MEMS開(kāi)關(guān)發(fā)展及現(xiàn)狀

給出了傳統(tǒng)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)和近二十多年開(kāi)發(fā)出來(lái)的MEMS開(kāi)關(guān)的比較，在高頻通訊中大量使用的就是PIN和FET半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，對(duì)于這種現(xiàn)有的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，從表中比較可以看出，隨著頻率的不斷升高，其開(kāi)關(guān)特性越來(lái)越低。如FET開(kāi)關(guān)，40~100 GHz頻率段，幾乎失去了開(kāi)關(guān)作用。PIN二極管開(kāi)關(guān)也發(fā)生類(lèi)似的劣化。"para" label-module="para">

與此相反，有實(shí)質(zhì)性狹縫和金屬接點(diǎn)的MEMS開(kāi)關(guān)卻能通過(guò)實(shí)質(zhì)性金屬接點(diǎn)的開(kāi)合，在高頻段維持很高的絕緣指標(biāo)。這就是機(jī)械式開(kāi)關(guān)在高頻通訊中復(fù)活并被人們寄予厚望的原因。并且，狹縫機(jī)距離的增高，開(kāi)關(guān)的高頻絕緣還可設(shè)計(jì)得更高。MEMS是使用半導(dǎo)體技術(shù)制作三維結(jié)構(gòu)的細(xì)微可動(dòng)元件的技術(shù)。Above IC中在CMOS LSI上嵌入有基于MEMS的RF開(kāi)關(guān),該公司打算將Above IC配備到手機(jī)等便攜終端上使用,目的是提高手機(jī)的基本性能，其中包括通話(huà)時(shí)間的延長(zhǎng)等。意法合資的意法半導(dǎo)體(STMicroelec-tronics，ST)發(fā)表了運(yùn)用基于MEMS的“Above IC”技術(shù)試制成功的RF開(kāi)關(guān)樣品。

在MEMS開(kāi)關(guān)發(fā)明之前，高頻轉(zhuǎn)換都是由發(fā)明于20世紀(jì)70年代的機(jī)械式或者干簧繼電器來(lái)完成的。最近十年，MEMS技術(shù)取得了飛速發(fā)展，出現(xiàn)了一大批新型傳感器、微機(jī)械、微結(jié)構(gòu)和控制元件，有些器件和結(jié)構(gòu)已實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化，而有些即將被推入市場(chǎng)。MEMS技術(shù)提高了轉(zhuǎn)換效率，最早的MEMS開(kāi)關(guān)是Petersen于1979年研制的0.35 μm厚、金屬包覆的靜電懸臂梁開(kāi)關(guān)。但由于制作工藝的限制，此后的十年里MEMS開(kāi)關(guān)沒(méi)有取得太大的進(jìn)展。直到20世紀(jì)90年代，MEMS開(kāi)關(guān)才獲得了巨大發(fā)展。1991年，Larson制作了旋轉(zhuǎn)傳輸線(xiàn)式開(kāi)關(guān)。1995年，Yao采用表面微加工工藝制作懸臂梁開(kāi)關(guān)。1996年，Goldsmith研制出低閾值電壓的膜開(kāi)關(guān)。為了降低開(kāi)關(guān)的閾值電壓，提高開(kāi)關(guān)的開(kāi)態(tài)穩(wěn)定性和能量處理能力，1998年P(guān)achero設(shè)計(jì)了螺旋型懸臂式和大激勵(lì)極板的MEMS開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)。開(kāi)關(guān)是微波信號(hào)變換的關(guān)鍵元件。和傳統(tǒng)的P-I-N二極管開(kāi)關(guān)及FET 開(kāi)關(guān)相比，由于消除了P-N結(jié)和金屬半導(dǎo)體結(jié)，MEMS開(kāi)關(guān)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 減小了歐姆接觸中的接觸電阻和擴(kuò)散電阻，顯著地降低了器件的歐姆損耗，高電導(dǎo)率金屬膜能以極低的損耗傳輸微波信號(hào)；

(2) 消除了由于半導(dǎo)體結(jié)引起的"para" label-module="para">

(3) RF MEMS開(kāi)關(guān)靜電驅(qū)動(dòng)僅需極低的瞬態(tài)能量，其典型值大約是10 nJ。當(dāng)然，MEMS開(kāi)關(guān)微秒級(jí)的開(kāi)關(guān)速度使他們無(wú)法應(yīng)用于高速領(lǐng)域。

由于沒(méi)有非線(xiàn)性，減少了開(kāi)關(guān)諧波分量，提高了開(kāi)關(guān)處理能力。因此，MEMS開(kāi)關(guān)線(xiàn)性度佳、隔離度高;驅(qū)動(dòng)功耗低；工作頻帶寬，截止頻率高(一般大于1 000 GHz)。MEMS開(kāi)關(guān)主要采用靜電驅(qū)動(dòng)，從其在電路中的應(yīng)用，可分成金屬-金屬接觸的電阻接觸串聯(lián)開(kāi)關(guān)和金屬-絕緣-金屬接觸的電容耦合并聯(lián)開(kāi)關(guān)。

