RF MEMS-射頻微機(jī)電系統(tǒng)

1、RF MEMS射頻微機(jī)電系統(tǒng)吳群教授關(guān)鍵詞:Microelectromechanical system,Radio frequency微機(jī)電系統(tǒng)(Microelectromechanical system代表了一項(xiàng)與集成電路制造工藝相同的新興技術(shù),在射頻與微波領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。無(wú)線通信發(fā)展的趨勢(shì)是縮小系統(tǒng)尺寸、降低成本和功耗。本文綜述了當(dāng)前國(guó)際上MEMS技術(shù)的最新發(fā)展現(xiàn)狀,對(duì)在射頻與微波應(yīng)用的各種MEMS器件關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討。最后展望了未來(lái)的發(fā)展前景。引言未來(lái)的射頻與微波系統(tǒng)要求更加靈活、更加復(fù)雜,而同時(shí)又要求體積小、重量輕和功耗低。目前最熟悉的應(yīng)用就是無(wú)線通信領(lǐng)域,諸如手機(jī)、無(wú)線接入、全球

2、定位系統(tǒng)和藍(lán)牙技術(shù)。據(jù)信,能夠?qū)崿F(xiàn)上述功能的最有前途的就是與現(xiàn)今集成電路和單片微波集成電路相兼容的平面制造工藝技術(shù)-微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS。MEMS是微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的具有多學(xué)科交叉和滲透的新興學(xué)科。二十一世紀(jì)人們將實(shí)現(xiàn)把硅/鍺有源器件、微加工元件與MEMS器件集成到一塊晶片中1。對(duì)新世紀(jì)里的科學(xué)技術(shù)、生產(chǎn)方式和人類生產(chǎn)質(zhì)量都將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響,被認(rèn)為是關(guān)系到國(guó)家科學(xué)技術(shù)發(fā)展、國(guó)防安全和經(jīng)濟(jì)繁榮的關(guān)鍵技術(shù)。在美國(guó)被國(guó)防部先進(jìn)技術(shù)署(DARPA確定為美國(guó)高技術(shù)領(lǐng)域的優(yōu)先發(fā)展的新技術(shù)。我國(guó)MEMS研究起步較早,在時(shí)間上同國(guó)外差距不大,在MEMS微型傳感器、執(zhí)行器等研究已有許多成果。但在MEMS

3、射頻與微波應(yīng)用領(lǐng)域,我國(guó)還處于剛剛起步階段。MEMS是結(jié)合電和機(jī)械元件并利用集成電路批量加工工藝、尺寸在微米到毫米的微型器件或器件陣列。MEMS加工技術(shù)采用常規(guī)的集成電路加工工藝制造三維機(jī)械結(jié)構(gòu),相應(yīng)的廣泛應(yīng)用的MEMS加工技術(shù)包括硅表面加工、體加工、裂變鍵合和LIGA加工(采用X射線光刻、電鑄、及注塑工藝。其中,表面加工是最為重要的技術(shù)。MEMS器件用于射頻與微波領(lǐng)域具有執(zhí)行速度快、損耗低和品質(zhì)因數(shù)高的優(yōu)點(diǎn),是最有吸引力和競(jìng)爭(zhēng)力的2?？梢哉f(shuō),MEMS技術(shù)代表了微電子領(lǐng)域新的革命3。本文從射頻與微波的觀點(diǎn)回顧了MEMS技術(shù)進(jìn)展,重點(diǎn)討論在射頻與微波領(lǐng)域應(yīng)用的MEMS開(kāi)關(guān)、濾波器、電感、可變電容

