搜索
2010~2012年MEMS发展报告RFMEMS第一章绪论RFMEMS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，RFMEMS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RFMEMS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。RFMEMS器件的工作频率如下：（1）RFMEMS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12~200GHz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RFMEMS器件工作频率范围。图1RFMEMS器件工作频率范围图2给出了RFMEMS技术的应用领域和范围；图3给出了RFMEMS开关的应用领域。图2RFMEMS的应用领域与应用范围图3RFMEMS开关的应用领域第二章技术发展2.1国外RFMEMS技术发展现状2.1.1国外RFMEMS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RFMEMS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、UCBerkeley（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、NorthrupGrumman公司等都积极研究RFMEMS器件。2001年，30多个公司都从事RFMEMS研究，其中包括消费电子产品的巨人，如Motorola（摩托罗拉）公司，AnalogDevices（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DimitriosPeroulis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SuneatPranonsatit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RFMEMS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HamoodUrRahman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，JaehongPark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，ChiragD.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，MontserratFernández-BolañosBadía，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RFMEMS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RFMEMS技术。RFMEMS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RFMEMS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，RFMEMS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RFMEMS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MEMSESA用硅基Ka波段移相器（图4），使用开关线移相器原理，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10mm×5mm，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3.5mm×2.6mm，该移相器从DC~40GHz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4Raytheon公司硅基Ka波段移相器图53位Ka波段开关线MEMS移相器图62位Ka波段DMTL移相器2003年、2004年DARPA支持RMI（RadantMEMS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RFMEMS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MemtronicsMEMS开关（图7）报道的工作寿命达到5×1011次，工作年限超过15年。图7RMIMEMS开关MEMS开关图8MemtronicsMEMS开关2005年，GiancarloBartolucci等人基于RFMEMS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RFMEMS开关的性能和一致性还达不到要求。2008年，法国的BenjaminLacroix等人研制了一种DMTLRFMEMS移相器，分布式传输线使用了RFMEMS开关电容，此电容由25V电压驱动，开关时间在1μs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，CristianoPalego等人设计了一种3bitKa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，SongbinGong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RFMEMS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，RFMEMS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RFMEMS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RFMEMS发展，RF/微波MEMS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RFMEMS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RFMEMS/NEMS器件。2.2国内RFMEMS技术发展现状1994年在国家自然科学基金支持下，开始了RFMEMS的研究探索，1996年国防预先研究计划开始列入RFMEMS研究课题，1998年国家973计划有1个二级课题研究RFMEMS。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RFMEMS器件研究；开展了硅基RFMEMS的关键工艺研究，但在RFMEMS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RFMEMS研究方面的进展：2000年东南大学和南京电子器件研究所联合研制基于砷化镓衬底的RFMEMS膜开关。在0.5～25.6GHz之间，开关的插入损耗小于0.2dB；在谐振频率点，开关的隔离度为-42dB。开关的谐振频率为24.5GHz。2001年，朱健等人在3000Ω·cm的硅衬底上研制出一种DC20GHz的射频微机械开关。2009年，南京大学的郁元卫等人研制了一种高隔离度的串联开关，它由三个欧姆接触式开关组成，在DC~12GHz频率范围内，该开关的隔离度达到40dB，插入损耗为0.35dB。第三章应用实例第四章产业进展