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HFSS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RF MEMS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0~5 W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。

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。

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。

插入损耗是射频微机电系统 (RF MEMS) 开关的关键性能指标之一。电容式RF MEMS开关是一种适合高频应用的开关器件, 对其损耗机制进行了研究。电容式RF MEMS开关的射频损耗主要包括四部分: 信号线的导体损耗、衬底损耗、辐射损耗以及MEMS桥损耗。对电容式RF MEMS开关建立了损耗模型并进行了数值计算, 同时在HFSS有限元软件中进行了电磁仿真, 数值计算结果和有限元仿真结果较好的吻合。此外, 对影响电容式RF MEMS开关插入损耗的因素进行了分析, 结果表明, 高阻抗的衬底、200 μm左右的导体宽度、较小的导体厚度以及较小的up态电容能够降低开关的插入损耗, 提高开关的射频性能。

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。