1、20102012年MEMS發展報告RF MEMS第一章 緒論RF MEMS是指利用MEMS技術加工出來的尺寸在微米到毫米量級的射頻器件，能夠對射頻信號進行控制。和傳統的射頻器件相比，RF MEMS器件不僅尺寸更小，更加容易與單片電路集成，性能上也有了大的提高（例如低插損、線性、寬帶、低功耗），可替代傳統的PIN 二極管和同類鐵氧體產品。）按照RF MEMS研究層面的不同，可以將其分為三類：基本器件：微機械開關，可變電容，電感，諧振器。組件層面：移相器，濾波器，壓控振蕩器。系統層面：接收機，變波束雷達，相控陣天線。RF MEMS器件的工作頻率如下： （1）RF MEMS開關、變容器和電感器，可工

2、作在DC120GHz范圍。 （2）微加工傳輸線、高Q 諧振器、濾波器和天線，適合于12200 GHz范圍。 （3）FBAR（薄膜體聲諧振器）和濾波器，直到3GHz都表現出優異的性能和高Q 值（>2000 ）。 （4）RF微機械諧振器和濾波器，在0.01 200MHz 性能較好并有高Q 值（>8000 ）。 圖1 給出了RF MEMS器件工作頻率范圍。圖1 RF MEMS 器件工作頻率范圍圖2 給出了RF MEMS技術的應用領域和范圍；圖3 給出了RF MEMS開關的應用領域。圖2 RF MEMS 的應用領域與應用范圍圖3 RF MEMS開關的應用領域第二章 技術發展2.1國外RF

3、MEMS技術發展現狀2.1.1 國外RF MEMS 開關的研究19901991年，在DARPA（美國國防預先研究計劃署）資助下，位于加州Malibu 的Hughes（休斯實驗室）研制出微波控制的第一個MEMS開關（和變容器）。它證實了直到50GHz 范圍內MEMS 開關的優異性能，比用GaAs器件實現的任何開關性能都要好得多。到1995年，Rockwell （羅克韋爾）科學中心和TI （德州儀器）公司均研制出性能優異的RF MEMS開關。Rockwell 開關是金屬金屬接觸式的開關，適合于DC60GHz應用，而TI 開關是電容式接觸開關，適合于10120GHz 應用。1998年，Michiga

4、n（密歇根）大學、UC Berkeley（加州大學伯克萊分校）、Northeastern（東北）大學、MIT（麻省理工學院）材料實驗室、Columbia （哥倫比亞）大學、ADI （模擬器件）公司、Northrup Grumman公司等都積極研究RF MEMS 器件。2001年，30多個公司都從事RF MEMS研究，其中包括消費電子產品的巨人，如Motorola（摩托羅拉）公司，Analog Devices（模擬器件）公司，Samsung （三星）公司，Omron （奧姆龍）公司，NEC公司和ST- 微電子（意法半導體公司）。2003年密歇根大學的Dimitrios Peroulis等人采用三

5、層梁結構，加大電極區面積以及蛇形梁降低彈性系數的方法實現了低驅動電壓開關，驅動電壓低至6V。2005年新加坡南洋理工大學的A.B. Yu等人為了提高MEMS開關的隔離度，采用分兩步旋涂光刻膠的方法，首先在地線和信號線之間用光刻膠填滿空隙，再在其上旋涂光刻膠犧牲層，這樣可以保證犧牲層表面的平整度，提高開關電容比，進而提高隔離度。和一般的開關相比，該開關在15GHz頻率時隔離度提高了2.2dB，在40GHz頻率時隔離度提高了10dB。2006年，英國帝國理工學院的Suneat Pranonsatit等人研制了一種單刀八擲開關，平均接觸電阻為2.5，20GHz頻率下的插入損耗為2.65dB，隔離度3

