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RF MEMS器件面面观
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Introduction of RF MEMS Devices
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■清华大学 微电子学研究所 刘泽文 刘理天
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相对于其他的MEMS器件及系统研究，射频微电子系统（RF-MEMS）器件是近年出现的新研究领域，所谓RF-MEMS就是利用MEMS技术制作各种用于无线通讯的射频器件或系统，包括各种无源器件如：片上高Q值谐振器，滤波器，微开关，微型天线以及电感、电容等。RF-MEMS技术可望实现无源器件和IC的高度集成，使制作集信息的采集、处理、传播于一体的系统集成芯片（SOC）成为可能。由于采用了各种MEMS微细加工工艺特别是表面牺牲层技术和体硅工艺，RF-MEMS器件不但几何尺寸小，其功能、物理性能等方面也有诸多优越性。比如利用移去衬底的悬浮结构，可大大降低由于低介电常数衬底(如硅)引起的涡流损耗。同时，随着MEMS技术的发展，在器件原理的运用、器件的结构设计等方面也越来越自由和灵活。
微机械滤波器和谐振器
在一个常规的超外差式接收器中，含有大量的滤波器和谐振器，其频率范围从数百Hz到数GHz。机械式滤波器具有Q值高、稳定性好等特点，已经被广泛用作各种信号处理过程。利用MEMS方法制作微型化的滤波器和谐振器是最早的RF-MEMS器件之一。到目前为止，已经研究出多种微型机械式滤波器。根据谐振器的结构特点，可分为静电梳状结构滤波器，固定梁滤波器，自由梁滤波器，体声波滤波器等。梳状结构滤波器通常由两个以上的微机械谐振器串联组成。其频率范围在低频（LF）与甚高频（VHF）之间。早期的双谐振器型滤波器的典型结构由用一个挠性模式耦合梁联系在一起的二个全同固定梁机械谐振器组成（图1），信号的输入和输出通过两个梳状的多晶硅电容能量转换器完成。机械式滤波器的工作频率由谐振器频率和耦合结构的性质（刚度k）及其几何尺寸（质量m）确定。由于体积较大，最初梳状滤波器工作频率在16
600KHz，如何提高器件工作频率是一个重要课题。提高主要有两种方式：其一是缩小器件尺寸以减小m。Cleland 和Roukes研究了一种尺寸接近纳米规模（7.7x0.8x0.33
m）的谐振梁，其中心频率为70.72MHz。可见其发展空间受到限制，其二是通过提高弹性耦合系统的刚度。利用所谓的双端固定的弹性梁和机械耦合结构，已经获得34.5MHz的谐振器。由于双端固定消耗较多的能量，为提高Q值，可采用双端自由的弹性梁结构。根据Michigan大学在近发表的结果，在特征尺寸为11.3
m时，这种结构滤波器的频率可达90MHz。
在上述弹性波滤波器的基础上，Michigan大学研制了另一种新型的碟片结构谐振器，其频率可达156MHz，Q值超过9400，是迄今为止频率最高的微机谐谐振器。该谐振器碟片结构的直径为34
m，仍有进一步发展的空间。由于这类微机械滤波器面临要求高偏置电压和真空封装等问题，离实用化尚有一定距离。
与此同时，为获得工作在GHz频率下滤波器，其他形式的滤波器和谐振器研究也受到重视。如体声波（BAW）和表面声波（SAW）滤波器。这种器件利用某些材料的压电特性，通过机电耦合形成滤波。与SAW相比，体声波（BAW）滤波器具有工艺简单、尺寸小等特点。清华大学微电子所利用PZT材料，利用微机械方法完成一种BAW滤波器，可工作在1-4GHz频率范围。
微共面线和微型波导
