RF MEMS技术

专家论谈Expert ForumRFMEMS技术梁舂广(电子13所，河北石家庄050051)摘要:通信收发机、天线等无线设备的发展趋势是高性能、小体积、低成本。微电子机械系统技术在这一趋势中显现了技术潜力。本文阐述了RF MEMS技术的现状。关键词:微电子机械;单片集成;微波混合电路中国分类号: TH703; TH70文章标识码: A文章编号: 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开关通过在微波传输线上的可动结构实现微1前言波信号的通断，分成并联开关和串联开关两类。RF MEMS 的研究目标是实现集成在单芯片上并联开关通过可动结构在共平面波导线的信号线.的RF系统。RFMEMS的研究集中在两个方面,与地线之间制造-一个可变电容，在几十fF和几pF(1)减小衬底损耗实现高Q值无源元件; (2) 设之间跳变实现微波信号的通断。并联开关在X波计可动的RF MEMS新结构器件。RF MEMS的优段以.上隔离度才能满足要求。具有使用价值。势在于可以实现一些新的性能和能够单片集成高Raytheon实验室研制的并联开关代表当今最高水性能的无源器件。半，典型性能为:驱动电压30V,开关延迟10μe.RF MEMS技术包含几个层面:由微机械开在30CHz时，插人损耗小于0.2dB，隔离度大于关、可变电容、电感、谐振器组成的基本器件层40dB。串联开关将微波传输线断开，通过中间悬面:由移相器、滤波器、VC0等组成的组件层面:浮的微带线的运动实现微波传输线的通断。串联由单片接收机、变波柬雷达、相控阵天线组成的开关低频端的隔离度较高，RSC 代表了串联开关应用系统层面的当今最高水平:驱动电压30V，开关延迟10μs,目前有4类RF MEMS器件接近于应用，它们在3CHz时插入损耗0.2dB.隔离度大于50dB_是微机械开关，可变电容、电感和滤波器。和现有的PIN开关和FET开关相比，RFMEMS开关的优点是插人损耗小、驱动功耗小、能2RFMEMS可动结构够实现单片集成。RFMEMS开关的缺点是驱动电上要包括RF MEMS开关和可变电容，RF压高、隔离度低、开关速度慢。针对驱动电压的收稿日期: 2001-11-16微纳电子技术2002 年第1期(6)Mioronanorlodronin .Tunhnoligy,. Janwry Irr中国煤化工YHCNMHG专家论谈Expert Forum问题，研究者设计了许多新结构、韩国LC电子和位移相器的插人损耗为2.5dB.并实现了单片集先进科技研究所先后将驱动电压降到8V，5V。目成。和PIN或FFT实现的移相器相比。具有损耗前提高隔离度比较好的方案是采用BST开关的方小，驱动功率小(μW级)的优势。案，能比普通结构提高15dB以上.对于开关速度(2)滤波器的问题，目前还没有太多的解决办法，只能在应采用高(值的MEMS电容、电感实现的单片用中扬长避短e滤波器，由于电容、电感的白振频率和Q值的提RF MEMS开关具有单刀单掷、单刀多掷等多高，插人损耗和工作带宽有较大改善。采用MEMS种结构，可方便地制造成阵列，并有分离器件和电调可变电容，还能实现电调滤波器。另外。也与MMIC集成的产品进入市场。有人研究高Q值的机械滤波器用于信号处理，频MEMS可变电容酒过静电力调节电容间隙或电率能达到100kHz，Q值大干5000。容面积,调节系数能够达到20:1以上,术加电压时(3)压控振荡器(VC0)的电容值可以从VHF频段时的几pF到X波段的采用MEMS电调可变电容可以实现vCo,由0.1pF"变化: 0值能够达到20以上，甚至能达到几于MEMS电容、电感可以实现较高的Q值.因此百，和传统的肖特基或pn结可变电容相比,在调节相应的VC0的相位噪声较低。哥伦比亚大学实现.系数和Q值方面(调节系数典型值30%,0值15)具了CMOS/MEMS单片集成的1.9CHz 的VC0.相位有明显优势。MEMS可变电容的工作频段很宽,理论噪声达到- 140dBe./Hz (3MHz):上的截止频率超过1000GHz。5 RF MEMS的应用系统3RFMEMS高Q值无源器件(1)微波收发机在单片微波集成电路设计中.商Q值的电感、上述RFMEMS器件组件能够用于微波收发机电容、传输线是提高电路性能的重要因素。采用中实现单片或两片集成收发机，提高性能的同时,MEMS工艺可以降低器件的衬底损耗，提高0值。降低了体积和成本。对于电容和传输线来说，主要手段是将器件制造(2)变波東大线在介质薄膜上。对于电感，人们提出了很多新结天线是将微波在传输线和空间之间转换的设构:例如将金属线圈悬空制造在芯片表面以t;备，将MEMS技术应用于天线中，主要技术是采将金属线圈缠绕在芯片表面的磁棒上:靠内应力.