RF MEMS技术调研报告分析

2010~2012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，可工作在DC~120GHz范围。

（2）微加工传输线、高Q 谐振器、滤波器和天线，适合于12~200 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技术发展现状

2.1.1 国外RF MEMS 开关的研究

1990～1991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DC~60GHz应用，而TI 开关是电容式接触开关，适合于10~120GHz 应用。1998年，Michigan（密歇根）大学、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2.5Ω，20GHz频率下的插入损耗为2.65dB，隔离度31dB，这是第一个真正的单刀多掷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

DC~20GHz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。

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6.4μs。

2012年，北京大学的X.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 Fernández-Bolaños Badía，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- Tenna（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2002～2004财年的“用于空间运用的DARPA—MEMS 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。