RF MEMS技術(shù)

專(zhuān)家論談Expert ForumRFMEMS技術(shù)梁舂廣(電子13所，河北石家莊050051)摘要:通信收發(fā)機、天線(xiàn)等無(wú)線(xiàn)設備的發(fā)展趨勢是高性能、小體積、低成本。微電子機械系統技術(shù)在這一趨勢中顯現了技術(shù)潛力。本文闡述了RF MEMS技術(shù)的現狀。關(guān)鍵詞:微電子機械;單片集成;微波混合電路中國分類(lèi)號: TH703; TH70文章標識碼: A文章編號: 1671-4776 (2002) 01-0006-03Technology of RF MEMSLANG Chun -guang(The 13h Eetrone Reseach Instiute . Shjiahuang 050051. Chin)Abstract: High performance. low cost and compact wireless system make up technical trends ofwireless communication system. MEF.MS technology plays an important role in this trend. This pa-per discuss the technique of RF MEMS in details.Key words: MEMS; monlithie integration; microwave mixed cireuitMEMS開(kāi)關(guān)通過(guò)在微波傳輸線(xiàn)上的可動(dòng)結構實(shí)現微1前言波信號的通斷，分成并聯(lián)開(kāi)關(guān)和串聯(lián)開(kāi)關(guān)兩類(lèi)。RF MEMS 的研究目標是實(shí)現集成在單芯片上并聯(lián)開(kāi)關(guān)通過(guò)可動(dòng)結構在共平面波導線(xiàn)的信號線(xiàn).的RF系統。RFMEMS的研究集中在兩個(gè)方面,與地線(xiàn)之間制造-一個(gè)可變電容，在幾十fF和幾pF(1)減小襯底損耗實(shí)現高Q值無(wú)源元件; (2) 設之間跳變實(shí)現微波信號的通斷。并聯(lián)開(kāi)關(guān)在X波計可動(dòng)的RF MEMS新結構器件。RF MEMS的優(yōu)段以.上隔離度才能滿(mǎn)足要求。具有使用價(jià)值。勢在于可以實(shí)現一些新的性能和能夠單片集成高Raytheon實(shí)驗室研制的并聯(lián)開(kāi)關(guān)代表當今最高水性能的無(wú)源器件。半，典型性能為:驅動(dòng)電壓30V,開(kāi)關(guān)延遲10μe.RF MEMS技術(shù)包含幾個(gè)層面:由微機械開(kāi)在30CHz時(shí)，插人損耗小于0.2dB，隔離度大于關(guān)、可變電容、電感、諧振器組成的基本器件層40dB。串聯(lián)開(kāi)關(guān)將微波傳輸線(xiàn)斷開(kāi)，通過(guò)中間懸面:由移相器、濾波器、VC0等組成的組件層面:浮的微帶線(xiàn)的運動(dòng)實(shí)現微波傳輸線(xiàn)的通斷。串聯(lián)由單片接收機、變波柬雷達、相控陣天線(xiàn)組成的開(kāi)關(guān)低頻端的隔離度較高，RSC 代表了串聯(lián)開(kāi)關(guān)應用系統層面的當今最高水平:驅動(dòng)電壓30V，開(kāi)關(guān)延遲10μs,目前有4類(lèi)RF MEMS器件接近于應用，它們在3CHz時(shí)插入損耗0.2dB.隔離度大于50dB_是微機械開(kāi)關(guān)，可變電容、電感和濾波器。和現有的PIN開(kāi)關(guān)和FET開(kāi)關(guān)相比，RFMEMS開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)是插人損耗小、驅動(dòng)功耗小、能2RFMEMS可動(dòng)結構夠實(shí)現單片集成。RFMEMS開(kāi)關(guān)的缺點(diǎn)是驅動(dòng)電上要包括RF MEMS開(kāi)關(guān)和可變電容，RF壓高、隔離度低、開(kāi)關(guān)速度慢。