6、1dB，這是第一個真正的單刀多擲RF MEMS 旋轉開關。2007年，DavidA.Goins等人開發了一種性能優異的接觸式開關，它在DC20GHz頻率上都能良好地工作，插入損耗小于0.4dB，20GHz時的隔離度為25dB。2008年，法國的M. Fernandez-Bolanos等人研制了一種電容式開關，為了防止在Si/SiO2襯底上形成反型層，在硅襯底上生長了一層無定型硅，防止電子積累。進一步的，在信號線和地線之間進行了下刻蝕，去除了信號線附近的部分硅襯底，避免了在信號線了地線之間形成信號通道。在該開關中采用TiO2作為介電層材料（介電常數=20），獲得高電容比。該開關的電容比為200，

7、驅動電壓為8V。2008年，澳大利亞新南威爾士的Hamood Ur Rahman設計的新穎結構的接觸式開關，驅動電壓低至6.29V，40GHz頻率范圍一下的插入損耗為0.37dB，隔離度23.5dB。2009年，Jaehong Park等人為了避免接觸式開關（包括金屬-金屬結構和MIM結構）的微焊接和粘附等相關問題，采用梳齒結構（1000對梳齒）進行驅動。該開關的驅動電壓為25V，插入損耗0.29dB，隔離度30.1dB。2011年，Chirag D. Patel等人研制的接觸式開關在懸臂梁側面和錨點相連，增加了回復力，此開關驅動電壓為61V，up態電容為24fF，下拉時間為6.4s。2012

8、年，北京大學的X.J. He等人基于HfO2作為絕緣層材料，設計了一個電熱驅動的側面電容式開關。由于HfO2的高介電常數和電，熱隔離性能，器件的隔離度高達60dB(35GHz)。2012年，Montserrat Fernández-Bolaños Badía，用氮化鋁取代氮化硅做絕緣介質，隔離度提高了-12dB，插入損耗減小了22dB，氮化鋁開關能夠減小殘余或者注入介質層的電荷。美國DARPA及NASA 等國防及空間科研管理機構在20世紀90年代就開展了RF MEMS研究計劃，包括NASA 的SOAC （芯片級系統）、DARPA的MAFET（微波及模擬前端技術）、

9、LCCMD（低成本巡航導彈防御系統）、MEM- Tenna（MEMS 天線）、RECAP（可重構孔徑）項目、ACN （自適應C4ISR 節點）計劃，研究用于機載微型雷達、彈載微型化射頻前端、空間皮衛星等的RF MEMS技術。 RF MEMS開關在航空航天領域應用的實例之一是美國20022004財年的“ 用于空間運用的DARPAMEMS 和微技術” 項目，通過新一代RF MEMS 開關技術，以及通信協議和地面操作的改進，以實現利用小電源維持長時間的在軌運行。美國馬薩諸塞州的Radant 技術公司在AFRL（空軍研究實驗室）和DARPA的參與下開發完成的一種結實可靠的MEMS 開關產品，體積只有1

10、.5mm3，使用圓片級封裝來保護 MEMS 的開關結構，其在10微秒的時間內移動小于1 微米。該開關在多個美國國防部實驗室內進行了測試，經受了超過7000億次的開合試驗，具有非常高的可靠性，這是以前從未達到過的結果。 研究結果表明，RF MEMS開關相對傳統開關具有明顯的性能優勢（低插損、線性、寬帶、低功耗），可替代傳統的PIN 二極管和同類鐵氧體產品，適用于移相器、陣列天線、有源相控陣雷達、天線等復雜系統。2.1.2 國外RF MEMS移相器的研究在Ka波段，典型的MEMS 移相器采用開關線型和DMTL （分布式MEMS 傳輸線）型。如Raytheon 公司1999年報道的MEMS ESA用

11、硅基Ka波段移相器（圖4 ），使用開關線移相器原理 ，3位和4位數字移相器，工作頻率34GHz ，4位數字移相器芯片尺寸10mm×5mm，基態相移誤差13°。RSC公司2003年報道Ka波段GaAs襯底3位移相器（圖5 ），工作頻率35GHz，平均損耗2.2dB，芯片尺寸3.5mm×2.6mm，該移相器從DC40GHz 實現了TTD網絡的功能。UoM（密歇根大學）2002年報道Ka波段石英基底的2 位DMTL移相器（圖6），工 作頻率38GHz，平均損耗1.5dB。圖4 Raytheon 公司硅基Ka波段移相器圖5 3位Ka波段開關線MEMS 移相器圖6 2位Ka

