（检测技术与自动化装置专业论文）新型集成方式rf+mems开关.pdf

摘要 新型集成方式r fm e m s 开关 摘要 微波射频开关阵列是无线通信的重要元件。与传统的p i n 二极管和 c m o s 固态开关相比，射频微机电( r fm e m s ) 开关具有尺寸小、隔离 度高、插入损耗低、功耗低等特点。但是，r fm e m s 开关由于可靠性、 信号功率处理能力有限及封装整合等问题仍未实现商品化。 论文提出了一种新型的3 dr f m e m s 开关，这种开关将m e m s 驱动 器和波导结构分别独立加工，然后对准键合在一起。基于键合微平台技 术，设计了一种电容式并联开关。开关包含下拉和上拉两个驱动电极， 射频衬底采用高阻硅材料，开关结构采用低阻单晶硅。论文分析了高阻 硅和金属线问插入的s i o ：层对射频电路性能的影响。理论分析表明，在 高阻硅和s i o ：层之问插入一层很薄的低掺杂多晶硅层，有助于减轻 s i o j s i 分界面处表面电荷的累积，既可以实现很好的直流隔离，又不会 恶化射频损耗特性。开关结构设计中，采用低弹簧常数的弯曲折叠梁以 降低驱动电压，利用能量法推导了弯曲折叠梁的弹簧常数表达式，具有 较高的精度。然后，进行吸合电压、品质因子、自驱动和功率处理能力 等静态和动态分析，评估开关的性能参数。通过有效控制开关结构与上 拉、下拉电极的间隙，既能降低驱动电压( 1 0 0 ) ，还能够提高射频功率处理能力。另外，通过在开关结构上 灵活地改变影响射频性能的电容板面积和感性金属线，从而将开关调谐 在最大隔离度的频率。 与表面加工技术相比，这种基于键合的微平台设计新思路，更有利于 降低薄膜中的残余应力，能够灵活地控制m e m s 标准部件和射频部件， 便于大规模开关网络相控阵列、天线阵列中应用。而且能够充分发挥m e m s 研发机构、i c 企业和晶圆代二 厂各自的优势，为m e m s 集成和商品化提供 很有价值的参考。 关键词r fm e m s ，开关，键合微平台，功率处理能力 北京邮电大学硕士学位论文摘要 an o v e li n t e g rp 汀e dr fm e m ss w i t c h a b s t r a c t m i c r o w a v es w i t c hm a t r i c e sa r ee s s e n t i a l c o m p o n e n t s i nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n ms o l i ds w i t c h e ss u c ha s p i nd i o d ea n dc m o s ，r a d i o f r e q u e n c y ( r f ) m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ( m e m s ) s w i t c hi sag o o dc a n d i d a t ew i t hag r e a tp o t e n t i a lt oo f f e rm i n i a t u r e ， h i g hi s o l a t i o n ，l o wi n s e r t i o nl o s sa n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o n d e s p i t et h e s e b e n e f i t s ，r fm e m s s w i t c h e sa r en o ty e ts e e ni nc o m m e r c i a lp r o d u c t sb e c a u s e o fr e l i a b i l i t yi s s u e s ，l i m i t si n s i g n a lp o w e rh a n d l i n ga n dq u e s t i o n s i n p a c k a g i n ga n di n t e g r a t i o n i ，一， 一一一。 t h ep a p e rp r e s e n t san o v e lc o n c e p tf o r3 dr fm e m ss w i t c h e sb a s e do n i n t e g r a t i n gm e m sa c t u a t o r sw i t hw a v e g u i d es t r u c t u r e s ，w h i c ha r ef a b r i c a t e d b yi n d e p e n d e n tp r o c e s s i n ga n ds u b s e q u e n tb o n d i n gt o g e t h e ro fam e m s s u b s t r a t ei na l i g n m e n tw i t ha nr fs u b s t r a t e ac a p a c i t i v es h u n ts w i t c hi s d