專家論談Expert ForumRFMEMS技術梁舂廣(電子13所，河北石家莊050051)摘要:通信收發(fā)機、天線等無線設備的發(fā)展趨勢是高性能、小體積、低成本。微電子機械系統(tǒng)技術在這一趨勢中顯現(xiàn)了技術潛力。本文闡述了RF MEMS技術的現(xiàn)狀。關鍵詞:微電子機械;單片集成;微波混合電路中國分類號: 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開關通過在微波傳輸線上的可動結構實現(xiàn)微1前言波信號的通斷，分成并聯(lián)開關和串聯(lián)開關兩類。RF MEMS 的研究目標是實現(xiàn)集成在單芯片上并聯(lián)開關通過可動結構在共平面波導線的信號線.的RF系統(tǒng)。RFMEMS的研究集中在兩個方面,與地線之間制造-一個可變電容，在幾十fF和幾pF(1)減小襯底損耗實現(xiàn)高Q值無源元件; (2) 設之間跳變實現(xiàn)微波信號的通斷。并聯(lián)開關在X波計可動的RF MEMS新結構器件。RF MEMS的優(yōu)段以.上隔離度才能滿足要求。具有使用價值。勢在于可以實現(xiàn)一些新的性能和能夠單片集成高Raytheon實驗室研制的并聯(lián)開關代表當今最高水性能的無源器件。半，典型性能為:驅動電壓30V,開關延遲10μe.RF MEMS技術包含幾個層面:由微機械開在30CHz時，插人損耗小于0.2dB，隔離度大于關、可變電容、電感、諧振器組成的基本器件層40dB。串聯(lián)開關將微波傳輸線斷開，通過中間懸面:由移相器、濾波器、VC0等組成的組件層面:浮的微帶線的運動實現(xiàn)微波傳輸線的通斷。串聯(lián)由單片接收機、變波柬雷達、相控陣天線組成的開關低頻端的隔離度較高，RSC 代表了串聯(lián)開關應用系統(tǒng)層面的當今最高水平:驅動電壓30V，開關延遲10μs,目前有4類RF MEMS器件接近于應用，它們在3CHz時插入損耗0.2dB.隔離度大于50dB_是微機械開關，可變電容、電感和濾波器。和現(xiàn)有的PIN開關和FET開關相比，RFMEMS開關的優(yōu)點是插人損耗小、驅動功耗小、能2RFMEMS可動結構夠實現(xiàn)單片集成。RFMEMS開關的缺點是驅動電上要包括RF MEMS開關和可變電容，RF壓高、隔離度低、開關速度慢。針對驅動電壓的收稿日期: 2001-11-16微納電子技術2002 年第1期(6)Mioronanorlodronin .Tunhnoligy,. Janwry Irr中國煤化工YHCNMHG專家論談Expert Forum問題，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.并實現(xiàn)了單片集先進科技研究所先后將驅動電壓降到8V，5V。目成。和PIN或FFT實現(xiàn)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開關的方小，驅動功率小(μW級)的優(yōu)勢。案，能比普通結構提高15dB以上.對于開關速度(2)濾波器的問題，目前還沒有太多的解決辦法，只能在應采用高(值的MEMS電容、電感實現(xiàn)的單片用中揚長避短e濾波器，由于電容、電感的白振頻率和Q值的提RF MEMS開關具有單刀單擲、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，還能實現(xiàn)電調濾波器。另外。也與MMIC集成的產品進入市場。有人研究高Q值的機械濾波器用于信號處理，頻MEMS可變電容酒過靜電力調節(jié)電容間隙或電率能達到100kHz，Q值大干5000。容面積,調節(jié)系數(shù)能夠達到20:1以上,術加電壓時(3)壓控振蕩器(VC0)的電容值可以從VHF頻段時的幾pF到X波段的采用MEMS電調可變電容可以實現(xiàn)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、電感可以實現(xiàn)較高的Q值.因此百，和傳統(tǒng)的肖特基或pn結可變電容相比,在調節(jié)相應的VC0的相位噪聲較低。哥倫比亞大學實現(xiàn).系數(shù)和Q值方面(調節(jié)系數(shù)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1000GHz。5 RF MEMS的應用系統(tǒng)3RFMEMS高Q值無源器件(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、傳輸線是提高電路性能的重要因素。采用中實現(xiàn)單片或兩片集成收發(fā)機，提高性能的同時,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。對于電容和傳輸線來說，主要手段是將器件制造(2)變波東大線在介質薄膜上。對于電感，人們提出了很多新結天線是將微波在傳輸線和空間之間轉換的設構:例如將金屬線圈懸空制造在芯片表面以t;備，將MEMS技術應用于天線中，主要技術是采將金屬線圈纏繞在芯片表面的磁棒上:靠內應力.