射频微电子机械系统的发展与展望

介绍了射频微电子机械系统 ( RF MEMS)的最新进展、研究内容及应用前景。该系统装置包括开关、继电器、电容器、电感器、滤波器及微波和毫米波元件。

X波段高集成硅基射频微系统

设计并制备了一款基于微电子机械系统(MEMS)工艺的小型化X波段硅基射频微系统,该微系统集成了变频器、功率放大器和MEMS双滤波器等,可实现信号的变频、滤波、放大。该微系统实现了硅基片上有源及无源芯片的异质集成,通过在硅基片上直接集成MEMS双滤波器及紧凑型布线分布实现了小型化,并通过在微系统内部的设计优化解决了芯片间级联匹配带来的寄生问题。该微系统尺寸8.5 mm×11 mm×1 mm,工作频率8~8.5 GHz,带内增益≥5 dB(平坦度≤±0.5 dB),带外抑制>80 dBc@7.5 GHz&9 GHz,中频输入端口驻波比≤1.7,射频输出端口驻波比≤1.4,满足设计及使用要求。此类硅基微系统具有高集成、小型化、方便使用等优点,是未来射频微系统的重要发展方向。

电磁型双稳态射频开关的微机械结构设计

提出了利用电磁驱动机理优点的双稳态射频微电子机械系统(RFMEMS)开关结构形式.开关的微驱动部分由导磁的悬梁、扭梁和线圈、永磁体组成.由于采用了永磁铁单元,可以实现对开关的双稳态电磁控制,从而降低了开关的功耗.对开关的微机械结构进行力学分析的结果表明,含有加强筋结构的开关模型,在12μN力的作用下,可以使悬梁两端产生20μm的位移,此时系统的固有振动频率约为5.7kHz.

基于MEMS技术的三维集成射频收发微系统

基于电学互连的贯穿硅通孔(TSV)和高精度圆片级键合等MEMS加工技术,提出了一种硅基射频收发微系统的三维集成结构设计方案,在硅基衬底上将MEMS滤波器、MMIC芯片和控制芯片在垂直方向上集成为单个系统级封装芯片,开发了一套可应用于制备三维集成射频收发微系统的MEMS加工工艺流程。通过基于MEMS技术的三维集成工艺,成功制备了三维集成C波段射频收发微系统芯片样品,芯片样品尺寸为14 mm×11 mm×1.4 mm,测试结果表明,制作的三维集成C波段射频收发微系统样品技术指标符合设计预期,实现了在硅基衬底上有源器件和无源器件的三维集成,验证了所开发工艺的可行性。

射频微机械开关的计算机辅助设计

应用计算机辅助设计 (CAD)方法模拟设计一种射频微机械 (RF- MEMS)开关 .用 Agilent ADS软件模拟分析了共面波导的传输线损耗和 MEMS开关的等效电路模型 ,并应用 ANSYS软件模拟开关的驱动电压 ,得到了35 GHz工作频率的并联电容式 MEMS开关一些有意义的理论分析结果 .

PZT材料在射频滤波器中的应用

锆钛酸铅 (PZT)材料有着优良的压电性能 ,其薄膜具有高机电耦合系数、高品质因数的特点 ,适合于制作低插损、大带宽的射频 (RF)滤波器。文中介绍了 RF体声波滤波器的原理、结构和 PZT的材料特性 ,探讨了PZT薄膜的制备、退火、刻蚀工艺的选择与优化 ,并在此基础上设计了应用 PZT薄膜的体声波滤波器 。

基于MEMS技术的射频移相器

微波与毫米波移相器是通讯和雷达应用上相控阵天线的基本单元,MEMS技术的引入提供了一个在移相器设计中用最小损耗的开关来大量减少移相器插入损耗的方法,该方法可以降低器件的功耗,改善插入损耗、隔离度、频带宽度等性能。相比于GaAs移相器,基于MEMS开关的射频移相器,无论是开关线型、分布式或是反射型,都有很好的RF性能。