在K波段以上的微波与毫米波频段，用于前置滤波电路或镜像滤波器的谐振回路仍然是必不可少的。但传统的集总参数的LC器件电路不再适用。这一方面是由于导线的趋肤效应，使得导体中的热损耗大大增加，Q值大大下降。另一方面由于频率提高，回路中的L和C都必须很小，尽管利用微电子机械方法制作的微型电容或电感在某种程度可以满足要求，但这种LC谐振回路所能承受的振荡功率较小。因而使用微型化的分布参数的微波导或微传输线以构成新型的微谐振器和滤波器是一个重要的研究课题。随着MEMS研究的发展，在硅高阻衬底上制作微带传输线无源器件也深受关注。
已有报道利用硅微加工方法在500 m厚硅片上研制成功的用于X频段的高Q值微谐振腔，以及其它的用于微波线路的平面波导和耦合微带线滤波器，其操作频率在2GHz和110GHz之间。利用MEMS可将所谓的T形线构成的平面微带滤波器制作在1
1.5微米后的介质薄膜上，从而提高Q值。如采用键合技术将这种滤波器封闭在一个由硅形成的微腔里，可进一步减小辐射干扰和由辐射所造成的损耗。
LIGA工艺的特点是加工精度高、微结构侧壁垂直性好、在获得高深宽比（>10）、较高厚度(10 m-1mm)的金属结构方面有很大的优势。由于能获得高而且靠的很近的金属结构，该方法在制作较高功率、较强耦合的微波线路元件如耦合线、滤波器、叉指状电容器等方面是一个理想的工艺。值得一提的是Wisconsin大学利用LIGA微加工工艺制作的平面传输线和耦合滤波器，导体是用电镀方法制作在熔石英上的镍，其高度为200
m。该带通滤波器在中心频率附近（14GHz）的插入损耗为-0.15dB。在7.2 和19.3GHz时所测得的衰减为30dB，带宽系数达34%。
高Q值电压调谐电容器
使用于发生本地振荡信号的压控谐振器(VCO)的微型化是人们关注的重点。目前VCO是由片外电感（Q至少30）和片外电压调节的变容二极管电容器（Q至少40）的组合实现的。随着频率的提高和微型化要求，人们企图用传统IC工艺包括略为修改的MOS工艺和双极工艺制作LC
VCO。然而性能一直难以达到要求，特别是在用片上二极管代替上述上变容二极管时，前者的电阻大大超过后者，因而导致Q值严重下降。此外，电容的调节范围常常受所使用的电压的限制而达不到要求。
用微机械加工方法制作的由可移动的金属膜板组成的电压调节式电容器使片上二极管所存在的问题得到根本改善。其典型结构是把上电容极板由4个挠性结构支撑而悬挂在另一极板的上面，这一结构通常用牺牲层技术获得。在UC-Berkley的Young和Boser等人于1996年发表这种微机械压控电容器以后，目前已发表多种形式的微机械压控电容器。其中包扩上下极板固定，中间电极可变的三极板式可变电容（图2），其电容变化率为100%；Yao等人利用干法刻蚀工艺制作的梳状结构可调电容，在500MHz时其Q值为34，
当调节电压为14V时，其电容变化范围达200%。 1999年Colorado大学的Feng等人研制出了利用电热形变驱动的可变电容，这种电容的工作电压为5V，在1GHz时Q值可达256。
微电感
很显然，使用微型化可调电容只是解决了部分问题。为了获得足够大的Q值的谐振器（至少对于VCO来说），高Q值的电感器是必不可少的。利用IC技术制作的平面电感的电感器已有较长的历史，但所获得的性能均不够理想，其主要问题是Q值低。随着通讯频率的提高和硅技术的发展，制作微型化高Q值的平面电感成为迫切任务。导致Q值下降的原因很多，除了导体中固有的电阻损耗和涡流损耗外，在硅衬底中产生的寄生电容以及涡流损耗是主要原因。大的寄生电容不仅会降低Q值，也会降低其自振频率。运用微机械方法将会使这方面的研究取得较大的进展。主要的解决方法有：利用湿法工艺将电感做成悬空结构以减少衬底造成的损耗；或采用薄膜技术在硅上淀积绝缘材料，将电感制作在绝缘薄膜上。第一种方法由于彻底移去了衬底而有优势。如一种用于微波/毫米波的电感器，其电感为1.2
nH。若减薄衬底膜，所获得的自振频率为 70 GHz。在40 GHz 频率时电感器的Q值为60 - 80。在相同频率下，用此类方法制得的电感器的Q值是最高的。反之，在没有移去衬底的情况下，其自振频率为
