RF MEMS技术调研报告

1、20102012年MEMS发展报告RF MEMS第一章 绪论RF MEMS是指利用MEMS技术加工出来的尺寸在微米到毫米量级的射频器件，能够对射频信号进行控制。和传统的射频器件相比，RF MEMS器件不仅尺寸更小，更加容易与单片电路集成，性能上也有了大的提高（例如低插损、线性、宽带、低功耗），可替代传统的PIN 二极管和同类铁氧体产品。）按照RF MEMS研究层面的不同，可以将其分为三类：基本器件：微机械开关，可变电容，电感，谐振器。组件层面：移相器，滤波器，压控振荡器。系统层面：接收机，变波束雷达，相控阵天线。RF MEMS器件的工作频率如下： （1）RF MEMS开关、变容器和电感器，可工

2、作在DC120GHz范围。 （2）微加工传输线、高Q 谐振器、滤波器和天线，适合于12200 GHz范围。 （3）FBAR（薄膜体声谐振器）和滤波器，直到3GHz都表现出优异的性能和高Q 值（2000 ）。 （4）RF微机械谐振器和滤波器，在0.01 200MHz 性能较好并有高Q 值（8000 ）。 图1 给出了RF MEMS器件工作频率范围。图1 RF MEMS 器件工作频率范围图2 给出了RF MEMS技术的应用领域和范围；图3 给出了RF MEMS开关的应用领域。图2 RF MEMS 的应用领域与应用范围图3 RF MEMS开关的应用领域第二章 技术发展2.1国外RF MEMS技术发展

3、现状2.1.1 国外RF MEMS 开关的研究19901991年，在DARPA（美国国防预先研究计划署）资助下，位于加州Malibu 的Hughes（休斯实验室）研制出微波控制的第一个MEMS开关（和变容器）。它证实了直到50GHz 范围内MEMS 开关的优异性能，比用GaAs器件实现的任何开关性能都要好得多。到1995年，Rockwell （罗克韦尔）科学中心和TI （德州仪器）公司均研制出性能优异的RF MEMS开关。Rockwell 开关是金属金属接触式的开关，适合于DC60GHz应用，而TI 开关是电容式接触开关，适合于10120GHz 应用。1998年，Michigan（密歇根）大学

4、、UC Berkeley（加州大学伯克莱分校）、Northeastern（东北）大学、MIT（麻省理工学院）材料实验室、Columbia （哥伦比亚）大学、ADI （模拟器件）公司、Northrup Grumman公司等都积极研究RF MEMS 器件。2001年，30多个公司都从事RF MEMS研究，其中包括消费电子产品的巨人，如Motorola（摩托罗拉）公司，Analog Devices（模拟器件）公司，Samsung （三星）公司，Omron （奥姆龙）公司，NEC公司和ST- 微电子（意法半导体公司）。2003年密歇根大学的Dimitrios Peroulis等人采用三层梁结构，加大电

5、极区面积以及蛇形梁降低弹性系数的方法实现了低驱动电压开关，驱动电压低至6V。2005年新加坡南洋理工大学的A.B. Yu等人为了提高MEMS开关的隔离度，采用分两步旋涂光刻胶的方法，首先在地线和信号线之间用光刻胶填满空隙，再在其上旋涂光刻胶牺牲层，这样可以保证牺牲层表面的平整度，提高开关电容比，进而提高隔离度。和一般的开关相比，该开关在15GHz频率时隔离度提高了2.2dB，在40GHz频率时隔离度提高了10dB。2006年，英国帝国理工学院的Suneat Pranonsatit等人研制了一种单刀八掷开关，平均接触电阻为2.5，20GHz频率下的插入损耗为2.65dB，隔离度31dB，这是第一

6、个真正的单刀多掷RF MEMS 旋转开关。2007年，DavidA.Goins等人开发了一种性能优异的接触式开关，它在DC20GHz频率上都能良好地工作，插入损耗小于0.4dB，20GHz时的隔离度为25dB。2008年，法国的M. Fernandez-Bolanos等人研制了一种电容式开关，为了防止在Si/SiO2衬底上形成反型层，在硅衬底上生长了一层无定型硅，防止电子积累。进一步的，在信号线和地线之间进行了下刻蚀，去除了信号线附近的部分硅衬底，避免了在信号线了地线之间形成信号通道。在该开关中采用TiO2作为介电层材料（介电常数=20），获得高电容比。该开关的电容比为200，驱动电压为8V。

7、2008年，澳大利亚新南威尔士的Hamood Ur Rahman设计的新颖结构的接触式开关，驱动电压低至6.29V，40GHz频率范围一下的插入损耗为0.37dB，隔离度23.5dB。2009年，Jaehong Park等人为了避免接触式开关（包括金属-金属结构和MIM结构）的微焊接和粘附等相关问题，采用梳齿结构（1000对梳齿）进行驱动。该开关的驱动电压为25V，插入损耗0.29dB，隔离度30.1dB。2011年，Chirag D. Patel等人研制的接触式开关在悬臂梁侧面和锚点相连，增加了回复力，此开关驱动电压为61V，up态电容为24fF，下拉时间为6.4s。2012年，北京大学的X

8、.J. He等人基于HfO2作为绝缘层材料，设计了一个电热驱动的侧面电容式开关。由于HfO2的高介电常数和电，热隔离性能，器件的隔离度高达60dB(35GHz)。2012年，Montserrat Fernndez-Bolaos Bada，用氮化铝取代氮化硅做绝缘介质，隔离度提高了-12dB，插入损耗减小了22dB，氮化铝开关能够减小残余或者注入介质层的电荷。美国DARPA及NASA 等国防及空间科研管理机构在20世纪90年代就开展了RF MEMS研究计划，包括NASA 的SOAC （芯片级系统）、DARPA的MAFET（微波及模拟前端技术）、LCCMD（低成本巡航导弹防御系统）、MEM- Te