4、以及移相器技術(shù)4。本文的宗旨是喚起對(duì)射頻與微波MEMS研究的重視,加強(qiáng)基礎(chǔ)研究,在較短時(shí)間內(nèi)迅速趕上國(guó)際發(fā)展水平。電容/開(kāi)關(guān)用于射頻與微波領(lǐng)域最成熟的MEMS器件當(dāng)屬開(kāi)關(guān)。它們都是采用靜電吸合達(dá)到形狀變化,有懸臂式、膜片式、形狀記憶合金和單刀多擲開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)6。執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括靜電力、壓電、熱變形、磁力吸合、雙金屬片的形式。經(jīng)對(duì)這些執(zhí)行方式進(jìn)行大量的研究之后,認(rèn)為它們當(dāng)中應(yīng)用于射頻器件以靜電執(zhí)行方式是最成熟的技術(shù)。MEMS開(kāi)關(guān)作為基本元件,可形成其他類型的元件,如可調(diào)濾波器、開(kāi)關(guān)式衰減器、變形天線元、移相器、多工器和組成其他電路與系統(tǒng)7-9。在100 MHz 至30 GHz的頻率范圍,由于插入損耗可小

5、于1 dB使得硅微加工工藝被用來(lái)制作射頻MEMS開(kāi)關(guān)10。硅微加工工藝與目前的硅制造工藝和GaAs制造工藝相兼容而實(shí)現(xiàn)了較低廉的制造成本。微加工開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)就是僅需要很低的電源電壓并且壽命長(zhǎng)。開(kāi)關(guān)速度可達(dá)0.1-1 微秒而直流電壓低于3伏特。這些元件集成到現(xiàn)今的陶瓷或玻璃纖維基片上的無(wú)源電路可實(shí)現(xiàn)低的互連損耗和低的寄生參量。目前射頻MEMS開(kāi)關(guān)按動(dòng)作執(zhí)行結(jié)構(gòu)分為串聯(lián)和并聯(lián)形式兩種。對(duì)于串聯(lián)形式,開(kāi)關(guān)動(dòng)作執(zhí)行時(shí)頂部電極推下實(shí)現(xiàn)信號(hào)接通,而并聯(lián)形式開(kāi)關(guān)動(dòng)作執(zhí)行時(shí)則是把信號(hào)線與地線連接11。典型的并聯(lián)容性MEMS開(kāi)關(guān)是由一金屬膜片的兩端分別固定于共面線波導(dǎo)的接地導(dǎo)體上并懸置在共面線波導(dǎo)的中心導(dǎo)體之

6、上形成一個(gè)“橋”。金屬膜片結(jié)構(gòu)的MEMS開(kāi)關(guān)具有低的插入損耗、低的開(kāi)關(guān)執(zhí)行電壓、快的開(kāi)關(guān)速度和良好的線性度12。此工藝制作的調(diào)諧式十字開(kāi)關(guān)在關(guān)閉時(shí)的電容為0.8 pF,斷開(kāi)時(shí)的電容為0.05 pF。在22-38GHz頻率范圍上反射系數(shù)小于20 dB、插入損耗僅 0.6 dB。在20-40 GHz頻率范圍上隔離度大于40 dB。開(kāi)關(guān)的執(zhí)行電壓為15-20 V13與傳統(tǒng)的場(chǎng)效應(yīng)管或PIN二極管的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件相比,MEMS 具有極低的串聯(lián)電阻和低的執(zhí)行功率消耗,因而,損耗非常低。此外,用于無(wú)線通訊領(lǐng)域因MEMS開(kāi)關(guān)無(wú)半導(dǎo)體結(jié)效應(yīng)而降低互調(diào)失真。表1 對(duì)MEMS開(kāi)關(guān)與場(chǎng)效應(yīng)管或PIN二極管的半導(dǎo)體開(kāi)