用RFMEMS開關改變天線的頻率和波束特性、月將金屬線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(xiàn)在兩個方面: (a) 獲得簡50化結構的相控陣天線，美國開展的RFCAP研究i計采用RF MEMS技術可以制造高Q值諧振器,劃僅用原來1/n的單元實現(xiàn)了nxn的相控陣天線:其優(yōu)勢在于可以實現(xiàn)單片集成。目前達到的技術(b) 獲得可變頻率、波束特性的天線，用一個天水平是Q值大于5000以上，諧振頻率達到線體現(xiàn)多個天線的功能。100MHz.它的技術難點在于提高諧振頻率。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，該技術的典型是Cronos 公司的多用戶MEMS(1)數(shù)字移相器工藝(MUMPS)。由于RF MEMS的最終H標是實由于相控陣雷達上的應用需求，數(shù)字移相器現(xiàn)單片微波系統(tǒng)，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(shù)百工藝和CaAs工藝相兼容的兩類。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公司的研究處于領先水平，X波段4勢、Mononorlndtrnir Fouhrndegy Fawary 2002微納電子技術2002年第 1期中國煤化工MYHCNMHG專家論談忠Expert Forum日前工藝技術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:關鍵[藝如防粘連工藝(Anti-Stick) 的研究上。8結束語采用混合集成技術實現(xiàn)RF MEMS系統(tǒng)也受到廣泛重視，人們認為:采用混合集成技術的RF在過去10年，RFMEMS的基礎技術獲得了MEMS將首先進入市場。深人研究，也遂漸被無線系統(tǒng)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。一些研究部門建立了多用戶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、生產線基進行微波性能模擬，得到插人損耗、隔離度、駐礎上實現(xiàn)與RF MEMS的兼容工藝線.形成標準T波等指標，采用有限元模擬軟件進行機械性能模藝文件和用戶設計規(guī)則。為用戶提供軟件設計環(huán)擬得到驅動電壓、開關延遲等指標。境，將研究結果進人設計模型庫實現(xiàn)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10年，RF MEMS 技術將逐漸成熟，微機器件模型進行分析，但是由于RFMEMS器件的優(yōu)械開關、可變電容、電感和濾波器將成功應用于勢在于較高頻段，使得場模擬技術成為主流技術。各種微波系統(tǒng)。有限元模擬一般采用模態(tài)分析和多物理場耦合分析等技術。將商用軟件集成起來，基本能夠梁春廣電子+三所副所長，中國」程院院上-形成軟件設計環(huán)境，而與多用戶加工基地的工藝業(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現(xiàn)數(shù)字敢子型計算機的性能。理論依據是因單分f器件在單個分子內能夠連續(xù)進行轂流子輸送。連接電極間的分子如果是對稱分子，單分子器件將呈現(xiàn)連續(xù)的導電特性:如果是非對稱分了將產生永久環(huán)路電流:日前的數(shù)字非量子型結構的信息處埋器性能與器件數(shù)和開關頻率之積幾乎成正比。即器件的速度越快、數(shù)量越.多。性能就越好。若對目前微處理器的性能，從器件數(shù)和開關頻率兩個參數(shù)來重新審視的話，器件數(shù)和開關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，器件每進化- -代， 信息技術就發(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(shù)和開關頻率之和相比，高出5-6個數(shù)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。為了實現(xiàn)納米級的超微細結構，需要能操縱分子的技術(納米技術)。目前的微細加L技術，不得不允許10%以上的尺寸誤差。假如采用納米技術，就叮以按設計的尺來裝配。不僅尺寸，更重要的是可以按設計實現(xiàn)分子、電了狀態(tài)。納米技術不僅可以用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)境污染等人類面臨的雌題方面發(fā)揮極大作用。從而給人類生活帶來余新的變化。目前的超級計算機所具有的超級性能.若改用納米技術和納米器件，其尺寸只要眼鏡大小就可以實現(xiàn)(量子計算機)。它可以具有龐大的數(shù)據基礎存儲和多種語言同時翻譯功能，各種語言之間的隔墻將被拆除，世界各田、各民族之間的文化、技術交流將變得板為方便.資料來源:日經>{夕口升八大，2001; 5: 62(何耀宇)微納電子技術2002 年第1期(8)中國煤化工HYHCNMHG