式进行了修订,可扩展用于预测介电层粗糙开关的功率容量。     

电容式RF MEMS开关自热效应的多物理场协同仿真北大核心CSCD

随着信号输入功率的升高,电容式RF MEMS开关会发生自热效应使膜片变形,引起开关气隙高度的改变,导致开关驱动电压漂移,严重影响其可靠性。由于自热效应的失效机理涉及到复杂的多物理场耦合,因此提出了“电磁-热-应力”的多物理场协同仿真方法描述其失效模式,并分析其失效机理。首先利用HF-SS软件建立开关的电磁仿真模型,得到不同输入功率下膜片的耗散功率;再以此作为热源,利用ePhysics软件建立开关的热仿真模型,得到膜片上的温度分布;然后将温度梯度作为载荷,利用ePhysics软件建立开关的应力仿真模型,得到开关的形变行为;最后,根据膜片形变所致的气隙高度变化,得到驱动电压漂移的失效预测模型。以一种具有矩形膜片结构的典型电容式RFMEMS开关为例,利用该方法得到：矩形膜片表面电流密度主要分布在膜片的长边的边缘;温度沿膜片长边逐渐降低,且膜片中心处温度最高、锚点处温度最低;膜片的热应力变形呈马鞍面形,且最大形变点发生在膜片长边的边缘处,仿真还得到0~5 W输入功率下膜片的最大形变量;并拟合出了0~5W输入功率下的开关驱动电压-输入功率漂移曲线,该曲线具有线性特征并与文献实测数据极为吻合,由此证明了该方法的有效性。     

电容式RF MEMS开关膜片上边缘电场的表征

为了获得高保真的电容式RF MEMS开关自驱动失效阈值功率模型,必须弄清开关膜片上电场分布的边缘场效应。由于受到边缘场效应的影响,在计算开关自驱动失效阈值功率时,不能使用开关与中心导体的正对面积(A)取代受到射频信号频率的开关膜片面积(ARF)。否则,会出现射频信号功率等效电压(Veq)的计算偏差。因此,使用Veq的计算值与开关膜片上的均方根电压值(VRMS)来表征ARF。从而构建一个优值(ARF/A)来表征开关膜片上电场分布的边缘场效应强度。采用HFSS软件构建开关自驱动失效3D电磁模型,针对同一种开关构型,通过仿真得到不同射频信号功率下和不同开关气隙高度下膜片上边缘电场的分布。并与优值计算结果进行比较,初步验证了使用该优值表征开关膜片上电场分布的边缘场效应强度的合理性。     

薄膜体声波谐振器的力敏特性研究

薄膜体声波谐振器(FBAR)力传感器作为一种新型的谐振式传感器,力敏特性是其设计原理。以FBAR微加速度计为例研究了工作在纵波模式,采用具有纤锌矿结构的AlN作为压电薄膜的FBAR,施加应力载荷后,其弹性常数改变导致FBAR谐振频率偏移的力敏特性。首先,采用有限元(FEA)静力学仿真,得到惯性力载荷作用下集成在硅微悬臂梁上的压电薄膜的应力分布;选取最大应力值作为载荷,基于第一性原理计算纤锌矿AlN的弹性系数与应力的关系式,预测惯性力载荷作用下AlN弹性系数的最大变化量。其次,采用谐响应分析,对比空载和不同惯性力载荷作用下FBAR微加速度计的谐振频率和偏移特性,预测FBAR微加速度计的加速度-谐振频率偏移特性。最后仿真分析得到:惯性力载荷作用下,FBAR微加速度计的谐振频率向高频偏移,灵敏度约为数kHz/g;其加速度增量-谐振频率偏移特性曲线具有良好的线性度。     

薄膜体声波谐振器的力敏特性研究（英文）

薄膜体声波谐振器(FBAR)力传感器作为一种新型的谐振式传感器,力敏特性是其设计原理。以FBAR微加速度计为例研究了工作在纵波模式,采用具有纤锌矿结构的AlN作为压电薄膜的FBAR,施加应力载荷后,其弹性常数改变导致FBAR谐振频率偏移的力敏特性。首先,采用有限元(FEA)静力学仿真,得到惯性力载荷作用下集成在硅微悬臂梁上的压电薄膜的应力分布;选取最大应力值作为载荷,基于第一性原理计算纤锌矿AlN的弹性系数与应力的关系式,预测惯性力载荷作用下AlN弹性系数的最大变化量。其次,采用谐响应分析,对比空载和不同惯性力载荷作用下FBAR微加速度计的谐振频率和偏移特性,预测FBAR微加速度计的加速度-谐振频率偏移特性。最后仿真分析得到:惯性力载荷作用下,FBAR微加速度计的谐振频率向高频偏移,灵敏度约为数kHz/g;其加速度增量-谐振频率偏移特性曲线具有良好的线性度。