e s i g n e do nt h eb a s i so ft h em i c r o p l a t f o r mt e c h n o l o g y t h es w i t c hc o n s i s t s o fs w i t c hs t r u c t u r ei nl o wr e s i s t i v es i n g l ec r y s t a ls i l i c o n ( s c s ) ，b o t hp u l l u p a c t u a t i o ne l e c t r o d eo nt h eg l a s sl i da n dp u l l - d o w na c t u a t i o ne l e c t r o d eo nt h e h i g hr e s i s t i v i t ys i l i c o n ( h r s ) s u b s t r a t e t h ei m p a c to ft h ei n s e r t i o no ft h e o x i d e l a y e r b e t w e e nt h em e t a lc i r c u i t sa n dh r si s a n a l y s i z e d i t i s d e m o n s t r a t e dt h a tt h ei n t r o d u c t i o no ft h i nu n d o p e dp o l y s i l i c o nl a y e rb e t w e e n t h eo x i d el a y e ra n dh r sc o u l db eh e l p f u li n a l l e v i a t i n gt h ep o p u l a t i o no f s u r f a c ec h a r g e sa tt h es i 0 2 s ii n t e r f a c e ，r e s u l t i n gi nt h ea c c o m p l i s h m e n to f d ci s o l a t i o nw i t h o u tt h ed e g r a d a t i o no fr fl o s sc h a r a c t r i s t i c s t h el o w s p r i n g - c o n s t a n tf o l d e d - s e r p e n t i n eb e a m sa r ea d o p t e dt ol o wd o w nt h ed r i v i n g v o l t a g e t h es p r i n gc o n s t a n th e r e i ni sd e d u c e db yt h ee n e r g ym e t h o df o rg o o d a c c u r a c y b o t hs t a t i ca n dd y n a m i ca n a l y s e si n c l u d i n gp u l l i nv o l t a g e ，q u a l i t y f a c t o r ，s e l f - a c t u a t i o na n dp o w e rh a n d l i n ga r ep e r f o r m e dt o e v a l u a t et h e p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so ft h es w i t c hs t r u c t u r e t h ei n i t i a lg a p sb e t w e e nt h e 新型集成方式r fm e m s 开关 摘要 s w i t c hs t r u c t u r ea n dt h et w oa c t u a t i o ne l e c t r o d e sc a nb eu n d e rc o n t r o lt o a c h i e v et h el o wd r i v i n g v o l t a g e ( 1 0 0 ) b e t w e e nu p 。s t a t ea n dd o w n s t a t ea n dt h ei m p r o v i n g p o w e rh a n d l i n g a l s o ，t h e f l e x i b l ec i r c u i t d e s i g no nt h es w i t c hp a di sp r o v i d e dj nv i r t u a lo fv a r i a b l e e l e c t r o d ea r e a sc a p a c i t a n c e p l a t ea n di n d u c t i v em e t a ll i n e s t ot u n et h e f r e q u e n c yw h e r