RF MEMS-射频微机电系统

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1、电磁场与微波技术学科前沿动态系列讲座介绍哈工大微波专业2003年RFMEMS—射频微机电系统吴群教授关键词：Microelectromechanicalsystem，Radiofrequency微机电系统（Microelectromechanicalsystem）代表了一项与集成电路制造工艺相同的新兴技术，在射频与微波领域得到广泛应用。无线通信发展的趋势是缩小系统尺寸、降低成本和功耗。本文综述了当前国际上MEMS技术的最新发展现状，对在射频与微波应用的各种MEMS器件关键技术进行了探讨。最后展望了未来的发展前

2、景。引言未来的射频与微波系统要求更加灵活、更加复杂，而同时又要求体积小、重量轻和功耗低。目前最熟悉的应用就是无线通信领域，诸如手机、无线接入、全球定位系统和蓝牙技术。据信，能够实现上述功能的最有前途的就是与现今集成电路和单片微波集成电路相兼容的平面制造工艺技术----微机电系统（MEMS）。MEMS是微电子技术基础上发展起来的具有多学科交叉和渗透的新兴学科。二十一世纪人们将实现把硅/锗有源器件、微加工元件与MEMS器件集成到一块晶[1]片中。对新世纪里的科学技术、生产方式和人类生产质量都将产生深远的影响，被认

3、为是关系到国家科学技术发展、国防安全和经济繁荣的关键技术。在美国被国防部先进技术署（DARPA）确定为美国高技术领域的优先发展的新技术。我国MEMS研究起步较早，在时间上同国外差距不大，在MEMS微型传感器、执行器等研究已有许多成果。但在MEMS射频与微波应用领域，我国还处于刚刚起步阶段。MEMS是结合电和机械元件并利用集成电路批量加工工艺、尺寸在微米到毫米的微型器件或器件阵列。MEMS加工技术采用常规的集成电路加工工艺制造三维机械结构，相应的广泛应用的MEMS加工技术包括硅表面加工、体加工、裂变键合和LIG

4、A加工（采用X射线光刻、电铸、及注塑工艺）。其中，表面加工是最为重要的技术。MEMS器件用于射频与微波领域具有执行速度快、损耗[2]低和品质因数高的优点，是最有吸引力和竞争力的。可以说，MEMS技术代表[3]了微电子领域新的革命。本文从射频与微波的观点回顾了MEMS技术进展，重点讨论在射频与微波领域应用的MEMS开关、滤波器、电感、可变电容以及[4]移相器技术。本文的宗旨是唤起对射频与微波MEMS研究的重视，加强基础研究，在较短时间内迅速赶上国际发展水平。电容/开关用于射频与微波领域最成熟的MEMS器件当属开

5、关。它们都是采用静电吸[6]合达到形状变化，有悬臂式、膜片式、形状记忆合金和单刀多掷开关结构。执行机构包括静电力、压电、热变形、磁力吸合、双金属片的形式。经对这些执行方式进行大量的研究之后，认为它们当中应用于射频器件以静电执行方式是最成熟的技术。MEMS开关作为基本元件，可形成其他类型的元件，如可调滤波器、开关[7-9]式衰减器、变形天线元、移相器、多工器和组成其他电路与系统。在100MHz至30GHz的频率范围，由于插入损耗可小于1dB使得硅微加电磁场与微波技术学科前沿动态系列讲座介绍哈工大微波专业2003

6、年[10]工工艺被用来制作射频MEMS开关。硅微加工工艺与目前的硅制造工艺和GaAs制造工艺相兼容而实现了较低廉的制造成本。微加工开关结构的优点就是仅需要很低的电源电压并且寿命长。开关速度可达0.1-1微秒而直流电压低于3伏特。这些元件集成到现今的陶瓷或玻璃纤维基片上的无源电路可实现低的互连损耗和低的寄生参量。目前射频MEMS开关按动作执行结构分为串联和并联形式两种。对于串联形式，开关动作执行时顶部电极推下实现信号接通，而并联形式开关动作执行时[11]则是把信号线与地线连接。典型的并联容性MEMS开关是由一金

7、属膜片的两端分别固定于共面线波导的接地导体上并悬置在共面线波导的中心导体之上形成一个“桥”。金属膜片结构的MEMS开关具有低的插入损耗、低的开关执行电[12]压、快的开关速度和良好的线性度。此工艺制作的调谐式十字开关在关闭时的电容为0.8pF，断开时的电容为0.05pF。在22-38GHz频率范围上反射系数小于–20dB、插入损耗仅0.6dB。在20-40GHz频率范围上隔离度大于40dB。开[13]关的执行电压为15-20V与传统的场效应管或PIN二极管的半导体开关器件相比，MEMS具有极低的串联电阻和低的

8、执行功率消耗，因而，损耗非常低。此外，用于无线通讯领域因MEMS开关无半导体结效应而降低互调失真。表1对MEMS开关与场效应管或PIN二极管的半导体开关器件进行了比较。[14][15][16]目前有各种MEMS的研究报道。它们大多数都是采用旋转、悬臂[17-19]或膜片拓扑形式由贱射或金属薄膜蒸发和氮化硅或二氧化硅材料组成。通常，开关是静电力控制的，偏置电压范围在30至50V。为了实现低插入损耗和低