相對(duì)于其他的MEMS器件及系統(tǒng)研究，射頻微電子機(jī)械系統(tǒng)(RF MEMS)是近年出現(xiàn)的新研究領(lǐng)域，所謂RF MEMS就是利用MEMS技術(shù)制作各種用于無(wú)線(xiàn)通訊的射頻器件或系統(tǒng)。RF MEMS包括應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)通訊領(lǐng)域的各種無(wú)源器件如：高Q值諧振器、濾波器、RF MEMS開(kāi)關(guān)、微型天線(xiàn)以及電感、電容等。

MEMS(Micro Electro Mechanical Systems，微電子機(jī)械系統(tǒng))始于20世紀(jì)60年代，加利福尼亞和貝爾實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)出微型硅壓力傳感器，70年代開(kāi)發(fā)出硅片色譜儀、微型繼電器。70～80 年代利用微機(jī)械技術(shù)制作出多種微小尺寸的機(jī)械零部件。1988年UC-Muller小組制作了硅靜電馬達(dá)，1989年NSF召開(kāi)研討會(huì)，提出了“微電子技術(shù)應(yīng)用于電(子)機(jī)系統(tǒng)”。微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)是建立在微米/納米技術(shù)基礎(chǔ)上的21世紀(jì)前沿技術(shù)，是指對(duì)微米/納米材料進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工、制造、測(cè)量和控制的技術(shù)。他可將機(jī)械構(gòu)件、光學(xué)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)部件、電控系統(tǒng)集成為一個(gè)整體單元的微型系統(tǒng)。這種微電子機(jī)械系統(tǒng)不僅能夠采集、處理與發(fā)送信息或指令，還能夠按照所獲取的信息自主地或根據(jù)外部的指令采取行動(dòng)。他用微電子技術(shù)和微加工技術(shù)(包括硅體微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片鍵合等技術(shù))相結(jié)合的制造工藝，制造出各種性能優(yōu)異、價(jià)格低廉、微型化的傳感器、執(zhí)行器、驅(qū)動(dòng)器和微系統(tǒng)。微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型多學(xué)科交叉的技術(shù)，該技術(shù)將對(duì)未來(lái)人類(lèi)生活產(chǎn)生革命性的影響，他涉及機(jī)械、電子、化學(xué)、物理、光學(xué)、生物、材料等多學(xué)科。

技術(shù)的基本特點(diǎn)主要包括：

尺寸在毫米到微米范圍內(nèi)；

基于硅微加工技術(shù)制造；

與微電子芯片類(lèi)同,可以批量、低成本生產(chǎn)；

MEMS機(jī)械一體化代表一切具有能量轉(zhuǎn)化、傳輸?shù)裙δ艿男?yīng):包括力、熱、聲、光、磁乃至化學(xué)、生物等；

MEMS 目標(biāo)是具有智能化的微系統(tǒng)。

對(duì)MEMS 的需求產(chǎn)業(yè)主要來(lái)自于汽車(chē)工業(yè)、通信網(wǎng)絡(luò)信息業(yè)、軍事裝備應(yīng)用、生物醫(yī)學(xué)工程；而按專(zhuān)業(yè)MEMS 分4大類(lèi)：傳感MEMS技術(shù)、生物MEMS技術(shù)、光學(xué)MEMS技術(shù)、射頻MEMS技術(shù)。

MEMS器件很快在射頻性能上超過(guò)固態(tài)電子器件，即使早期的MEMS器件在20GHz時(shí)的開(kāi)態(tài)插入損耗也只有0.15dB，在相同頻率下的一個(gè)典型GaAs-FET或PIN二極管的插入損耗接近1dB。

在低于1GHz頻率的應(yīng)用情況中，固態(tài)電子開(kāi)關(guān)仍然是首選。它們很便宜、低損耗、易于集成，應(yīng)用廣泛。固態(tài)電子開(kāi)關(guān)在千兆赫茲以上時(shí)，損耗開(kāi)始增加，并變得難于集成進(jìn)開(kāi)關(guān)。這時(shí)候MEMS開(kāi)關(guān)的優(yōu)勢(shì)就變得明顯起來(lái)。它們既沒(méi)有固態(tài)電子開(kāi)關(guān)快，可靠性也不高，但它們?cè)陔姎庑阅苌媳裙虘B(tài)電子開(kāi)關(guān)更勝一籌。MEMS開(kāi)關(guān)即使在40GHz時(shí)，插入損耗也很容易達(dá)到0.1dB。開(kāi)關(guān)時(shí)間一般在幾十微秒，循環(huán)次數(shù)達(dá)到幾十億次。近年來(lái)，處理功率達(dá)到幾瓦的開(kāi)關(guān)也已被報(bào)道。