et h es w i t c hp r e s e n t si t sm a x i m u mi s o l a t i o n c o m p a r e dw i t hs u r f a c em i c r o m a c h i n i n g ，t h en o v e lc o n c e p to fb o n d e d m i c r o p l a t f o r mi sh e l p f u li nr e l i e v i n gt h er e s i d u a li n p l a n ea n dg r a d i e n ts t r e s s ， a n df a c i l i t a t i n gt h ei n d e p e n d e n tc o n t r o lo ft h em e m ss t a n d a r dp a r ta n dr f p a r tf o r t h ea p p l i c a t i o n si ns w i t c hn e t w o r k ，p h a s e da r r a ya n da r r a ya n t e n n a f u r t h e r m o r e ，t h ec o n c e p tc a nc o m p r o m i s et h ea d v a n t a g e so fm e m si n s t i t u t e s ， i e _ e 稿镑q 掰s e & a 珏d _ w a f e f o u n d d e - s r 甜- a t ta v a i l a b l e 疆垂b e n e 招。4 h em e m s i n t e g r a t i o na n dc o m m e r c i a l i z a t i o n k e yw o r d sr f m e m s ，s w i f c h ，b o n d e dm i c r o p l a t f o r m ，p o w e rh a n d l i n g u 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，沦文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文气霉巡蒿有不实之处，本人承担一切樽关枣任。 本人签名：! 蜀垂竖日期：迎i 垒! 旦翌窟 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅：学校可以 公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇 编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 震羔鋈迸竺! 需：蕊 导师签名：气豸移妥t 一 目期：j 纠参孑弓。孕_ 圣年县 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 微机电系统( m e m s ) 及r f m e m s 微电子机械系统( m e m s ) 是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的新兴 学科，它以微电子及机械加工技术为依托，范围涉及微电子学、机械学、力学、自动 控制学、材料科学等多种工程技术和学科。m e m s 一词来源于1 9 8 9 年美国国家自然 科学基金会f n s f ) 主办的微机械加工技术讨论会的总结报告“m i c r o e l e c t r o nt e c h n o l o g y a p p l i e d t o e l e c t r i c a lm e c h a n i c a ls y s t e m ”，本次会议中微机械加工技术( m i c r o m a c h i n g t e c h n o l o g y ) 被n s f 和美国国防部先进技术署( d a r p a ) 确定为美国急需发展的新技 术，从此，作为m i c r o e l e c t r o - m e c h a n i c a l 二s v s t e r 缩写_ i 霉前瑚躺栌为亩静睁。一 完整的m e m s 是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电 源等部件组成的一体化的微型器件系统。其目标是把信息的获耿、处理和执行集成在 一起，组成具有多功能的微型系统，完成大尺寸机电系统所不能完成的任务，也可以 嵌入大尺哥系统中，从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。正如集 成电路技术把我们带入信息时代一样，很多科学家都认为：m e m s 会给人类社会带 来另一次技术革命i 它将对2 l 世纪的科学技术、生产方式和人类生活质量产生深远 影响，因而被认为是关系到国家科技发展、国防安全和经济繁荣的关键技术。 m e m s 是受集成电路工艺的启发发展起来的，它具有集成电路系统的许多优点， 同时又综合了多种学科发展的尖端成果。