RF MEMS技术调研报告分析
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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。