22 GHz。
由于在导体中存在高频电场引起的涡流效应， 对平面线圈的导线的几何结构进行优化可使上述电感的Q值在某种程度上进一步提高。清华大学最近研制出一种微机械平面电感（图3），由于采用优化的金属结构，其理论Q值在2GHz是为18，这是普通平面电感所难以比拟的。
微机械方法使制作微型化三维螺旋电感成为可能，如1999年Yoon 等人发表的一种利用铜金属材料制作的14nH电感，其Q值在1.8GHz时为38，
远高于普通平面电感。利用三维微机械方法，还可以将电感线圈制作在磁芯上，这种电感由于可以在小尺寸下获得较大的电感值，对于较低频率的应用有一定的吸引力。
微型开关
对于一个多频道的通讯终端来说，要求滤波器同时具有窄的带宽，高的选择性、宽的调谐能力以及低的插入损耗是非常困难甚至不可能。在此情况下，只有利用开关将整个频域分成若干独立频段再通过滤波器进行选择。当频率高于GHz时，由于传统的有源器件开关（如PIN）往往会出高插入损耗(1
2dB)和底隔离度（-20 -25dB）等问题，因而研制用于GHz的微机械开关是一个研究热点。
RF-MEMS开关主要采用静电方式进行驱动。根据几何结构的不同，通常可分为桥式梁膜结构和悬臂梁式结构。根据其在电路中的应用，也可分成通过金属-金属接触的电阻耦合串联开关和通过金属-绝缘体-金属接触的电容耦合并联开关。微开关主要由上、下电极，信号通路等组成，通常采用表面微机械工艺。所涉及关键技术有金属淀积、牺牲层技术等。为保证隔离度，上下电极之间的距离通常为3-4mm，这使牺牲层材料的选择受到了限制，一般采用涂布聚合物作为牺牲层材料。一个典型的例子是Rockwell科学中心发表的一种金属接触串联开关(图4)。该开关的总体尺寸约100
m，采用聚酰亚胺作为牺牲层，梁膜材料为SiO2，所使用的金属材料为金。开关显示了良好的电学和机械特性，如在DC至40GHz频率范围内其插如损耗在0.2dB左右，在5GHz时隔离度好于-40dB。在1
40mA信号水平下其寿命为10万次，工作电压为60V。与串联式开关相比，电容耦合的并联开关具有更长的寿命（5万次）。如Raytheon系统公司开发的常微型开关，该开关制作在淀积了一层1
m厚的二氧化硅的高阻抗（>10KW）硅衬底上。试验结果表明，该开关在"开"状态下1GHz时的插入损耗为0.1dB，
在40GHz时为 0.3dB；在"关"态下的隔离度为在10GHz时-15dB，在35GHz下降为-5dB。这表明电容耦合的并联开关在隔离度方面有待进一步改进。加大两电极间距是一个有效的方法，然而将会提高工作电压并且减低开关速度，解决这一矛盾的方法是优化结构或采用新材料。国内华东师范大学和清华大学在这方面的研究已经取得一定成果，在用正性光刻胶牺牲层和金属膜结构，获得了具有较高隔离度的微机械开关。
微型天线
微机械加工方法已经被用于不同频段的平面或三维微型天线之中，以提高天线的效率或缩小天线的尺寸。其中微带天线由于简单，设计灵活易于集成已经得到广泛应用，包括遥测，雷达，
导航，和生物医学等。对于无线通讯来说，研制出用于0.9-4GHz波段的微小型天线有着重要意义，由于这一波段的应用涉及WLANs(900MHz-2.4GHz)，
GPS (1.5GHz)， Bluetooth(2.4GHz)等。如果不采用电小化设计，这一波段的天线的物理尺寸将大的难以接受。减小天线尺寸的方法通常是提高等效介电常数。然而高介电常数基底材料中表面波的显著激励，使微带天线性能明显降低。解决这一问题的方法是采用合适的平面微带线结构和馈线网络、部分去除衬底介质、采用光子带隙结构等。利用微机械加工方法，重庆大学最近在高介电常数的硅材料基底上获得了一种微带贴片天线，此天线的主模式为TM10，其中心频率为4.1GHz，带宽约为3％，微带线尺寸为28.0x24.0mm。
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