m e m s 具有以下特点： 微型化：m e m s 器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时 间短； 咀硅为主要材料，机械电气性能优良：硅材料的强度、硬度和杨氏模量与铁相 当，密度类似铝，热传导率接近钼和钨： 可批量生产：用硅微加工工艺在一片硅片上可以同时制造成百上千个微机械部 件或完整的m e m s ，批量生产可以大大降低生产成本； o 集成化：可以把不同功能、不同敏感方向和致动方向的多个传感器或执行器集 成于一体，形成微传感器阵列或微执行器阵列，甚至可阻把多种器件集成在一起以形 新型集成方式r fm e m s 开关 第一章绪论 成更为复杂的微系统。微传感器、微执行器和i c 集成在一起可以制造出高可靠性和 高稳定性的m e m s ； 多学科交叉：m e m s 的制造涉及电子、机械、材料、信息与自动控制、物理、 化学和生物等多种学科，同时m e m s 也为上述学科的进一步研究和发展提供了有力 的工具。 很多国家都积极开展m e m s 技术的研究，m e m s 在射频中的应用成为热点之一。 其中，射频( r a d i of r e q u e n c y ，r f ) ，是一种高频交流变化电磁波的简称。射频技术 在无线通信领域具有广泛的、不可替代的作用。它包括蓝牙射频技术、g s m 、g p s 、3 g 、 下一代w l a n 射频技术、网络优化中的射频管理、超宽带( u w b ) 无线技术、无线传感 技术。如此众多无线射频系统的出现，对天线系统接收、发送射频信号，射频收发模 块，a d 转换，数字信号处理等功能的要求越来越高。另一方面，单片集成系统、可 重梅璐可重构电路耳垂构系统也应运再刿实现设各d ，型化一低成本抵功 耗的要求。采用传统硅射频集成电路( r f i c ) 无法满足这些要求，射频微系统进 步扩展传统硅i c 技术在微波频率的限制，同时它减小了尺寸，甚至在更高的频率也能 增大带宽，是种经济的解决办法。 射频应用微系统，又称作r fm e m s ，据估计，它将是微机械装置继加速度计后 的又一个突破，实际完成的是将r fm e m s 集成到i c 电路模块上，在制造业中具有 战略性应用前景，例如，a g i l e n t 公司已经成功地将基于m e m s 的薄膜体声波谐振器 ( f i l mb u l k a c o u s t i cw a v er e s o n a t o r ，f b a r ) 投放市场，应用在蜂窝移动电话中；d i s c e r a 公司在微谐振器技术上投入了大量工作，在前端电路中应用r fm e m s 技术成为必 然；密歇根大学的c t 一c n g u y e n 教授领导他的团队对微机械电路做了具体深入的研 究：在欧盟m u m o r ( m u l t i m o d e r a d i o ) 计划中，l e t l 和e p f l 研究并明确了r f m e m s 在可重构系统当中将能够起到的关键作用。r fm e m s 用于射频和微波或毫米波，装 置主要包括m e m s 开关、可调谐电容器，微机械电感器、微机械天线、微传输线和 谐振器( 微机械谐振器、b a w ( b u l k a c o u s t i cw a v e ) 谐振器和腔谐振器) 等。图1 - 1 所示为一个3 波段m e m s 无线电话系统射频前端示意图，该射频前端中广泛应用了 多口开关网络。其中r fm e m s 开关不管是它的技术发展状况还是产品化程度，亦或 是在基于r fm e m s 的无源器件、射频微系统和可重构系统中的应用程度，都是最广 泛、不可取代的。而且r f m e m s 开关是该领域最早实现商品化的器件之一，也是这 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 几年全球各大公司最为关注的器件之一。 。墨沁画器 图1 - 13 波段m e m s 无线电话系统射频前端设计 1 2r f m e m s 开关及研究现状 随着实现信息转换的电子装置和系统的改进，电信领域也取得了迅猛发展。开关 是通信系统中的重要元件，广泛应用于通信系统的微波电路中，如阻抗匹配、可调增 益放大器、信号路由和传输。现有技术主要依赖于p i n 二极管、c m o s 等固态开关。 从信号频率和功率控制的角度出发，一些开关，如硅场效应晶体管f 肼1 开关在低频 段具有良好的功率处理能力，但随着频率的增大这种能力逐渐丧失；另一些如 p i n ( p o s i t i v e i n t r i n s i c - n e g a t i v e ) 二极管和g a a s 金属半导体场效应晶体管( m e t a l s e m i c o n d u c t o rf i e l de f f e c tt r a n s i s t o r s ，m e s f e t ) 开- 关在高频领域尚可以应用，但是它 们的功率处理能力比较低。