電容耦合式薄膜型射頻微機電開關之結構振動模態分析

本論文提出以有限元素法對所設計的無線通訊系統電容耦合式薄膜型射頻微機電開關（capacitive-coupling membrane-type radio-frequencymicroelectromechanical system）結構作振動模態分析（modal analysis）。此無線通訊系統電容耦合式薄膜型射頻微機電開關是由一共平面波導（coplanar waveguide,CPW）傳輸線、可移動金屬薄膜與介於此金屬薄膜下方及共平面波導傳輸線之間的氮化矽（Si_3N_4）介電層三者所組成，可移動金屬薄膜與共平面波導傳輸線的中間傳輸信號的金屬線段如同分別對應到可變電容器（variablecapacitor）的上電極與下電極，兩電極與中間的空氣間隙、氮化矽介電層形成一個可變電容器（variablecapacitor）。所設計的電容耦合式薄膜型射頻微機電開關的電容量由所構成的可變電容器的上、下兩電極板間的電壓所控制。此電容耦合式薄膜型射頻微機電開關金屬材料採用高傳導率金屬金（Au）作為開關金屬材料。本研究論文中藉由有限元素法對電容耦合式薄膜型射頻微機電開關懸浮金屬薄膜的兩個連接橫樑（connectionbeam），以固定連接橫樑長度，各種不同連接橫樑寬度的開關進行結構振動模態分析。探討不同連接橫樑寬度對結構動態行為、模態自然頻率（natural frequency）的影響，確保所選用的材料與設計的電容耦合式薄膜型射頻微機電開關結構免於遭受外力頻率與振動模態自然頻率一致，而引發共振（resonance），造成系統結構致命的毀壞，確保所設計的電容耦合式薄膜型射頻微機電結構有良好的可靠度。

關鍵字

微機電；振動；有限元素法；射頻；開關

並列摘要

The modal characteristics of the structure vibration of capacitive-coupling membrane-type radio-frequency (RF) microelectromechanical-system (MEMS) switches for wireless communications are analyzed by the finite element method. The RF MEMS switch consists of a coplanar waveguide (CPW) transmission line, a movable metal membrane, and a silicon nitride dielectric layer. The movable metal membrane, the signal metal segment of the CPW transmission line, air gap, and the silicon nitride dielectric layer compose a variable capacitor. The capacitance of capacitive-coupling membrane-type RF MEMS switch is controlled by the voltage between top and bottom electrodes of the variable capacitor. The high-conductivity metal Au is used for the MEMS switches. The dynamic behavior, modal analysis, and natural frequency are investigated for various switch structures for avoiding the fatal failure of the RF MEMS switches.

並列關鍵字

microelectromechanical-systems (MEMS) ； vibration ； finite element method ； radio frequency (RF) ； switches

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