>
首页 » 技术文章 » RF-MEMS器件及其关键工艺技术

RF-MEMS器件及其关键工艺技术

作者:陈华君,郭东辉  时间:2006-09-11 09:18  来源:
摘要:综合介绍目前无线通讯产品中使用的各种类型RF-MEMS器件,统一说明RF-MEMS器件的基本工作原理,并分析RF-MEMS器件加工的关键工艺技术及设计制作时应注意的问题。
关键词:射频器件;微电子机械系统;RF-MEMS;工艺技术

引言

在无线通讯系统的传统射频电路中,元器件的体积较大,无法实现单片集成设计与系统小型化,且随着系统工作频率不断提升的要求,各电路元件的损耗也随之变大. 近年来,微电子机械系统(MEMS) 加工技术已日益成熟,它可以为无线通讯系统向低功耗、更高频和小型化方向发展提供良好的解决方案。目前,采用MEMS加工技术可以批量加工出尺寸在微米到毫米的射频(RF) 器件或器件阵列,这些射频器件或器件阵列通常称为RF-MEMS。RF-MEMS不仅在体积上小于传统射频器件,易于单片集成,且其性能也优于传统射频器件,如MEMS开关具有比FET和P-I-N二极管更低的插损和功耗。此外,RF-MEMS还可以实现器件多功能配置,如可重构天线。因此,RF-MEMS近年来已成为全世界范围内的研究新热点。

RF - MEMS器件类型

目前比较成熟的RF-MEMS器件主要有:射频开关、可变电容、微型电感、谐振器、移相器、天线等。

射频开关
基于MEMS工艺的射频开关有很多种,从电路结构上看,可分为串联形式和并联形式的开关;从机械结构上看,可分为悬臂型(图1所示) 和空气桥型的开关(图2 所示) ;从接入方式上看,可分为电阻式(金属- 金属) 和电容式(金属- 绝缘体- 金属) 的开关。不管是什么类型的射频开关,目前大家关心的主要是以下个方面的性能:

1) 在更高的频率上实现低插入损耗和高隔离度。
如Rizk等人所研制出的T型MEMS开关在80~110GHz频率范围内具有- 20dB的隔离度和(0. 25 ±0. 1) dB的插损; 他们研制出的另一种π型MEMS开关在75~110GHz频率范围内的隔离度为- 30~-40dB,在90GHz时的插损为(0. 4 ±0. 1) dB。

2) 低激励电压。
一般电容式薄膜开关设计的驱动电压(20~80 V)对于许多应用来说是太高了。最近Pacheco等人设计了一种只需9V电压的静电驱动开关,但它的响应时间较长。为了缩短响应时间,提高开关速度,业界已经提出了双脉冲波形电压驱动的MEMS开关。

3) 单刀多掷。
在当今的无线通讯系统中通常需要开关矩阵,单刀多掷开关可以简化大尺寸开关矩阵的集成问题。 如Daneshmand等人提出的一个集成SP3TMEMS开关,它的3个悬臂梁的窄宽度顶端位于1个共面传输线上。

可变电容
基于MEMS的可变电容具有Q值高、损耗小、调节范围宽等优点,可以用来替代片外电感或片外压控变容二极管实现射频电路如压控振荡器(VCO) 、调谐滤波器等单片集成。当前主要有平行板结构和叉指结构这两种类型的MEMS可变电容。其中,平行板结构可变电容如图3所示,它是通过外加电压来调节在微机械弹簧悬浮面上的电极与衬底电极间的垂直距离,以实现电容大小的调节,其可变范围为50%;而叉指结构的可变电容是通过改变梳状交错程度来调节电容的有效面积,如Larson L. E. 等人于1991年就提出这种结构的MEMS可变电容,它是利用一个静电滑动电机驱动梳状结构运动,以改变叉指梳状电极的重叠面积,其叉指重叠距离变化范围为150~375μm 时,其电容值变化范围是35~100 pF。后来,Borwick等人研制出来的MEMS可变电容如图4所示,其电容值最大约为12pF,具有大于8. 4∶1的调节范围,驱动电压范围为3~30V,在700MHz以内其Q值大于100,在2. 25GHz以内其Q值仍大于30。


微型电感
电感最重要的性能指标是Q值。目前的集成电路芯片工艺是在硅衬底上将电感制作成平面螺旋形的微型电感,由于衬底介质存在损耗问题,因此,无法实现高Q 值。基于MEMS工艺的高Q值电感是采用体微加工去除部分衬底或表面微加工去除牺牲层,使电感悬浮于衬底上,如Jun-BoYoon等人设计的电感(图5所示) ,它在6GHz时Q值的最大值为70,1GHz时电感量为1. 38nH,自谐振频率高于20GHz。同样,基于MEMS的微型电感还可以设计成可调的。

它通常是利用线圈之间距离不同导致磁耦合系数和互感变化的原理,通过机械位移来控制线圈之间的距离就可以实现对电感值的调节。如Tassetti C. M. 等人设计的可调电感的最高变化比率达到50%,在驱动电压调节范围(0~150V) 内,电感值为0. 65~1nH。