总的来说，在信号频率大于1 g h z 的时候，这些晶体管开 关在导通状态时插入损耗变得很大( 达1 2 d b ) ，而在截止状态时的隔离度也不是很 好( 约为一2 0 一2 5 d b ) 。与p i n 二极管和f e t s 开关相比，r fm e m s 开关是非常有前 景的微机电器件之。r fm e m s 开关消除了r f 装置中的半导体p - n 结和金属半导 体结，从而消除了与欧姆接触有关的接触和扩展电阻，很大程度降低了电阻损耗，因 新型集成方式r fm e m s 开关第一章绪论 而损耗非常低，大多数r f m e m s 开关的功率损耗在t z w 范围。另外，由于不存在半 导体结，减小了装置的i v 非线性度，因此r fm e m s 开关没有谐频或交调失真。总 之，r fm e m s 开关因其插入损耗低、隔离度高、线性度很好及功耗很低( 静电驱动 方式下接近于零) ，提高了射频性能。表l q 对m e m s 开关与场效应管或p i n 二极 管的半导体开关器件进行了比较。 表卜1r fm e m s 、p i n 及m e s f e t 开关比较 n 珏强f e tp 1 nd l o d em e m s s e r i e sr 嚣s j s t a n c 搴 o h m l 3t o5l 0 6 ld bc o m p l e s s i e n d b i 拍2 0 t o3 5 2 5 t o3 0 3 3 s i z e ( m m llt 0 5 0 1 f j l s w 证吐啦p 也吐且i 一一p s辩妄 c o n t r o jv o l v a g e f v 83 t o5 3 t o3 0 c o n 仃。lc l i i l 弓n f1 0 n l a1 0 m a 一1 0 i j a 本质上，r f v 伍m s 开关原理无异于机械拨动开关，只是尺寸小型化，通过类似 于批处理i c 工艺实现。r fm e m s 开关的驱动方式种类很多，有静电、电磁、磁、 热、：形状记忆合金( s v i a ) 、p z t 等。从结构上分，r fm e m s 分为悬臂梁式( 一端 固定另一端悬空) 、膜桥式( 两端固定) 开关，它们既可通过电容( 金属一绝缘层一 金属) 耦合也可通过直接接触( 金属一金属) 耦合；从电路形式上可分为串联和并联 开关。图1 2 显示了r fm e m s 开关基本结构和偏置方式示意图。 近十几年来，研究人员广泛聚焦于r fm e m s 开关的理论研究，包括机械模型的 静态分析和动态分析、电磁场模型、制造和封装、可靠性和功率处理能力等问题。当 前国内外的研究热点是优化结构设计，降低驱动电压，提高开关速度，提高射频性能 ( 低插入损耗和高隔离度) 、功率处理能力和密封封装等方面。其中，主要的研究问 题包括： ( 1 ) r f 性能：插入损耗和隔离度与频率有关，串联和并联不同结构中，串联接 触式开关较适合用于低频( d c 一6 g h z ) 而并联电容式开关适合于更高的频率。串联 接触式开关在1 g h z 时的隔离度高达5 0 6 0 d b ，随着频率增加，隔离度下降，到2 0 g h z 时，隔离度下降到2 0 3 0 d b ；插入损耗在4 g 以下均低于0 1 d b ( 良好的金属接触1 。 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 并联电容式开关在1 0 5 0 g h z 范围内，插入损耗小于o 1 d b ，隔离度大于2 0 d b 。 ( 2 ) 驱动方式：驱动悬臂梁或膜桥机械运动实现r f 信号导通断开状态，采取 驱动方式的不同，产生这个驱动力所需施加的电压存在很大的差异，如静电驱动电压 较大( 2 0 一8 0 v ) ，电磁和热驱动电压较小。此外还要兼顾开关速度和使用寿命及加 工工艺等因素，如静电驱动设计加工简单易实现，与1 c 工艺兼容性较好，而电磁驱 动由于引入铁电材料( 压电驱动引入压电材料) ，设计复杂与i c 工艺兼容性差。 ：登魏 墨 ! 罾，鬓；冒垦薯一罗冬。未o ”“ lg r o 蚰d、d i e l l i臻酵燃 ! ：般”二_ 吐 k fi n- j _ ! _ _ _ d o w ns t a t e _ 舯番+ | 1r o 【 。盥船矿镭l ， l s t b s m c s i g n a l| s l d ev l p 。 t 。v l e ， g n d i - s l d ev l e - t u pv l p i 日)b ) t 。m e t a lc a n t i l e ，v e r o k q n a t u r e ) m 。i a i “d o e f m ) 三跫“篇目目i z 、科 ：。l l ? 。：! ；： ：i i i i l l l l i ：! ：! ：。：融。i。，。，。! ，。 l 。a c t l l a t t o nd 。l r o d e d 0 w 吐“”。苗；菇。 驻碰黼蓄。”： 彗。王管鼎弭shmtt空- 新型集成方式r fm e m s 开关第一章绪论 ( 4 ) 功率应用：大多数m e m s 开关不能处理超过2 0 - - 5 0 m w 的功率。那些处 理0 2 1 0 w 且保证高可靠性的开关还很少。 ( 5 ) 封装和集成：封装和集成不仅影响最终器件的性能，而且目前约占了成本 的7 0 之多。 ( 6 ) r fm e m s 开关的应用领域：将r f m e m s 开关有效地应用到天线、电路系 统中( 单片集成或系统集成) 也是当前研究的焦点。现已取得的r fm e m s 开关的成 果如表1 2 和表1 3 所示。 表卜2 金属一金属开关发展成果 - j j4 薯毫。一：1 t 姐1 n n n 噬r d 瑚珏； 醺拿蝉p 每盼弧誓饕! ：j , s w i ：t e l i 啦誊霉i 蝤g t m 咖：“五i r e t i m i 冀b i n i ：o h 。、“o j 1 1 _ ：一：一：，。一_ ，；。 i 4 ：二：。：。滞- p 备n l a 、；：1 ： m o t o r o l a a4 6 p 6 0 r a n a l o gd e v i c e s , 3 6 一 6 0 + o m m ”tj j q 血 1 j c r o l l o s 1 0 0 0 0 一 ) 1 一 r o c k w c l is c i e n t i f i c 一8 1 0 p 1 。 s a m s u n g ： 1 0 0 , 。 0 5 - h m3 0 4 0 r 0l ， l i n c o l nl a b s , , 0 1 - s t - m i c r o e l e c 乜o l l i c s 。3 0 0 。 。1 ： m i c f o l a b , ,5 0 0 瑚，l 。 n e c # 3 0 4 0 表1 3 电容式r fm e m s 开关发展成果 ；嘲逡i 霉；露t 曩拼? 囊袋；z i 爨誊曩m 氟巍墓拳譬“。j i i 期 l l ：i ；魄睁薄弯两蟛 萋擘b 酶鞣虢矗黧鬻i蘩熏燃 蛩i 。弛鼙i i 鳓曩戆。”黧瑟：i | ：一暴囊 r a y t h e o n 一4 - 2 0 ， 2 5 一 l i n c 6 l f il a b s 。2 6 0 p n o r t h n r 9g i i , 1 1 i i l l l a l l 。 4 一孙 1 0 r d a i r u l e rb e l l z t1 0 2 0 # b o s c h ,1 0 2 0 一 i m e cf b e l g i u m ) ：1 0 2 0 一 l g ( k o r e a ) 。 3 0 - 4 0 一 o 1 ， 在理论研究和实验室研制日趋成熟的情况下，当前m e m s 发展一个颇具争议的 问题在于集成与否( 将在下一节详细阐述) 。这关系到产品的设计开发、制造封装、 性能和成本，最后还归结为产品的应用推广。图1 3 比较了m e m s 装置和其它r f 开关装置在成本、功率损耗和插入损耗。由于m e m s 属于多学科交叉的领域，它的 北京邮电大学硕一l 学位论文 第一童绪论 设计、制造和封装具有很高的复杂度。m e m s 技术源于集成电路技术( 尤其体现在 加工制造方面) ，又有自己本身的特点，尤其是设计方面涉及到具体结构，采用半定 制的设计研发方式是国内外公认的解决方案。因此，当前的一个工作重心就是致力于 开发适用于各个行业的标准模块，以便于系统开发应用。 1 0 0 1 0 c o s t ( $ ) p o w e r ( r o w ) l o s s ( d 自) 图卜3m e m s 装置和其它r f 开关装置在成本、功率损耗和插入损耗的比较4 1 3m e m s 集成问题 m e m s 是否集成具有争论性，集成是实现高性能、低价格、高可靠性与高质量 的唯一办法，但其研发和生产投入较大，需要较大的批量来支持，而且要解决可行的 工艺问题。m e m s 集成是产品寿命周期中早期投资成本与后期投资回报之间的折衷， 但常常受技术及应用需求的影响。在大多数情况下，如果传感器不必因为特定应用而 必须与电子电路分开时，单芯片集成是最好的解决方案，但在化学感应和高温等恶劣 环境下必须将传感器与电子电路分开。或许就像过去2 5 年半导体微电予技术的发展 那样，当工具、工艺及生产经验能以较低风险来规避这些不确定性问题时，集成将成 为必然。正如大多数工程解决方案一样，成功的m e m s 产品可解决设计折衷以及降 低与开发及生产有关的成本等问题。 新型集成方式r fm e m s 开关第一章绪论 1 3 1 集成带来的优势 当i c 芯片仅拥有少数几个晶体管或在早期c m o s 工艺时，半导体技术具有一些 不确定的变量，这些变量更像是一些随机数而不是正常函数。早期用于定义平面器件 的工具仅为一些简单的工艺图及模型，器件特征参数通常以数学逼近来建立。在那时， 人们仅仅根据良品率及缺陷密度就证明1 亿个晶体管的i c 不可能实现。回顾我们使 用1 亿个晶体管的i t a n i u m 处理器芯片时，可以发现引领我们沿摩尔定律前进并形成 一个拥有2 0 0 0 亿美元产业的技术进展，是在了解降低失败风险的设计与制造工具上 所取得进步的结果。 