MEMS開關(guān)技術(shù)

MEMS(Micro Electro Mechanical Systems，微電子機械系統(tǒng))始于20世紀60年代，加利福尼亞和貝爾實驗室開發(fā)出微型硅壓力傳感器，70年代開發(fā)出硅片色譜儀、微型繼電器。70～80 年代利用微機械技術(shù)制作出多種微小尺寸的機械零部件。1988年UC-Muller小組制作了硅靜電馬達，1989年NSF召開研討會，提出了“微電子技術(shù)應用于電(子)機系統(tǒng)”。微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)是建立在微米/納米技術(shù)基礎上的21世紀前沿技術(shù)，是指對微米/納米材料進行設計、加工、制造、測量和控制的技術(shù)。他可將機械構(gòu)件、光學系統(tǒng)、驅(qū)動部件、電控系統(tǒng)集成為一個整體單元的微型系統(tǒng)。這種微電子機械系統(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。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、價格低廉、微型化的傳感器、執(zhí)行器、驅(qū)動器和微系統(tǒng)。微電子機械系統(tǒng)(MEMS)是近年來發(fā)展起來的一種新型多學科交叉的技術(shù)，該技術(shù)將對未來人類生活產(chǎn)生革命性的影響，他涉及機械、電子、化學、物理、光學、生物、材料等多學科。

技術(shù)的基本特點主要包括：

尺寸在毫米到微米范圍內(nèi)；

基于硅微加工技術(shù)制造；

與微電子芯片類同,可以批量、低成本生產(chǎn)；

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

MEMS 目標是具有智能化的微系統(tǒng)。

對MEMS 的需求產(chǎn)業(yè)主要來自于汽車工業(yè)、通信網(wǎng)絡信息業(yè)、軍事裝備應用、生物醫(yī)學工程；而按專業(yè)MEMS 分4大類：傳感MEMS技術(shù)、生物MEMS技術(shù)、光學MEMS技術(shù)、射頻MEMS技術(shù)。

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

在低于1GHz頻率的應用情況中，固態(tài)電子開關(guān)仍然是首選。它們很便宜、低損耗、易于集成，應用廣泛。固態(tài)電子開關(guān)在千兆赫茲以上時，損耗開始增加，并變得難于集成進開關(guān)。這時候MEMS開關(guān)的優(yōu)勢就變得明顯起來。它們既沒有固態(tài)電子開關(guān)快，可靠性也不高，但它們在電氣性能上比固態(tài)電子開關(guān)更勝一籌。MEMS開關(guān)即使在40GHz時，插入損耗也很容易達到0.1dB。開關(guān)時間一般在幾十微秒，循環(huán)次數(shù)達到幾十億次。近年來，處理功率達到幾瓦的開關(guān)也已被報道。

我們今天所知道的MEMS開關(guān)的概念是在20世紀80年代末期90年代初期被提出的。第一份公開發(fā)表的論文只是提出了MEMS器件的概念，同時指出了器件設計面臨的一些挑戰(zhàn)以及它的潛在應用(Koester et al. 1996)。尤其是MEMS開關(guān)對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RF MEMS開關(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為集成電路也是被制造在硅上。硅材料的屬性和硅上的制造工藝已經(jīng)為我們所熟知。

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

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

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

(3) RF MEMS開關(guān)靜電驅(qū)動僅需極低的瞬態(tài)能量，其典型值大約是10 nJ。當然，MEMS開關(guān)微秒級的開關(guān)速度使他們無法應用于高速領(lǐng)域。

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

相對于其他的MEMS器件及系統(tǒng)研究，射頻微電子機械系統(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)制作各種用于無線通訊的射頻器件或系統(tǒng)。RF MEMS包括應用于無線通訊領(lǐng)域的各種無源器件如：高Q值諧振器、濾波器、RF MEMS開關(guān)、微型天線以及電感、電容等。

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

與此相反，有實質(zhì)性狹縫和金屬接點的MEMS開關(guān)卻能通過實質(zhì)性金屬接點的開合，在高頻段維持很高的絕緣指標。這就是機械式開關(guān)在高頻通訊中復活并被人們寄予厚望的原因。并且，狹縫機距離的增高，開關(guān)的高頻絕緣還可設計得更高。MEMS是使用半導體技術(shù)制作三維結(jié)構(gòu)的細微可動元件的技術(shù)。Above IC中在CMOS LSI上嵌入有基于MEMS的RF開關(guān),該公司打算將Above IC配備到手機等便攜終端上使用,目的是提高手機的基本性能，其中包括通話時間的延長等。意法合資的意法半導體(STMicroelec-tronics，ST)發(fā)表了運用基于MEMS的“Above IC”技術(shù)試制成功的RF開關(guān)樣品。

國內(nèi)的RF MEMS開關(guān)研究已經(jīng)有很大的進步，很多已報道的開關(guān)都具有很優(yōu)良的性能，但與國外的研究相比，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)動的RF MEMS開關(guān)結(jié)構(gòu)的特殊性，使得磁場分布不均勻，漏磁比較多，必須研究優(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)動力。

( 2) 為了能滿足射頻器件集成化和微型化的要求，電磁驅(qū)動RF MEMS開關(guān)需要制作更小尺寸線圈。

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

( 4) 封裝問題是MEMS產(chǎn)品實現(xiàn)商品化的前提，因為MEM S產(chǎn)品容易受周圍環(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。而有關(guān)MEMS封裝的研究還處于初級階段，MEMS器件的多樣性和非密封性往往需要為每種器件單獨開發(fā)相應的封裝技術(shù)，需要在不影響MEMS器件性能的前提下，為設計者提供一系列標準化的封裝技術(shù)。

對很多MEMS設計者來說，手機市場是巨大的誘惑。全球的無線市場在2005年時已經(jīng)達到了5550億美元，而且預計到2010年時會增長到8000億美元(Reuters 2006)。對那些能把RF MEMS集成進手機中的公司來說，這代表著一個巨大的資金來源。通過使用RF MEMS開關(guān)、電容器、電感等一系列元件，手機可以實現(xiàn)極好的可重構(gòu)性能。手機毫無疑問可以工作在任何頻率，或者是任何頻道，符合任何標準，在任何地點使用。漏接電話的事情將不會在發(fā)生。使用固態(tài)電子器件去實現(xiàn)這些作用時，很多性能限制將會出現(xiàn)。

移相器大量應用于相控陣系統(tǒng)中，是相控陣雷達、衛(wèi)星通信及微波測量系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件之一。本項目研究一種新型的結(jié)合MEMS技術(shù)制備的低損耗開關(guān)線型移相器，該器件通過在傳輸線上加載高性能接觸式MEMS開關(guān)實現(xiàn)不同電長度傳輸通道的選擇，從而得到不同的相移量。項目研究并實現(xiàn)硅基上的低損耗、低驅(qū)動、高相移精度的開關(guān)線型MEMS移相器，有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、成本低、易于與IC、MMIC集成等優(yōu)點。該MEMS

1、MEMS氣體流量傳感器：高精度，檢測流量范圍廣，適用于各種需求的流量計測。

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：對靜止人體也能檢測，高靈敏度的人體感應傳感器。

4、MEMS開關(guān)：高頻，小型，長壽命的MEMS開關(guān)。