RF MEMS

RF MEMS:着眼未来射频以及混合信号技术近些年有了巨大的进步同时在无线通信快速增长的市场中占有重要地位。

在新摩尔定律下更高集成度的CMOS技术促进了这一成功。

同时，一些射频器件技术尤其是那些采用MEMS技术制作的用来进行频率选择的压电材料器件。

另一方面，已经存在有许多无线服务比如各种各样的无线通信标准以及许多新出现的系统比如“超宽带”以及“无线传感网络”。

这些服务使用不同的频率，不同的带宽，同时各种各样的解调系统使得单一的系统不能稳定运行。

这些都导致整个业界向着“软件无线电”的方向发展。

这个理念经过多年的讨论引出了“认知无线电”的概念。

认知无线电的希望能够通过改变软件来改变射频功能而不像现在这样改变硬件才能达到相同的目的。

很明显传统的有高数据传输速率和较大动态范围的数模转换并不足以实现这一功能。

而人们认为射频MEMS是一个很有前途充满竞争力的技术。

接下来会介绍下射频MEMS的发展现状，包括开关，电容电感，振荡器/滤波器。

未来的射频MEMS不仅仅着眼于“可调谐”，“可选择”以及“集成”，同时还希望实现“模式匹配”，“改进谐振器在无线应用方面的性能”以及“发现射频MEMS的新功能”。