7、關(guān)器件進(jìn)行了比較。目前有各種MEMS的研究報(bào)道。它們大多數(shù)都是采用旋轉(zhuǎn)14、懸臂1516或膜片17-19拓?fù)湫问接少v射或金屬薄膜蒸發(fā)和氮化硅或二氧化硅材料組成。通常,開(kāi)關(guān)是靜電力控制的,偏置電壓范圍在30 至50 V。為了實(shí)現(xiàn)低插入損耗和低的控制電壓,對(duì)各種應(yīng)用鍍金和鍍銅構(gòu)成的傳輸線、絞合和可運(yùn)動(dòng)平板進(jìn)行了大量的研究。采用高介電常數(shù)的氧化鍶鈦酸鹽材料能提高的開(kāi)/關(guān)隔離度。最新制作的開(kāi)關(guān)插入損耗在10 GHz時(shí)才0.08 dB,在5 GHz時(shí)的隔離度為 42 dB20。業(yè)已證明,高性能RF MEMS開(kāi)關(guān)執(zhí)行電壓可做到9 V 21,隔離度大于 45 dB 22.最近,一種由兩層多晶硅和兩接地面構(gòu)成

8、的RF MEMS容性開(kāi)關(guān)被用于三維多層電路結(jié)構(gòu)的單片微波集成電路收發(fā)模塊,這種開(kāi)關(guān)在“斷”的狀態(tài)下具有高的隔離度而在“通”的狀態(tài)下具有相當(dāng)?shù)偷牟迦霌p耗23可變電容有兩種類型的可變電容,一種是平行板結(jié)構(gòu),另一種是交指結(jié)構(gòu)。對(duì)于平行板結(jié)構(gòu),頂板通過(guò)懸掛彈簧距底板懸起一定的距離,而距離大小的調(diào)整是利用兩極板間所加電壓所形成的靜電力來(lái)控制。通常,這種電容值在 1 GHz 時(shí)可達(dá)2.05 pF,Q 值達(dá)到20。當(dāng)頻率超過(guò)5 GHz時(shí),調(diào)諧電壓為 0 到 4 V 可實(shí)現(xiàn)1.5:1的調(diào)諧范圍。對(duì)于交指結(jié)構(gòu),電容的有效面積是通過(guò)改變梳狀交錯(cuò)程度來(lái)實(shí)現(xiàn)。在500 MHz 頻率下,電容值為5.19 pF ,Q 值

9、為 34。電壓變化范圍為2 至 14 V 之間時(shí)的電容調(diào)諧范圍為200%24。采用多晶硅標(biāo)準(zhǔn)化制造工藝的表面微加工工藝制作的可變電容值在 1 GHz 時(shí)為1.4 pF , Q 值為23。在12 GHz時(shí)的Q 值為14。當(dāng)偏置電壓從 0V 到 5 V變化時(shí),電容的調(diào)諧范圍為1.4 pF到1.9 pF。該可變電容已用作為2.4 GHz CMOS 壓控振蕩器的調(diào)諧元件24。此外,用不同固定值的薄膜電容組合通過(guò)MEMS開(kāi)關(guān)與外電路連接起來(lái)還能構(gòu)成數(shù)字控制電容陣列25。利用表面微加工MESA工藝制作的懸置電感實(shí)現(xiàn)了24 nH的電感量和20到500 pF之間變化的可變電容器26。MEMS開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)考慮設(shè)計(jì)

10、MEMS開(kāi)關(guān)要考慮兩個(gè)重要因素:(1電氣參數(shù)(如開(kāi)關(guān)速度、變換時(shí)間、射頻功率容量、射頻損耗和隔離度等;(2RF性能(如插入損耗、隔離度、執(zhí)行電壓等。通常情況下,失配將導(dǎo)致插入損耗高27。表1 MEMS開(kāi)關(guān)與MESFET或PIN半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件性能比較。MESFET MEMS PIN0.5-1.03-5串聯(lián)電阻( <11GHz時(shí)的隔離度(dB>40 40 20-403-5 8控制電壓(V 3-30控制電流(A <10 10 <10開(kāi)關(guān)速度 ns級(jí) ns級(jí) ns級(jí)30-4540-60IP3(dBm >661dB壓縮點(diǎn)(dBm >33 25-30 20-35移相器傳