高隔离度宽频段组合式RF-MEMS开关的设计

接触式与电容耦合式两类RFMEMS开关各自在一定的频段内,都具有较高的隔离度,但仍然很难满足微波控制系统中对高隔离度的要求。为了获得全波段高隔离度RFMEMS开关,单元开关很难达到要求,在此目标要求下,提出了组合式RFMEMS开关的设计,分别利用HFSS软件对各单元进行结构参数优化,再将两者集成在一起,得到的组合式RFMEMS开关,这种组合式开关在0～20GHz时隔离度都高于-60dB,在(≤5GHz),隔离度高于-70dB,这是一般单元开关及其他半导体固态开关所无法企及的,而且,在DC～20GHz范围内,开关的插入损耗小于-0.20dB,而且并没因隔离度的提高,牺牲了插入损耗。

基于硅表面加工工艺的射频体声波滤波器研究

计算并讨论了由电极 -压电薄膜 -电极的三明治结构组成的体声波谐振器在有衬底情况下的阻抗 ,特别说明了厚的支撑膜对滤波器性能的严重影响。同时比较了在制作体声波滤波器时硅的体加工工艺和表面加工工艺的优劣 。

一种双稳态电磁型射频MEMS开关的设计与测试

设计了一种低电压驱动的双稳态电磁型射频MEMS开关。与驱动电压高达几十伏的静电型射频MEMS开关相比,其驱动电压可低至几伏,因此应用时无需增加电荷泵等升压电路。开关可在磁场驱动下实现双稳态切换,稳态时无直流功率消耗。分析了工作磁场的分布特点,进行了结构设计仿真;并使用HFSS软件和粒子群算法进行了射频参数仿真、结构参数优化及主要结构参数显著性研究,得出了影响开关射频传输性能的主要结构参数;采用表面牺牲层工艺制作了原理样机并进行了射频性能参数的测试。结果表明,开关样机在DC^3 GHz工作频率区间内,插入损耗小于0.25 d B,隔离度大于40 d B。

低驱动电压电容式RF MEMS开关结构设计优化

RFMEMS开关将成为微波、高频信号控制的关键器件。针对其驱动电压过高,不能满足现代通信系统低电压的要求,推导了电容式RFMEMS开关驱动电压的理论公式;基于降低开关柔顺结构的弹性系数、驱动电极上极板与可变电容上极板分离的思路,优化设计了三种具有不同的连接梁和支撑梁结构形式的开关微桥柔顺结构。第一种结构为驱动电极板和电容上极板之间以双直梁连接;第二种结构以一组弹性折叠梁代替结构一中的双直梁;第三种结构是在结构二的基础上,改变了起支撑作用的弹性折叠梁的方向。使用MEMS CAD软件CoventorWare对开关结构进行了机电耦合仿真,仿真结果表明开关的驱动电压小于3V。

静电式RF MEMS开关的可靠性

MEMS开关是最常见的RF MEMS控制元件,是RF结构中一个关键的MEMS器件。长期可靠性是目前制约MEMS开关商业化进程中的一个主要问题。主要综述了静电式RF MEMS开关可靠性的新进展。欧姆式开关通常由于黏附或接触电阻的增大而失效,电容式开关的主要失效机理则与电介质层的充电有关。接触材料的选择是决定欧姆开关可靠性最重要的一个因素,"主动断开/被动接触"MEMS开关适用于软金属材料欧姆接触的可靠性要求。改善电容式开关可靠性的途径是改善介电层、优化驱动电压波形等以减小介质层的充电。

串联电容式RF MEMS开关设计与制造研究

介绍了一种串联电容式RF MEMS开关的设计与制造。所设计的串联电容式RF MEMS开关利用薄膜淀积中产生的内应力使MEMS桥膜向上发生翘曲,从而提高所设计的开关的隔离度,克服了串联电容式RF MEMS开关通常只有在1GHz以下才能获得较高隔离度的缺点。其工艺与并联电容式RF MEMS开关完全相同,解决了并联电容式RF MEMS开关不能应用于低频段（〈10GHz）的问题。其插入损耗为-0.88dB@3GHz,在6GHz以上,插入损耗为-0.5dB;隔离度为-33.5dB@900MHz、-24dB@3GH和-20dB@5GHz,适合于3-5GHz频段的应用。