谐振器
MEMS谐振器具有低功耗、小型化等优点,可以代替传统谐振器应用于无线通讯系统中。从工作方式上看,MEMS谐振器主要分为机械振动和非机械振动两种。

1) 利用机械振动制作的谐振器主要有:静电梳状谐振器、固定梁谐振器、自由梁谐振器和碟片结构谐振器,其主要特点是高Q值。静电梳状谐振器结构简单,可用CMOS工艺制造,但工作频率比较低。固定梁谐振器具有较高的谐振频率,但Q值不够高. 自由梁谐振器可以进一步提高Q 值,如KunWang等人研制的自由梁谐振器(如图6) ,其谐振频率可达90MHz,Q 值高于8400。而由Clark J. R. 等人提出的碟片结构谐振器的谐振频率更高,可达156MHz,Q值达到9400。

2) 非机械振动方式的谐振器主要有谐振腔结构和体声波谐振器,其主要特点是可以获得GHz数量级的工作频率. 谐振腔结构微谐振器主要是利用微波谐振腔和介质谐振器的一些理论来设计的,如StickelM, Eleftheriades GV, Kremer P等人给出的该类型谐振器的工作频率为30GHz,Q值>960。体声波谐振器是利用压电材料薄膜中激励的体声波(而不是表面声波) 做成的谐振器,其谐振频率可达1. 5 ~7. 5GHz。

移相器
基于MEMS工艺的微型化移相器已被广泛应用,并可以与其他射频电路一起实现单片集成。目前出现的MEMS移相器有以下几种类型:

1) 分布式MEMS移相器。如图7所示,它是在共面波导传输线上周期性的加载具有高电容比率的MEMS桥,使传输线成为一个慢波系统,达到相位延迟的目的。该移相器可在0~60GHz内工作,隔离度大于40dB,插损小于2dB;

2) 开关线式移相器.如图8所示,通过MEMS开关选择不同的通路来实现不同的路径延迟。整个移相器可实现0°~337. 5°步进22. 5 °的相移,工作在34GHz时,插损小于3. 0dB;

3) 其它移相器. Ko Y. J. 等人利用开路. 短路短截线制作的移相器工作在10. 7 ~ 12. 75 GHz时,平均插损2. 0 dB,平均相位误差2°. Sagkol H. 等人设计的可连续和离散变化的移相器,工作在15 GHz时,可实现0°~95°的连续相移。


天线
随着射频系统的工作频率向毫米波方向不断发展,基于MEMS的天线技术已经倍受人们的关注。目前基于MEMS的天线主要有两种:基于MEMS器件的可重构天线和基于异质衬底材料的微带天线。

基于MEMS器件的可重构天线可以实现频率可重构和方向图可重构两种功能. 例如Kiriazi J. 等人设计的双频段偶极天线和Weedon W. H. 等人制作的可重构微带贴片天线(3 ×3) (如图9所示) ,是通过控制MEMS开关的通断来调节天线的有效辐射面积,以获得频率的可重构。而Jung Chih Chiao等人则是使用SDA ( ScratchDrive Actuator) 来制作天线臂可动的V字形天线,实现方向图的可重构。

通常天线是做在低介电常数衬底上,采用MEMS微加工技术就可以将微带天线制作在高介电常数衬底上. 目前主要有以下3种做法(如图10所示):a) 将矩形贴片作在悬于空气腔的薄膜上;
b) 去除部分硅基片;
c) 在基底上制作光子带隙结构。这些做法的目的都是为了抑制沿基底传播的表面波,以提高天线的性能。

RF-MEMS工作原理

从上面各种类型RF2MEMS器件的结构上看,要实现器件参数的可控性或微调功能,最基本的工作原理是可控制的微操作机械运动,即通过能将其他能量转换成机械能的微操作器实现的。根据机械驱动的能量提供方式不同,微操作器一般可分为静电型、电磁型、压电型、热膨胀型等几种类型。而在射频电路中,通常要求快速的激励驱动,因此,RF-MEMS器件一般都是采用静电型或是电磁型的微操作器。静电驱动和电磁驱动的原理如图11、12所示。


静电驱动(如图11所示) 是利用异性电荷之间的库仑引力作用来实现机械运动的。当在两个平行极板上施加电压时,正、负电荷会分别聚集在两个极板上,极板间的电场强度为E。这时两个极板之间就会产生静电引力F,从而改变电极之间的距离d。静电操作器的驱动力取决于施加的电压、电极间距和面积,而与电极厚度和体积无关.电磁驱动(如图12所示) 是利用带电导线在磁场中产生运动来工作的。它需要两个主要的部件:磁铁和线圈。导体线圈处于磁铁产生的磁感应强度B 的磁场中,当在线圈中通入电流i时,线圈将受到电磁力F的作用而运动。如果固定线圈,则磁铁受力运动。电磁操作器的驱动力取决于施加的电流、线圈尺寸和磁铁的磁感应强度。表1列出了两种驱动方式各自的优缺点,设计时可根据特点选择合适的驱动方式。