i c 单芯片集成所实现的最佳工程解决方案似乎已经解决了过去几年中的大多数 争论，高性能、低价格、可靠性与质量水平除了采用集成的办法外不可能实现，集成 已舳当前所有i c f 赢斡业务差异诧的美键，实琢上只要垂尉门注意观察就耳啦茇现， 集成c m o s 甚至采用了双极工艺和c m o s 工艺的混合信号器件在现实生活中已得到 很多应用。 1 3 2 为什么要集成m e m s ：量 这个问题与关于l c 集成的问题类似。要考虑的首要因素在于是否有足够大的批 量来分摊集成所带来开发与加工的成本，另外还必须解决可行的工艺问题。最关键的 争论是有没有其他途径来达到批量所需的低成本目标。当由于物理尺寸限制不能采用 其他可能的方法时，通常会做出采用集成的最终决策。大批量产品的质量和可靠性水 平可能会影响到这种折衷决策，而从a d i 公司推出的1 5 亿多片单芯片m e m s 器件 上所得出的经验证明，单芯片m e m s 集成通常都能达到低于l p p m 的质量水平，以 及1 0 亿小时的平均故障间隔时间。 从技术解决方案角度看，将所有元件都放在一个芯片上具有某些明显的优势：高 噪声条件下的小信号可以受到最小的应力、电磁干扰、寄生电容及漏电流等“未知变 量”的影响。采用常见的l c 设计技术f 例如交叉空铅技术( c r o s s q u a d i n g ) ) 及开关电容充 电管理可消除由温度及其他未知因素带来的影响。由于集成将具有低电平信号的电路 放在一起，而热环境因素等保持不变，因而能获得更低的热迟滞以及更好的接通特性。 在必须寻址数百万显示单元且以视频频率激励的应用中，尺寸的局限及互联密度证明 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 了采用集成m e m s 器件是正确的。当手持式设各或医疗产品要求其厚度或宽度不得 超过系统封装极限时，同样证明采用集成m e m s 器件是合理的。 解决上述问题的另一种方法是产生更大的信号，但这通常又要求更大的硅面积、 更高的功耗及更低的阻抗，且以多芯片解决方案的形式来实现。为从实际环境中获得 足够的信息，人们给m e m s 元件增加一套传感器，且在远端位置对信号进行补偿。 这样一来，互联的成本、尺寸及复杂性呈非线性付旨数1 增长，从而导致高成本并难以 对组件进行封装与测试。a d i 公司的单芯片陀螺仪的经验证明，与在片外处理相比， 片内集成带来的优势是可处理信号幅度至少低两个数量级的信号。而硅传感器尺寸一 般需要增加1 0 至1 0 0 0 倍方能产生同样的信噪比，这将增加应力管理及长期稳定性等 主要设计挑战。 11 寻是塞盛蔷不基是最佳选择 集成并非是某些m e m s 器件的最佳解决方案。集成m e m s 产品可能要求比非集 成设计更长的丌发时间，尤其当需要同时丌发相关工艺时。由于m e m s 设计与工艺 之间的紧密联系，在完成构建几种不同的设计并充分了解其生产的良品率以前，很难 确定一种可行的工艺。由于系统级开发周期问题，客户可能会由于鉴定周期或系统级 质量要求而宣布“不要进行任何改变”。 由于近几年内没有大的批量，故m e m s 集成可能在经济上不划算。每年从1 0 万 个元件上节省1 美元不可能抵消花在每个元件上的1 0 美元的开发成本。 从技术与经济角度考虑，非集成解决方案可能是最佳产品设计，尤其是当非集成 方案能获得足够的性能提升时。此外，较大的硅片有时需要符合外部环境条件。采用 嵌入式应力仪( e m b e d d e ds t r a i ng a u g e ) 或者电容性窗膜( c a p a c i t i v ed i a p h r a g m ) 配置来创 建一种机械结构的简单工艺可以比1 c 加m e m s 的工艺的成本更低。结合了物理调整 及不同材料与工艺组合的射频模块及光学组件很适合某些非集成式m e m s 器件。这 些非集成版本也常常由于其具有更高的性能或特殊的系统增强特性而拥有更高的利 润空间及更高的售价。 新型集成方式r fm e m s 开关 第一章绪论 1 3 4 未来发展趋势 m e m s 技术并非一成不变，看看当前广泛使用的3 美元加速度计或可能形成新 显示器时代的百万像素m e m sd l p 芯片，可以发现集成式m e m s 具有重要的经济优 势。 通信及连接是促使m e m s 器件增加复杂性及功能的强大推动力。下一代汽车安 全系统传感器正在使用双线接口进行开发，这种在同一个单线上实现数据及电源传输 的配置创建了串行的、具有电子诊断及校准功能( 全都以标准格式执行) 的双向总线。 汽车安全芯片市场每年超过1 亿片，传感器接口的新时代正在到来。如果再结合 z i g b e e a l l i a n c e 公司的无线网络，采用标准协议通信的m e m s 器件的潜力正在促进更 大的市场批量及更高的集成。 掏建于深反应离子蚀刻( d r i e ) j - _ 艺_ e 的工艺选班使摄有可能在主要拯准l c 工艺 完成后来创建m e m s 结构。当再结合拥有氧化物埋层( b u r i e do x i d e ) 的s o i 晶圆时， 集成m e m s 将是i c 代工工艺的主流。氧化物埋层将可能使m e m s 器件从裸片上的 亚微米c m o s 工艺包围中释放出来。 