RF MEMS电容式并联开关的研制

通过分析MEMS电容式并联开关的工作原理,设计并制作出一款适合Ka波段分布式MEMS移相器的电容式开关。通过理论计算和经验选取,初步得到了MEMS电容式并联开关的结构尺寸。采用HFSS软件建立了开关的三维电磁场模型并优化了关键结构参数。仿真表明开关在Ka波段插入损耗小于0.15dB,回波损耗大于15dB。采用CoventorWare软件进行了开关的机电耦合仿真,得出其驱动电压为2.1V。为了满足流片单位的实际工艺约束条件,对开关的设计版图和微加工工艺进行了多轮改进,研制成功MEMS电容式并联开关工艺样品。开关动态特性测试表明,在驱动电压36V时,桥下拉的高度约为2μm。

X波段MEMS硅腔折叠基片集成波导环行器芯片

通信系统向小型化、高性能、集成化的快速发展对射频组件的体积和电性能提出了苛刻的要求。设计了一种X波段硅腔折叠基片集成波导(FSIW)环行器芯片。当基片集成波导(SIW)工作于主模时,将中央的对称面等效为虚拟磁壁,沿着窄边对电磁场进行多次折叠,形成FSIW。以该技术作为设计思路,提高空间利用率,实现了FSIW整体结构的小型化。将FSIW的优势融入环行器中心结设计,使设计的环行器芯片具有高功率容量、低插入损耗、体积小、质量轻的优点。基于微电子机械系统(MEMS)工艺,以高阻硅为衬底材料,制备了该硅腔FSIW环行器芯片,芯片整体尺寸为6.5 mm×6 mm×2.5 mm,工作频率为8.5~11.5 GHz,回波损耗>18.5 dB,带内插入损耗<0.4 dB,隔离度>20 dB。

毫米波RF-MEMS单片集成0/π移相器

介绍了一种毫米波RF-MEMS单片集成反射型0/π移相器的设计、制造和测试。实测性能与设计结果吻合较好,达到的电性能指标为:在35GHz-38GHz频率范围内,电压驻波比小于1.8,参考态插入损耗为3.5±1.0dB,相移态插入损耗为2.0±0.6dB,相移为180°±6°。芯片尺寸:2.6mm×2.1mm×0.2mm。满足了插损低并具有电路拓扑的要求。

一种用于RF MEMS移相器及开关可变电容的复合微桥膜结构

提出了一种基于微机械工艺的新型复合微桥膜结构 ,由低应力SiN/SiO2 (0 .5 μm/5 0nm )及Cr/Au(30nm/1μm)构成。相应的工艺流程较为简单。对影响其特性的因素进行了理论分析 ,并提出了 3种桥膜的平面结构 ;利用静电 /力耦合有限元法分析了各种结构的静电驱动特性以及各阶模态 ,结果得到了令人满意的驱动和机械性能 ;通过有限元高频仿真软件对桥膜结构与共面波导形成的可调电容结构进行了分析 ,结果表明其具有良好的射频 /微波性能。该桥膜结构适用于RFMEMS开关。

RF-MEMS器件及其关键工艺技术

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.

新型RF MEMS开关的动态表征

一种基于UV-LIGA加工技术的双稳态电磁型RF MEMS开关,由于其结构使用了永磁体单元而使得开关在维持"开"或"关"态时不需要功耗,从而实现低功耗的电磁驱动.利用非接触式Wyko NT1 100光学轮廓仪所附带的动态测量系统(DMEMS),对开关的动态响应进行了测量.测量结果表明开关实现了双稳态驱动,开关实现状态完全切换到位对应的响应时间不到20μs.

电容式RFMEMS开关膜片边缘场效应的表征

计及电容式RF MEMS开关膜片上电场分布的边缘场效应后,很难建立高保真的开关自驱动失效阈值功率解析模型。因此,采用膜片承受射频信号功率的面积(ARF)和膜片与传输线的正对面积(A)的比值构建优值(Fo M),以表征膜片上电场分布的边缘场效应强弱。利用HFSS软件建立了开关自驱动失效的三维电磁模型;以一种常见的开关构型为案例,仿真得到了多种射频信号功率(Pin)和开关气隙高度(g0)条件下膜片边缘电场分布,并与优值计算结果进行了对比验证,初步证明了采用优值ARF/A表征膜片上电场分布的边缘场效应强度的可行性。