RF-MEMS器件的关键工艺技术

从RF-MEMS的器件原理上看,器件性能主要体现在与普通集成电路( IC) 的芯片平面加工工艺不同,对RF-MEMS器件的加工需要有三维体加工的微机械工艺加工技术。能实现三维体加工的微机械工艺加工技术目前主要有:硅体微加工、表面微加工和L IGA工艺等。

目前硅体微加工主要是采用腐蚀技术来实现的,通常是用干法腐蚀和湿法腐蚀两种技术. 根据硅在各个晶向上是否具有相同的腐蚀速率,还可分各向同性腐蚀和各向异性腐蚀. 在进行湿法各向异性腐蚀时,需要注意腐蚀后的侧壁并不垂直于底面,如前面提到的在微带天线衬底上刻蚀出的空腔(如图10 - b)。这是因为在各向异性腐蚀中,腐蚀液对硅单晶(111) 的晶面腐蚀速率远比其他表面低,并且侧面(111) 晶面与底面(100) 晶面存在54. 74 °的夹角,故随着腐蚀深度的增加底面会逐渐减小,其减小量与腐蚀深度有关. 而腐蚀深度的严格控制可由自停止腐蚀技术来实现。

另外,硅在各向异性腐蚀时还会发生凸角腐蚀现象,使原来设计的图形发生变化,故必须进行凸角补偿.表面微加工主要靠在基底上逐层添加材料来构造微结构。表面微加工是把MEMS的“机械”部分制作沉积于牺牲层薄膜上,然后有选择地将牺牲层腐蚀掉,使结构薄膜局部与硅体部分分离,呈现可运动的表面微结构。 许多RF-MEMS器件都是采用这种技术来制作,如MEMS开关、可变电容、电感、谐振器等. 采用表面微加工技术需考虑3个重要的力学问题:层间粘附、界面应力、静态阻力.例如在设计MEMS开关时需要考虑到悬臂(或薄膜桥) 的残余应力导致控制电压的增大; 当桥被拉下时,桥与电极间的粘附力不得大于桥在该状态时的回复力,否则将导致开关失效。

LIGA是德语光刻(Lithographie) 、电镀( Galvanoformung)和压模(Abformung)的简称。它主要有以下几个步骤:曝光→显影→电镀→脱模→填充→去除金属. 在整个制作过程中需要注意的一点是所使用的衬底必须是导体或是涂有导电材料的绝缘体,这是为了完成流程中的第三步电镀。LIGA工艺与其他微细加工方法相比,具有如下优点:可实现大深宽比结构; 材料广泛,可以是金属、陶瓷、聚合物、导磁体等; 可制作高精度复杂图形; 易于大批量生产。LIGA工艺的不足之处是不适合制作多层结构,故无法制造可动微结构. 如果要制作出可动微结构器件,则需采用引入牺牲层技术后的SL IGA工艺。

可见,对于复杂结构的RF-MEMS器件,往往采用单一的MEMS工艺是无法实现的,必须考虑不同MEMS工艺的组合进行设计。就象集成电路平面工艺一样,不同工艺层的版图设计可以在同一芯片上加工出各种不同功能的半导体器件。

结束语

总的来说,在RF2MEMS器件设计时,首先需要考虑MEMS工艺的可行性。当某种单一MEMS工艺无法实现器件设计的功能时,通常是修改器件结构设计来保证RF-MEMS器件能够用其它MEMS工艺或MEMS组合工艺加工出来。然后,再根据前面介绍的相关工作原理和器件的功能需求来进行整体结构仿真设计,这样可以尽可能地避免制作出的系统失效,同时也避免了返工、设计周期拉长等情况的发生。

近年来,由于小型化无线通讯技术产品如手机等需求量的迅速增长,产品开发人员一直在追求那种在微型化、低功耗、低价位等性能上优异的RF-MEMS器件。尽管目前市场上已有一些高性能的RF-MEMS器件推出,但大部分RF-MEMS器件还是处于实验室研究阶段,需要不断的改进设计才能实现实用化。不过,可以相信随着MEMS工艺技术的发展,在不久的将来会有越来越多的RF-MEMS器件形成商业化产品。

相关推荐

SMI推出高精度、超低量程的压力传感器

产品与技术 2019-07-24

MEMS压力传感器的发展现状及趋势分析

MEMS  压力传感器  2013-10-24

无锡建成国内最先进MEMS智能传感器孵化器

MEMS  智能传感器  2013-09-16

社会智能化带动MEMS传感器技术转型

MEMS  传感器  2013-08-19

机构积极关注传感器行业 后市孕育投资机会

传感器  MEMS  2013-08-15

MEMS:拓展新兴应用 决战生态系统

MEMS  智能手机  2013-06-26
在线研讨会
焦点