m e m s 器件拥有与集成电路同样的发展趋势，因为它们拥有相同的加工工具及 工艺a 当必须增加功能并显著降低价格，同时又不能牺牲质量及可靠性的时候，集成 是唯一的选择。 1 4 本论文研究意义及内容 r fm e b l s 开关在射频系统中的潜在应用包括：在微型化低功率装置、未来多模射 频前端和软件无线电等场合，r fm e m s 开关将起关键性的作用。在开关网络中，s p n t ( s i n g l e - p o l en t h r o w ) 开关可用于滤波或放大器的选择，如在功率放大器前建立 全阻网络，同时减小多标准移动电话的元件数目；r fm e m s 开关应用于可调谐电容器 和电感器对建立多标准和可重构的基站有重要意义。 由于m e m s 属于多学科交叉的领域，它的设计、制造和封装具有很高的复杂度。 m e m s 技术源子集成电路技术( 尤其体现在加工制造方面) ，又有自己本身的特点， 尤其是设计方面涉及到具体结构。本文旨在从便于系统人员开发、集成应用的角度出 1 0 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 发，设计一种高功率处理射频开关，这种开关的微机电驱动部分和射频部分在不同的 晶圆上独立加工，以充分保证机电和射频的特性，然后用晶圆对准键合技术将微机电 驱动晶圆和射频晶圆牢固结合在一起。而且，在射频开关网络和移相器中，简单地对 开关片上涂覆的金属层做设计优化就可以调谐射频传输性能，而对驱动电压和机械谐 振性能影响不大。 本论文所设计的r f m e m s 开关，可广泛用于可重构电路和宽带调谐网络：用于卫 星通信和手持式单元的开关网络中，作为路由开关及滤波器、放大器的选择开关；用 于天线收发开关；用于未来移动通信接收模块中，实现多个频段、多个标准并存的新 型r f 前端的模式选择；用于实现可重构( 开关控制式) 的频率选择表面( f s s ， f r e q u e n c y s e l e o t i v es u r f a c e ) ：用于雷达、卫星系统中的开关型移相器中。 本论文调研了现有r fm e m s y r 关的基本现状和产品化的障碍，主要研究内容如下： 第一节夼缗了研究背景、r fm e m s 开关及研究现状，分析了当前m 圈s 集成问题： 第二章介绍了r fm e m g 开关的工作原理和推导了双层介质共面波导传输线理论， 分析比较了在高阻硅、石英和标准c m o gs i 上加工共面波导的性能。 第三章介绍了r fm e m s 开关的制造工艺，分析比较了m e m s 带q 造工艺对器件性能和 设计、加上和产品化的影响。提出一种可行的设计思路。 第四章设计了一种单晶硅加t 的低驱动电容式并联r f m e m s 开关结构i 重点分析 了开关结构的机电性能、射频性能、自驱动和功率处理能力。 第五章给出了可行的加工工艺流程图。 第六章总结与展望。 北京邮电大学硕士学位论文 第二章r fm e m s 开关设计理论 第二章f i fm e m s 开关设计理论 2 1r f m e m s 开关结构设计考虑因素 ( p u l l i n ) 现象是平行板弹性结构在静电驱动过程中著名的失稳行为【5 】0 1 专k 扣v c 毒围i l 睦整孝 新型集成方式r fm e m s 开关第二章新型r f m e m s 开关研制 f ；竺 ( 2 一1 ) 一2 ( g o z ) 2 7 这里，v 为电压，助为上下极板间初始间隙，a 为驱动面积。 当开关被静电力往底端电极拉近时，另一股由开关本身产生的弹簧力将与静电力 平衡，如下式： t = 互i e 而o a v 2 = 七：z ( 2 2 ) 这里，g o 为初始间距，k z 为弹簧在z 方向的等效弹簧常数。当z = 喜踟时，开关 处于临界失稳状态，而导致这个结果的电压即为吸合电压： k 。= ( 2 - 3 ) 在一般r fm e m s 开关的设计中，5 至4 0 n m 是弹簧常数k ：普遍采用的范围，而开 关的质量极小，因此对于加速度所产生的力极不敏感。举例来说，一个弹簧常数等于 1 0 n m i 加速度等于1 0 0 m s 2 ( 相当于1 0 倍重力) ，其位移仅有纳米级，由于开关位于 传输线上方1 5 4um ，故加速力对r fm e m s 开关的影响非常小。可以忽略。因此， 当k = 1 0 1 an m ，a = 1 0 0 1 0 0 um 2 ，g o = 2 5 i jm ，下拉电压v 。= 2 3 v 。而一般来说，驱 动电压为1 2 1 4 v p 才能使开关快速运作。 驱动电压( 电路中常称为偏置电压) 是一个重点考虑因素。在m e m s 开关中，驱 动电压是使整个膜或梁从悬空位置下降穿过整个间隙到达射频传输线所需的电压值。 r fm e m s 开关的驱动方式有很多，包括静电驱动、磁驱动、热驱动、压电驱动、形状 记忆合金、压电等，其中静电驱动因其结构简单、功耗低受到广泛关注。对于开关本 身，要求驱动电压不能干扰射频信号，因此驱动开关的频率比信号频率低得多，同时 希望在开关系统保持静止状态时耗散的功率很少，在大多数情况下可以考虑用静电偏 置。g o l d s m i t h 等人研究表明，电容式开关的寿命与加载驱动电压休戚相关。他们通 过实验观察到开关吸合