針對驅動(dòng)電壓的收稿日期: 2001-11-16微納電子技術(shù)2002 年第1期(6)Mioronanorlodronin .Tunhnoligy,. Janwry Irr中國煤化工YHCNMHG專(zhuān)家論談Expert Forum問(wèn)題，研究者設計了許多新結構、韓國LC電子和位移相器的插人損耗為2.5dB.并實(shí)現了單片集先進(jìn)科技研究所先后將驅動(dòng)電壓降到8V，5V。目成。和PIN或FFT實(shí)現的移相器相比。具有損耗前提高隔離度比較好的方案是采用BST開(kāi)關(guān)的方小，驅動(dòng)功率小(μW級)的優(yōu)勢。案，能比普通結構提高15dB以上.對于開(kāi)關(guān)速度(2)濾波器的問(wèn)題，目前還沒(méi)有太多的解決辦法，只能在應采用高(值的MEMS電容、電感實(shí)現的單片用中揚長(cháng)避短e濾波器，由于電容、電感的白振頻率和Q值的提RF MEMS開(kāi)關(guān)具有單刀單擲、單刀多擲等多高，插人損耗和工作帶寬有較大改善。采用MEMS種結構，可方便地制造成陣列，并有分離器件和電調可變電容，還能實(shí)現電調濾波器。另外。也與MMIC集成的產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)。有人研究高Q值的機械濾波器用于信號處理，頻MEMS可變電容酒過(guò)靜電力調節電容間隙或電率能達到100kHz，Q值大干5000。容面積,調節系數能夠達到20:1以上,術(shù)加電壓時(shí)(3)壓控振蕩器(VC0)的電容值可以從VHF頻段時(shí)的幾pF到X波段的采用MEMS電調可變電容可以實(shí)現vCo,由0.1pF"變化: 0值能夠達到20以上，甚至能達到幾于MEMS電容、電感可以實(shí)現較高的Q值.因此百，和傳統的肖特基或pn結可變電容相比,在調節相應的VC0的相位噪聲較低。哥倫比亞大學(xué)實(shí)現.系數和Q值方面(調節系數典型值30%,0值15)具了CMOS/MEMS單片集成的1.9CHz 的VC0.相位有明顯優(yōu)勢。MEMS可變電容的工作頻段很寬,理論噪聲達到- 140dBe./Hz (3MHz):上的截止頻率超過(guò)1000GHz。5 RF MEMS的應用系統3RFMEMS高Q值無(wú)源器件(1)微波收發(fā)機在單片微波集成電路設計中.商Q值的電感、上述RFMEMS器件組件能夠用于微波收發(fā)機電容、傳輸線(xiàn)是提高電路性能的重要因素。采用中實(shí)現單片或兩片集成收發(fā)機，提高性能的同時(shí),MEMS工藝可以降低器件的襯底損耗，提高0值。降低了體積和成本。對于電容和傳輸線(xiàn)來(lái)說(shuō)，主要手段是將器件制造(2)變波東大線(xiàn)在介質(zhì)薄膜上。對于電感，人們提出了很多新結天線(xiàn)是將微波在傳輸線(xiàn)和空間之間轉換的設構:例如將金屬線(xiàn)圈懸空制造在芯片表面以t;備，將MEMS技術(shù)應用于天線(xiàn)中，主要技術(shù)是采將金屬線(xiàn)圈纏繞在芯片表面的磁棒上:靠?jì)葢?用RFMEMS開(kāi)關(guān)改變天線(xiàn)的頻率和波束特性、月將金屬線(xiàn)圈向芯片上方伸展等，Q值能夠達到20~前取得的成果主要體現在兩個(gè)方面: (a) 獲得簡(jiǎn)50化結構的相控陣天線(xiàn)，美國開(kāi)展的RFCAP研究i計采用RF MEMS技術(shù)可以制造高Q值諧振器,劃僅用原來(lái)1/n的單元實(shí)現了nxn的相控陣天線(xiàn):其優(yōu)勢在于可以實(shí)現單片集成。目前達到的技術(shù)(b) 獲得可變頻率、波束特性的天線(xiàn)，用一個(gè)天水平是Q值大于5000以上，諧振頻率達到線(xiàn)體現多個(gè)天線(xiàn)的功能。100MHz.它的技術(shù)難點(diǎn)在于提高諧振頻率。解決6RFMEMS制造方法的方案是采用更小的結構尺寸。RFMFMS器件一殷采用表面微機械加工技4典型RF MEMS組件術(shù)，該技術(shù)的典型是Cronos 公司的多用戶(hù)MEMS(1)數字移相器工藝(MUMPS)。由于RF MEMS的最終H標是實(shí)由于相控陣雷達上的應用需求，數字移相器現單片微波系統，RF MEMS工藝又分成與CMOS的研究者眾多，T. 作頻段可以從幾CHz直到數百工藝和CaAs工藝相兼容的兩類(lèi)。在工作頻段上，CHz.目前主要集中在X波段和Ku波段。