未来的射频MEMS不仅仅是技术上的讨论，也应该包括射频MEMS的国际标准以及无线通信产品。

软件无线电是一种多模式的无线射频系统，这种系统可以使用一个数字系统和一台硬件来改变和实现多种射频功能。

Joseph Mitola在1999年提出这种系统的代表性结构包括射频电路，宽带数模/模数转换，实施软件以及窄带数模/模数转换除此之外还有用户界面。

这个概念已经从他自身的原有功能扩展到了分析用户需求上，比如说这涉及到了关于频带，拟定，软件，硬件，用户应用偏好以及现在的“认知无线电”。

有两种方法来实现认知无线电，一个是利用多种网络来实现各个基于服务的网络间的无缝连接；另外一种是动态频谱的方法。

近些年，人们认为最好是将两种方法合成一种。

但是要实现认知无线电还有许多任务要做。

近些年出现了“数字无线电过程（DRP）”，很多研究人员开始致力于模数信号过程，数据转换，锁相环等等。

这些都是软件无线电（SDR）中的相关问题。

而射频MEMS也是实现这一想法的一个重要技术。

虽然大部分的射频MEMS是为了要实现下一代无线通信技术，但是目前发展水平有限，下面介绍目前为止出现的射频MEMS器件。

第一种常见射频MEMS器件为射频MEMS开关。

射频MEMS开关在多频段/多频道接收机的可重构电路中扮演着重要角色。

图1展示的是一个静电驱动的宽带欧姆微开关[1]。

这是一个基于悬臂梁的三端口器件并且采用全金属制造并采用表面微机械加工。

它的直流导通电阻，寿命以及电流处理能力对于无线模块而言已经足够，它的导通电压是80V，并且基片是封装在如图2所示的密封封装内。

在2GHz时它的插入损耗仅为0.32dB，同时关闭时为33dB如图3所示，拥有良好的开关特性。

而最近英特尔已经研制出了驱动电压仅为1.5V的开关，这样一来将射频MEMS开关用在手提设备中就没有问题了。

图1静电驱动的欧姆开关图2欧姆开关的封装图3欧姆开关的频率响应第二种常见射频MEMS器件是射频MEMS电容/电感。

图4所示的是采用标准CMOS工艺制作的平行平面可变电容。

图5所示的是空间结构的电感，它的Q值高达30到70远胜于平面螺旋电感10左右的Q值。

这些微制造工艺制成的在硅片上的LC谐振电路可以用于那些直接与天线，双工器以及射频开关相连的RF滤波器。

这些结构的优点是Q值高，本地震荡相位噪声小。

图4微机械平行板可变电容图5空间电感第三种是震动微机械谐振器。

人们已经对甚高频段的谐振器在无线终端中的参考谐振器的应用进行了大量研究。

在[2]中提出了一个基于MEMS技术的片上震动微机械谐振器，它的Q值高达40000，同时在0到70度内频率稳定性达到百万分之34。

在这之后，人们又减小了由于功率容量不足造成的相位噪声。

图6酒杯圆盘谐振器图6所示的是一个60MHz的酒杯-玻璃微机械参考谐振器的扫描隧道显微镜照片[3]。

这类振荡器得益于它的高Q值所示是一种非常优良的参考谐振器。

图6显示的是这个谐振器的相位噪声以及谐振器的参数。

图7展示的是一个1.51GHz的纳米金刚石微机械谐振器的扫描隧道显微镜照片[4]，它采用化学汽相淀积方法制作。

同时，与多晶硅谐振器相比，它高达11555的Q值非常优越[5]。

由于这个谐振器的频率温度系数为-12ppm/deg.C，因此人们对它进行了进一步研究希望实现在100千欧姆下的稳定振荡电路以及频率温度补偿电路。

图7金刚石圆盘谐振器下一个是压电MEMS谐振器/滤波器。

薄膜体声波谐振器（FBAR）是代表性的压电MEMS谐振器。

目前，FBAR滤波器和双工器是我们已知的MEMS谐振器领域最成功的商业模型。

已经有文章介绍了本地FBAR振荡器[6][7]，它们的温度依赖性为-30ppm/deg.C以及机械方法的频率温度补偿。

但是，这些器件还无法应用于无线通讯系统中。

人们希望实现FBAR振荡器的温度稳定性以更好的利用它高Q值得优点，同时它方便的机械耦合也使得采用电子频率温度补偿成为可能。

图8展示的是一个有温度补偿的1.5GHz的FBAR频率参考器件的示意图[8]。

它的内部有CMOS电路，1.5GHz稳定振荡电路以及两个8位的电容来实现温度补偿，其中的温度传感器有一个7位的模数转换器，还有一个1024比特的内存表。

图9说明了在100摄氏度范围内这个器件成功的实现了温度稳定，它的变化小于百万分之20。

接下来人们希望这种器件加上高度密封的封装可以成为一种真正实用的频率参考器件。

图8FBAR/CMOS双芯片频率参考图9温度补偿开关下的频率变化在另一篇文章中有人提出了一种氮化铝的MEMS滤波器[9]。

这是一种非常好的可以实现几百MHz滤波器的可重构模型。

通过控制激发电极的数量以及滤波器的尺寸来实激发高次谐振从而使得滤波器的带宽变宽。

图10说明了两种模式下的频率响应。

图10两种模式下开关的带宽石英是最常用的频率控制和选择材料，有人提出了一种基于石英的MEMS 谐振器技术。

图11是基片制作技术中的刻蚀过程。

图12是590MHz基模石英谐振器的示意图。

由于石英的刻蚀速率较慢，这项技术主要用于石英基片较薄的超高频范围内。

同时采用MEMS技术来提高Q值得办法也已经出现。

遵循能量采集效应的理论的高斯结构已经利用MEMS技术实现[10]，如图13所示。

图11石英谐振器的晶圆结构图12石英谐振器图13高斯形石英晶体谐振器加工过程前面我们介绍了以器件为代表的目前射频MEMS的发展现状，有许多新的技术正在用理论模型和实际加工等方法加以研究以实现各种性能。