用RFMEMS开关改变天线的频率和波束特性、月将金属线圈向芯片上方伸展等，Q值能够达到20~前取得的成果主要体现在两个方面: (a) 获得简50化结构的相控阵天线，美国开展的RFCAP研究i计采用RF MEMS技术可以制造高Q值谐振器,划仅用原来1/n的单元实现了nxn的相控阵天线:其优势在于可以实现单片集成。目前达到的技术(b) 获得可变频率、波束特性的天线，用一个天水平是Q值大于5000以上，谐振频率达到线体现多个天线的功能。100MHz.它的技术难点在于提高谐振频率。解决6RFMEMS制造方法的方案是采用更小的结构尺寸。RFMFMS器件一殷采用表面微机械加工技4典型RF MEMS组件术，该技术的典型是Cronos 公司的多用户MEMS(1)数字移相器工艺(MUMPS)。由于RF MEMS的最终H标是实由于相控阵雷达上的应用需求，数字移相器现单片微波系统，RF MEMS工艺又分成与CMOS的研究者众多，T. 作频段可以从几CHz直到数百工艺和CaAs工艺相兼容的两类。在工作频段上，CHz.目前主要集中在X波段和Ku波段。前者--般只能达到5CHz左右，但具有成本低的优TI&Raytheon公司的研究处于领先水平，X波段4势、Mononorlndtrnir Fouhrndegy Fawary 2002微纳电子技术2002年第 1期中国煤化工MYHCNMHG专家论谈忠Expert Forum日前工艺技术上的工作集中在兼容性和一些模型相结合，可以形成良好的设计与制造的接口:关键[艺如防粘连工艺(Anti-Stick) 的研究上。8结束语采用混合集成技术实现RF MEMS系统也受到广泛重视，人们认为:采用混合集成技术的RF在过去10年，RFMEMS的基础技术获得了MEMS将首先进入市场。深人研究，也遂渐被无线系统的设计者所熟悉:在微波单片设计和微波混合电路设计中都发展较7 RF MEMS设计仿真快。一些研究部门建立了多用户MFMS加工基地。-般的设计步骤是采用通常的微波设计软件一些大公司在原有CMOS或GaAs研究、生产线基进行微波性能模拟，得到插人损耗、隔离度、驻础上实现与RF MEMS的兼容工艺线.形成标准T波等指标，采用有限元模拟软件进行机械性能模艺文件和用户设计规则。为用户提供软件设计环拟得到驱动电压、开关延迟等指标。境，将研究结果进人设计模型库实现累积式发展。在较低的工.作频段，可以采用集总的MEMS在未来10年，RF MEMS 技术将逐渐成熟，微机器件模型进行分析，但是由于RFMEMS器件的优械开关、可变电容、电感和滤波器将成功应用于势在于较高频段，使得场模拟技术成为主流技术。各种微波系统。有限元模拟一般采用模态分析和多物理场耦合分析等技术。将商用软件集成起来，基本能够梁春广电子+三所副所长，中国」程院院上-形成软件设计环境，而与多用户加工基地的工艺业界快讯单分子器件'D人们从理论上预测，单分子器件有可能实现数字敢子型计算机的性能。理论依据是因单分f器件在单个分子内能够连续进行毂流子输送。连接电极间的分子如果是对称分子，单分子器件将呈现连续的导电特性:如果是非对称分了将产生永久环路电流:日前的数字非量子型结构的信息处埋器性能与器件数和开关频率之积几乎成正比。即器件的速度越快、数量越.多。性能就越好。若对目前微处理器的性能，从器件数和开关频率两个参数来重新审视的话，器件数和开关顿韦双方几乎是等倍率增大，每5年提高约10倍。从继电器、真空管、晶体管、LSI这样的信息处理器件发展历史可知，器件每进化- -代， 信息技术就发生一次重大变革。按这种趋势推断，ULsI 的下一代器件，速度应为1THz，集成度1C/mm'。这样的器件就是分子器件。与目前性能最好的微信息处理器的器件数和开关频率之和相比，高出5-6个数量级。速度在ITHz 以上、集成度IC/mm2 以上的结构体，必须是纳米结构。为了实现纳米级的超微细结构，需要能操纵分子的技术(纳米技术)。目前的微细加L技术，不得不允许10%以上的尺寸误差。假如采用纳米技术，就叮以按设计的尺来装配。不仅尺寸，更重要的是可以按设计实现分子、电了状态。纳米技术不仅可以用f纳米级晶体管.还可用十存储器件、发光器件、激光器、光敏器件、显示器件和传感器等。这些纳米器件可望在解决仝球变暧和环境污染等人类面临的雌题方面发挥极大作用。从而给人类生活带来余新的变化。目前的超级计算机所具有的超级性能.若改用纳米技术和纳米器件，其尺寸只要眼镜大小就可以实现(量子计算机)。它可以具有庞大的数据基础存储和多种语言同时翻译功能，各种语言之间的隔墙将被拆除，世界各田、各民族之间的文化、技术交流将变得板为方便.资料来源:日经>{夕口升八大，2001; 5: 62(何耀宇)微纳电子技术2002 年第1期(8)中国煤化工HYHCNMHG