前者--般只能達到5CHz左右，但具有成本低的優(yōu)TI&Raytheon公司的研究處于領(lǐng)先水平，X波段4勢、Mononorlndtrnir Fouhrndegy Fawary 2002微納電子技術(shù)2002年第 1期中國煤化工MYHCNMHG專(zhuān)家論談忠Expert Forum日前工藝技術(shù)上的工作集中在兼容性和一些模型相結合，可以形成良好的設計與制造的接口:關(guān)鍵[藝如防粘連工藝(Anti-Stick) 的研究上。8結束語(yǔ)采用混合集成技術(shù)實(shí)現RF MEMS系統也受到廣泛重視，人們認為:采用混合集成技術(shù)的RF在過(guò)去10年，RFMEMS的基礎技術(shù)獲得了MEMS將首先進(jìn)入市場(chǎng)。深人研究，也遂漸被無(wú)線(xiàn)系統的設計者所熟悉:在微波單片設計和微波混合電路設計中都發(fā)展較7 RF MEMS設計仿真快。一些研究部門(mén)建立了多用戶(hù)MFMS加工基地。-般的設計步驟是采用通常的微波設計軟件一些大公司在原有CMOS或GaAs研究、生產(chǎn)線(xiàn)基進(jìn)行微波性能模擬，得到插人損耗、隔離度、駐礎上實(shí)現與RF MEMS的兼容工藝線(xiàn).形成標準T波等指標，采用有限元模擬軟件進(jìn)行機械性能模藝文件和用戶(hù)設計規則。為用戶(hù)提供軟件設計環(huán)擬得到驅動(dòng)電壓、開(kāi)關(guān)延遲等指標。境，將研究結果進(jìn)人設計模型庫實(shí)現累積式發(fā)展。在較低的工.作頻段，可以采用集總的MEMS在未來(lái)10年，RF MEMS 技術(shù)將逐漸成熟，微機器件模型進(jìn)行分析，但是由于RFMEMS器件的優(yōu)械開(kāi)關(guān)、可變電容、電感和濾波器將成功應用于勢在于較高頻段，使得場(chǎng)模擬技術(shù)成為主流技術(shù)。各種微波系統。有限元模擬一般采用模態(tài)分析和多物理場(chǎng)耦合分析等技術(shù)。將商用軟件集成起來(lái)，基本能夠梁春廣電子+三所副所長(cháng)，中國」程院院上-形成軟件設計環(huán)境，而與多用戶(hù)加工基地的工藝業(yè)界快訊單分子器件'D人們從理論上預測，單分子器件有可能實(shí)現數字敢子型計算機的性能。理論依據是因單分f器件在單個(gè)分子內能夠連續進(jìn)行轂流子輸送。連接電極間的分子如果是對稱(chēng)分子，單分子器件將呈現連續的導電特性:如果是非對稱(chēng)分了將產(chǎn)生永久環(huán)路電流:日前的數字非量子型結構的信息處埋器性能與器件數和開(kāi)關(guān)頻率之積幾乎成正比。即器件的速度越快、數量越.多。性能就越好。若對目前微處理器的性能，從器件數和開(kāi)關(guān)頻率兩個(gè)參數來(lái)重新審視的話(huà)，器件數和開(kāi)關(guān)頓韋雙方幾乎是等倍率增大，每5年提高約10倍。從繼電器、真空管、晶體管、LSI這樣的信息處理器件發(fā)展歷史可知，器件每進(jìn)化- -代， 信息技術(shù)就發(fā)生一次重大變革。按這種趨勢推斷，ULsI 的下一代器件，速度應為1THz，集成度1C/mm'。這樣的器件就是分子器件。與目前性能最好的微信息處理器的器件數和開(kāi)關(guān)頻率之和相比，高出5-6個(gè)數量級。速度在ITHz 以上、集成度IC/mm2 以上的結構體，必須是納米結構。為了實(shí)現納米級的超微細結構，需要能操縱分子的技術(shù)(納米技術(shù))。目前的微細加L技術(shù)，不得不允許10%以上的尺寸誤差。假如采用納米技術(shù)，就叮以按設計的尺來(lái)裝配。不僅尺寸，更重要的是可以按設計實(shí)現分子、電了狀態(tài)。納米技術(shù)不僅可以用f納米級晶體管.還可用十存儲器件、發(fā)光器件、激光器、光敏器件、顯示器件和傳感器等。這些納米器件可望在解決仝球變曖和環(huán)境污染等人類(lèi)面臨的雌題方面發(fā)揮極大作用。從而給人類(lèi)生活帶來(lái)余新的變化。目前的超級計算機所具有的超級性能.若改用納米技術(shù)和納米器件，其尺寸只要眼鏡大小就可以實(shí)現(量子計算機)。它可以具有龐大的數據基礎存儲和多種語(yǔ)言同時(shí)翻譯功能，各種語(yǔ)言之間的隔墻將被拆除，世界各田、各民族之間的文化、技術(shù)交流將變得板為方便.資料來(lái)源:日經(jīng)>{夕口升八大，2001; 5: 62(何耀宇)微納電子技術(shù)2002 年第1期(8)中國煤化工HYHCNMHG