计及电容式 RF MEMS开关膜片上电场分布的边缘场效应后，很难建立高保真的开关自驱动失效阈值功率解析模型。因此，采用膜片承受射频信号功率的面积(ARF)和膜片与传输线的正对面积 (A)的比值构建优值 (FoM)，以表征膜片上电场分布的边缘场效应强弱。利用 HFSS软件建立了开关自驱动失效的三维电磁模型；以一种常见的开关构型为案例，仿真得到了多种射频信号功率(Pin)和开关气隙高度 (g0)条件下膜片边缘电场分布，并与优值计算结果进行了对比验证，初步证明了采用优值 ARF/A表征膜片上电场分布的边缘场效应强度的可行性。

研究了由硅微质量块 -悬臂梁惯性力敏结构和氮化铝 (AlN)薄膜体声波谐振器 (FBAR)检测元件集成的 FBAR微加速度计表头的惯性力敏特性。采用有限元 (FEA)静力学仿真，得到惯性力载荷作用下硅微悬臂梁上的应力分布；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；采用谐响应分析，预测 FBAR微加速度计的加速度 -谐振频率偏移特性。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。

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(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(FBAR)的谐振频率会受到外界环境温度的影响而产生漂移,对于FBAR滤波器而言,这种温度-频率漂移特性会导致其中心频率、插入损耗、带内纹波等性能发生变化,降低其在电学应用中的可靠性。应用ANSYS有限元分析软件,对一个典型Mo-AlN-Mo三层结构的FBAR进行了温度-频率漂移特性的仿真,得到其在[－50 ℃, 150 ℃]温度范围内的频率温度系数(TCF)约为－35×10－6/℃。在FBAR叠层薄膜结构中添加了一层具有正温度系数的二氧化硅温度补偿层,分析了该补偿层厚度对FBAR的温度-频率漂移特性、谐振频率和机电耦合特性的影响。设计了具有一层二氧化硅温度补偿层的FBAR叠层,由Mo/AlN/SiO2/Mo多层薄膜构成,仿真得到其频率温度系数为0.872×10－6/℃；与没有温度补偿层的FBAR相比,温度稳定性得以显著改善。

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。

简要介绍了基于故障物理的MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems, 微电子机械系统)可靠性研究方法和技术路线。以电容式RF MEMS开关为例, 介绍了基于故障物理的MEMS可靠性研究方法的主要步骤, 包括: 采用多物理场3D有限元模型研究MEMS器件的行为, 应用MEMS器件的行为模型和失效物理试验技术研究其失效机理, 引入优值建立了通用的MEMS器件失效预测模型。