12、波段DMTL 移相器2003年、2004年DARPA支持RMI （Radant MEMS公司）公司和Memtronics 公司為首的研制團隊開展MEMS 相控陣天線的研究，在RF MEMS 器件的封裝技術和可靠性技術上進行了深入的研究，目前RMI 開關（圖7）的工作壽命達到1010次；據稱Memtronics MEMS開關（圖7）報道的工作壽命達到5×1011次，工作年限超過15年。 圖7 RMI MEMS開關MEMS 開關 圖8 Memtronics MEMS開關2005年，Giancarlo Bartolucci等人基于RF MEMS并聯開關對移相器進行了設計，但僅僅停留在設計階

13、段，并沒有對移相器進行加工和測試。主要原因是RF MEMS開關的性能和一致性還達不到要求。2008年，法國的Benjamin Lacroix等人研制了一種DMTL RF MEMS移相器，分布式傳輸線使用了RF MEMS開關電容，此電容由25V電壓驅動，開關時間在1s左右。所研制的90°和180°移相器長度分別為4.5mm和8.5mm，在20GHz頻率下測得的插入損耗分別小于0.8dB和1.8dB。2009年，Cristiano Palego等人設計了一種3bit Ka波段移相器，這種移相器基于MEMS 電容式開關，具有小于1dB的插入損耗，和大于20dB的回波損耗。2011

14、年，Songbin Gong等人研制的V波段2bit移相器采用了接觸式的單刀四擲開關，該移相器的插入損耗為2.5dB，回波損耗小于12dB。在60GHz的信號頻率下，相位誤差小于1°。基于MEMS 開關的MEMS 移相器體積小、重量輕、具有實現低成本的巨大潛力、其低插損特性等于省卻了功放或放松了對功放的要求，而其他RF MEMS器件（如MEMS 可調濾波器，這是支持先進的STAR 波形的關鍵器件）的研究方面也已取得了一定的成績，這為開發低成本、微型化的彈載新型相控陣系統提供了重要技術前提和基礎。無論對有源相控陣體制還是無源相控陣體制，RF MEMS技術均能提供較好支持。前述美軍PAT

15、S項目的主要技術途徑是通過采用RF MEMS技術的相控陣導引頭，提高天線掃描速度和節省空間。總結國外RF MEMS發展，RF/微波MEMS 的研究集中如下幾個方面：（1 ）減小襯底損耗實現高Q 值無源元件，例如先后采用Si 、GaAs、SiC、GaN 、無機/ 有機襯底等； （2 ）設計可動的RF/微波 MEMS/NEMS新結構器件； （3 ）高可靠性、高功率以及高頻率的RF MEMS器件； （4 ）單片集成技術和系統封裝（SiP）技術 （5 ）與納米技術結合，研制頻率更高、損耗更小的RF MEMS/NEMS器件。2.2國內RF MEMS技術發展現狀1994年在國家自然科學基金支持下，開始了RF MEMS的研究探索，1996年國防預先研究計劃開始列入RF MEMS 研究課題，1998年國家973計劃有1 個二級課題研究RF MEMS。目前已經開展了微波 MEMS 電容、電感、開關、移相器、濾波器、天線等器件的探索研究。國內研制的MEMS 器件主要基于微波的低頻段，還處于器件性能的探索研究階段，還未真正系統開展RF MEMS器件研究；開展了硅基 RF MEMS的關鍵工藝研究，但在RF MEMS器件的封裝、可靠性等方面還存在嚴重不足，設計、工藝能力有待拓展。下面列舉一些國內高校在RF MEMS研究方面的進展：2000年東南大