11、統(tǒng)的移相器都是制造在GaAs基片上,利用MESFET或pHEMT作為開(kāi)關(guān),是靠改變線長(zhǎng)度或切換不同的低通或高通濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)要求的相移量。然而,這些移相器損耗相當(dāng)大,在Ka波段,即使用性能最好的pHEMT作為開(kāi)關(guān)的4位移相器,其損耗大約在6.5dB。采用MEMS容性開(kāi)關(guān)利用兩段不同路徑的四分之一波長(zhǎng)變換延時(shí)構(gòu)成的4位移相器,在Ka波段能實(shí)現(xiàn)以22.5 度步進(jìn)、從0 到337.5度相移量。平均插入損耗僅2.25dB28-31。濾波器利用微加工工藝的懸臂式可變電容能構(gòu)成新穎的可調(diào)濾波器。此時(shí),電容作為頻率調(diào)諧帶通濾波器諧振電路的一部分。在Ka波段,二極集中參數(shù)元件濾波器的頻率選擇范圍為1.1GHz,

12、實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明微加工工藝的可調(diào)濾波器可用作在通訊領(lǐng)域的高度集成收發(fā)信機(jī)中32。MEMS 建模與仿真MEMS技術(shù)是微加工與集成電路制造工藝的結(jié)合。MEMS的設(shè)計(jì)主要包括下列幾個(gè)方面:MEMS器件的布線與工藝處理;MEMS器件與電路或系統(tǒng)的互連;MEMS器件的封裝。MEMS器件或子系統(tǒng)的CAD軟件還依賴于機(jī)械設(shè)計(jì)和IC設(shè)計(jì)規(guī)則。目前,在IC CAD工具的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)專門的MEMS CAD工具。最先出現(xiàn)的是在麻省理工學(xué)院Senturia 實(shí)驗(yàn)室的MEMS設(shè)計(jì)系統(tǒng),稱為 MEM CAD33。還有其他類似的軟件,如CRARY34。比較完善的CAD工具包括設(shè)計(jì)規(guī)則、各向同性刻蝕、參數(shù)提取和系統(tǒng)級(jí)仿真,并能

13、實(shí)現(xiàn)直到加工前的原理圖布線35。有的MEMSCAD工具有特殊要求,如能進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)分析的OYSTER36,和進(jìn)行刻蝕仿真的ASEP37。對(duì)于射頻MEMS開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì),全波分析電磁仿真軟件如HPs Momentum和Ansoft HFSS應(yīng)用較普遍38-40,和可進(jìn)行S測(cè)量和建模并完成參數(shù)提取的41。對(duì)于MEMS開(kāi)關(guān)的高頻性能數(shù)值仿真能和測(cè)量結(jié)果吻合較好的主要有MoL(Method of Lines42,TLM(Transmission Line Method 43。小結(jié)將來(lái),制作在硅片上的MEMS 器件能取代一些射頻元件,如陶瓷濾波器、繞線電感線圈等,MEMS 技術(shù)還被用來(lái)制作軍用的智能化或可調(diào)天線38。MEMS 的發(fā)展趨勢(shì)是在導(dǎo)航接收機(jī)、空載通訊設(shè)備和個(gè)人移動(dòng)通信系統(tǒng)中取代那些分立元件,如電感、電容、陶瓷濾波器,甚至晶體管開(kāi)關(guān)。它們可以與放大器、壓控振蕩器、鎖相回路與其他的集成電路集成在一起。RF MEMS 未來(lái)發(fā)展的優(yōu)越性可歸納如下:RF MEMS 能實(shí)現(xiàn)具有新的功能和性能的三維多層電路或系統(tǒng);硅材料和砷化鎵材料都能用來(lái)制造MEMS 器件。RF MEMS 設(shè)計(jì)中采用全波仿真軟件是當(dāng)前最有效的設(shè)計(jì)工具。微加工工藝能用來(lái)制造各種類型的高性能射頻器件和