我們今天所知道的MEMS開(kāi)關(guān)的概念是在20世紀(jì)80年代末期90年代初期被提出的。第一份公開(kāi)發(fā)表的論文只是提出了MEMS器件的概念，同時(shí)指出了器件設(shè)計(jì)面臨的一些挑戰(zhàn)以及它的潛在應(yīng)用(Koester et al. 1996)。尤其是MEMS開(kāi)關(guān)對(duì)射頻工程師具有巨大的吸引力，它們的潛力包括減少芯片的總面積、功耗和器件成本。一個(gè)RF MEMS開(kāi)關(guān)的照片如圖1中所示。MEMS器件最初被唯一的制作在硅襯底上是因?yàn)榧呻娐芬彩潜恢圃煸诠枭稀９璨牧系膶傩院凸枭系闹圃旃に囈呀?jīng)為我們所熟知。

國(guó)內(nèi)的RF MEMS開(kāi)關(guān)研究已經(jīng)有很大的進(jìn)步，很多已報(bào)道的開(kāi)關(guān)都具有很優(yōu)良的性能，但與國(guó)外的研究相比，在性能和可靠性上還有一定差距，并且在結(jié)構(gòu)上還有些簡(jiǎn)單，可靠性也有待提高，還有很多方面需要提高：

( 1) 由于電磁驅(qū)動(dòng)的RF MEMS開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)的特殊性，使得磁場(chǎng)分布不均勻，漏磁比較多，必須研究?jī)?yōu)化電磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的方法以減小功耗和提高驅(qū)動(dòng)力。

( 2) 為了能滿(mǎn)足射頻器件集成化和微型化的要求，電磁驅(qū)動(dòng)RF MEMS開(kāi)關(guān)需要制作更小尺寸線(xiàn)圈。

( 3) 加快RF MEMS開(kāi)關(guān)可靠性研究，金屬接觸以及開(kāi)關(guān)失效原因的研究是提高開(kāi)關(guān)壽命有效途徑。

( 4) 封裝問(wèn)題是MEMS產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)商品化的前提，因?yàn)镸EM S產(chǎn)品容易受周?chē)h(huán)境的影響，RF MEMS電路正常工作很大程度上取決于由封裝所提供的內(nèi)部環(huán)境與保護(hù)。而有關(guān)MEMS封裝的研究還處于初級(jí)階段，MEMS器件的多樣性和非密封性往往需要為每種器件單獨(dú)開(kāi)發(fā)相應(yīng)的封裝技術(shù)，需要在不影響MEMS器件性能的前提下，為設(shè)計(jì)者提供一系列標(biāo)準(zhǔn)化的封裝技術(shù)。

對(duì)很多MEMS設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，手機(jī)市場(chǎng)是巨大的誘惑。全球的無(wú)線(xiàn)市場(chǎng)在2005年時(shí)已經(jīng)達(dá)到了5550億美元，而且預(yù)計(jì)到2010年時(shí)會(huì)增長(zhǎng)到8000億美元(Reuters 2006)。對(duì)那些能把RF MEMS集成進(jìn)手機(jī)中的公司來(lái)說(shuō)，這代表著一個(gè)巨大的資金來(lái)源。通過(guò)使用RF MEMS開(kāi)關(guān)、電容器、電感等一系列元件，手機(jī)可以實(shí)現(xiàn)極好的可重構(gòu)性能。手機(jī)毫無(wú)疑問(wèn)可以工作在任何頻率，或者是任何頻道，符合任何標(biāo)準(zhǔn)，在任何地點(diǎn)使用。漏接電話(huà)的事情將不會(huì)在發(fā)生。使用固態(tài)電子器件去實(shí)現(xiàn)這些作用時(shí)，很多性能限制將會(huì)出現(xiàn)。

移相器大量應(yīng)用于相控陣系統(tǒng)中，是相控陣?yán)走_(dá)、衛(wèi)星通信及微波測(cè)量系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件之一。本項(xiàng)目研究一種新型的結(jié)合MEMS技術(shù)制備的低損耗開(kāi)關(guān)線(xiàn)型移相器，該器件通過(guò)在傳輸線(xiàn)上加載高性能接觸式MEMS開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)不同電長(zhǎng)度傳輸通道的選擇，從而得到不同的相移量。項(xiàng)目研究并實(shí)現(xiàn)硅基上的低損耗、低驅(qū)動(dòng)、高相移精度的開(kāi)關(guān)線(xiàn)型MEMS移相器，有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、成本低、易于與IC、MMIC集成等優(yōu)點(diǎn)。該MEMS

1、MEMS氣體流量傳感器：高精度，檢測(cè)流量范圍廣，適用于各種需求的流量計(jì)測(cè)。

2、MEMS壓力傳感器：性能偏差小的MEMS壓力傳感器。

3、MEMS非接觸溫度傳感器：對(duì)靜止人體也能檢測(cè)，高靈敏度的人體感應(yīng)傳感器。

4、MEMS開(kāi)關(guān)：高頻，小型，長(zhǎng)壽命的MEMS開(kāi)關(guān)。