接下来集中讲述下移动射频和认知无线电的前端。

首先是可编程RF方面的挑战。

带有射频MEMS的可编程RF前端器件是实现频谱有效利用的一个关键器件。

图14展示的是一个可编程前端器件，它包括可调谐数控系统/滤波器，可调谐开关，多路转接器以及可调谐阻抗匹配网络。

嵌入式无源元件是实现第一步的可用器件。

现在的RF器件发展很快，同时封装技术也日趋成熟，图15是一个低成本的芯片级模型封装，里面集成了无源器件。

图14可编程器件图15嵌入式无源器件可调谐数字电容是实现单个或者多个电容阵列必不可少的原件。

图16是数字可编程RF并联电容阵列及串口接口，图17是它的结构示意图。

图16数字可编程RF并联电容阵列及串口接口图17然后是可切换滤波器阵列。

滤波器组也是多频带接收器的一项重要技术。

前面提到过微机械圆盘谐振器可以通过直流偏置电压方便的控制开关的通断。

在[11]中提出了一个有三种功能的信道化RF前端器件。

第一种是一个可调谐信道选择滤波器；第二种是不可调谐但是能切换的较大规模滤波器组；第三个是小规模的可调谐可切换的滤波器组，如图18所示。

图19是一个163MHz差动圆盘阵列微机械滤波器。

图18 信道化RF前端器件图19 163MHz圆盘阵列谐振器由于很多器件都要封装在密封真空腔内，因此需要高可靠性以及低成本的晶片级封装。

应该采用系统级封装作为第一步来保持RF模型的高品质和高可靠性。

包含TSV等连接不同材料的三维技术的片上系统应该作为下一步。

射频MEMS的发展是扩展无线通信系统的需要。

它应该和新摩尔定律下的CMOS小型化并行发展。

虽然已经有了许多射频MEMS方面的技术，模型理论，加工以及分析技术，但是在未来仍会有许多科研人员投入到射频MEMS的研究工作中去。

参考文献：[1] S. Majumder, et al, “A Packaged, High-Lifetime Ohmic MEMS RF Switch”, Proc. IEEE MTT-S IMS, 2003[2] W.-T. Hsu, J. R. Clark, and C. T.-C. Nguyen, “A Sub-Micron Capacitive Gap Process for Multiple-Metal-Electrode Lateral Micromechanical Resonators,” Technical Digest, MEMS’01, 2001, pp. 349-352[3]Y.-W. Lin, S. Lee, S.-S. Li, Y. Xie, Z. Ren, and C. T.-C. Nguyen, “60-MHz wine gl ass micromechanical disk reference oscillator,” Digest of Technical Papers, 2004 IEEE International Solid-State Circuits Conference, 2004, pp322-323[4]J. Wang, J. E. Butler, T. Feygelson, and C. T.-C. Nguyen, “1.51-GHz polydiamond micromechanical disk resonator with Impedance-mismatched isolating support,” Proc., 17th Int. IEEE MicroElectro Mechanical Systems Conf., 2004, pp. 641-644[5] J. Wang, et al., “Self-aligned 1.14-GHz vibrating radialmode Disk Resonators”, Transducers’03, pp. 947-950.[6] B. Otis and J. Rabaey, “A 300_W 1.9GHz CMOS Oscillator Utilizing Micromachined Resonators,” Solid-State Circuits, IEEE Journal of, vol. 38, no. 7, pp. 1271–1274, 2003[7] S. Rai and B. Otis et al, “A 600_W BAW-Tuned Quadrature VCO Using Source Degenerated Coupling,” Solid-State Circuits, IEEE Journal of, vol. 43, no. 1, pp.300–305, 2008.[8] Shailesh Rai. et al., “A 1.5GHz CMOS/FBAR Frequency Reference with ±10p pm Temperature Stability”, proc. EFTF-IFCS 2009, pp385-387[9] Carlos R. Perez and Gianluca Piazza, “Bandwidth Control in Acoustically Coupled AlN Contour Mode MEMS Filters”, proc. EFTF-IFCS 2009,pp64-68 [10]T. Abe, H. Kish, “DESIGN AND FABRICATION OF A G AUSSIAN-SHAPED AT-CUT QUARTZ CRYSTAL RESONATOR”,Proc, IEEE MEMS 2009,pp908-911.[11] Yang Lin et al, “Enhancement of Micromechanical Resonator Manufacturing Precision Via Mechanically-Coupled Arraying”, Proc.EFTF-IFCS, 2009, pp58-63。