9、nna（MEMS 天线）、RECAP（可重构孔径）项目、ACN （自适应C4ISR 节点）计划，研究用于机载微型雷达、弹载微型化射频前端、空间皮卫星等的RF MEMS技术。 RF MEMS开关在航空航天领域应用的实例之一是美国20022004财年的“ 用于空间运用的DARPAMEMS 和微技术” 项目，通过新一代RF MEMS 开关技术，以及通信协议和地面操作的改进，以实现利用小电源维持长时间的在轨运行。美国马萨诸塞州的Radant 技术公司在AFRL（空军研究实验室）和DARPA的参与下开发完成的一种结实可靠的MEMS 开关产品，体积只有1.5mm3，使用圆片级封装来保护 MEMS 的开关结

10、构，其在10微秒的时间内移动小于1 微米。该开关在多个美国国防部实验室内进行了测试，经受了超过7000亿次的开合试验，具有非常高的可靠性，这是以前从未达到过的结果。 研究结果表明，RF MEMS开关相对传统开关具有明显的性能优势（低插损、线性、宽带、低功耗），可替代传统的PIN 二极管和同类铁氧体产品，适用于移相器、阵列天线、有源相控阵雷达、天线等复杂系统。2.1.2 国外RF MEMS移相器的研究在Ka波段，典型的MEMS 移相器采用开关线型和DMTL （分布式MEMS 传输线）型。如Raytheon 公司1999年报道的MEMS ESA用硅基Ka波段移相器（图4 ），使用开关线移相器原理

11、，3位和4位数字移相器，工作频率34GHz ，4位数字移相器芯片尺寸10mm5mm，基态相移误差13。RSC公司2003年报道Ka波段GaAs衬底3位移相器（图5 ），工作频率35GHz，平均损耗2.2dB，芯片尺寸3.5mm2.6mm，该移相器从DC40GHz 实现了TTD网络的功能。UoM（密歇根大学）2002年报道Ka波段石英基底的2 位DMTL移相器（图6），工 作频率38GHz，平均损耗1.5dB。图4 Raytheon 公司硅基Ka波段移相器图5 3位Ka波段开关线MEMS 移相器图6 2位Ka波段DMTL 移相器2003年、2004年DARPA支持RMI （Radant MEMS

12、公司）公司和Memtronics 公司为首的研制团队开展MEMS 相控阵天线的研究，在RF MEMS 器件的封装技术和可靠性技术上进行了深入的研究，目前RMI 开关（图7）的工作寿命达到1010次；据称Memtronics MEMS开关（图7）报道的工作寿命达到51011次，工作年限超过15年。 图7 RMI MEMS开关MEMS 开关 图8 Memtronics MEMS开关2005年，Giancarlo Bartolucci等人基于RF MEMS并联开关对移相器进行了设计，但仅仅停留在设计阶段，并没有对移相器进行加工和测试。主要原因是RF MEMS开关的性能和一致性还达不到要求。2008年

13、，法国的Benjamin Lacroix等人研制了一种DMTL RF MEMS移相器，分布式传输线使用了RF MEMS开关电容，此电容由25V电压驱动，开关时间在1s左右。所研制的90和180移相器长度分别为4.5mm和8.5mm，在20GHz频率下测得的插入损耗分别小于0.8dB和1.8dB。2009年，Cristiano Palego等人设计了一种3bit Ka波段移相器，这种移相器基于MEMS 电容式开关，具有小于1dB的插入损耗，和大于20dB的回波损耗。2011年，Songbin Gong等人研制的V波段2bit移相器采用了接触式的单刀四掷开关，该移相器的插入损耗为2.5dB，回波损

14、耗小于12dB。在60GHz的信号频率下，相位误差小于1。基于MEMS 开关的MEMS 移相器体积小、重量轻、具有实现低成本的巨大潜力、其低插损特性等于省却了功放或放松了对功放的要求，而其他RF MEMS器件（如MEMS 可调滤波器，这是支持先进的STAR 波形的关键器件）的研究方面也已取得了一定的成绩，这为开发低成本、微型化的弹载新型相控阵系统提供了重要技术前提和基础。无论对有源相控阵体制还是无源相控阵体制，RF MEMS技术均能提供较好支持。前述美军PATS项目的主要技术途径是通过采用RF MEMS技术的相控阵导引头，提高天线扫描速度和节省空间。总结国外RF MEMS发展，RF/微波MEM

15、S 的研究集中如下几个方面：（1 ）减小衬底损耗实现高Q 值无源元件，例如先后采用Si 、GaAs、SiC、GaN 、无机/ 有机衬底等； （2 ）设计可动的RF/微波 MEMS/NEMS新结构器件； （3 ）高可靠性、高功率以及高频率的RF MEMS器件； （4 ）单片集成技术和系统封装（SiP）技术 （5 ）与纳米技术结合，研制频率更高、损耗更小的RF MEMS/NEMS器件。2.2国内RF MEMS技术发展现状1994年在国家自然科学基金支持下，开始了RF MEMS的研究探索，1996年国防预先研究计划开始列入RF MEMS 研究课题，1998年国家973计划有1 个二级课题研究RF MEMS。目前已经开展了微波 MEMS 电容、电感、开关、移相器、滤波器、天线等器件的探索研究。国内研制的MEMS 器件主要基于微波的低频段，还处于器件性能的探索研究阶段，还未真正系统开展RF MEMS器件研究；开展了硅基 RF MEMS的关键工艺研究，但在RF MEMS器件的封装、可靠性等方面还存在严重不足，设计、工艺能力有待拓展。下面列举一些国内高校在RF MEMS研究方面的进展：2000年东