利用MEMS技术制作无线通信用RF元件

滤波器的设计经常应用在SAW滤波器，图5是梯型（Ladder Type）FBAR滤波器的内部结构，如图所示它是由并联碗型共振器与串联碗型共振器，两者呈阶梯状连接构成，接着使两种共振器的反共振频率接近一致，如此就能够获得良好的频通（band pass）特性。此处为了赋予并联与串联共振器频率差，因此在并联碗型共振器上方制作负载膜，利用它的质量负载效应使频率低于联碗型共振器。此时只要设定连接后的共振器基本区段间段数，控制并联碗型共振器的静电容量比，以及晶片或是封装内配列的电感（inductance）（Lo，Lp），就能够控制滤波器的损失与衰减特性，获得低损失高频通特性的滤波器。
　

研究人员应用上述技术分别开发两种滤波器，分别是北美欧洲地区用5.15～5.35GHz宽频FBAR滤波器，与日本地区用5.15～5.25GHz窄频FBAR滤波器。
图6是北美欧洲地区用5.15～5.35GHz宽频FBAR滤波器的特性，由图可知该滤波器的损失低于2dB以下，SAW滤波器若与传统陶瓷滤波器比较，不论是损失或是频通都具有非常优秀的特性；有关耐电力特性，FBAR滤波器若与SAW比较，同样具有非常优秀的特性。
　

图7是研究人员改变制程试作可以内建在2.0×1.6×0.6mm小型封装内的2GHz FBAR滤波器的特性，根据测试结果显示，它可以获得非常优秀的损失与频通抑压特性。
　

RF-MEMS开关的制作技术

行动电话内部的GaAs半导体开关，主要功能是切换天线与频域（band），通讯频率越高损失越大，绝缘特性相对降低，歪斜特性则随着增加，整体通信性能明显劣化。根据研究报告指出机械式RF-MEMS开关，在高频范围可以获得低损失、高绝缘以及线性特性。
图8是典型接触式MEMS开关的基本结构，如图所示它是在设有信号线路的基板制作金属接点形成悬臂（cantilever）结构，利用连动器（actuator）驱动进行开、闭动作，利用薄膜的积层与图案化为主的表面加工制程制成的连动器，整体结构非常简洁，因此成为静电驱动型MEMS开关的主流。
　

此外制作微米等级的高精度间隙（gap），长膜时要求精密的应力控制技术，一般认为不易实现低损失要求的线路低阻抗化，因此研究人员开发不需要应力控制可以实现低损失的RF-MEMS开关结构（图9）。
　

新型RF-MEMS开关同样采用静电驱动型悬臂设计，信号线路利用厚膜电镀技术制作，它可以达成低阻抗化要求。具体步骤首先在高阻抗Si的SOI（Silicon on Insulator）表面制作上层硅，接着利用蚀刻技术通过栏栅（slit），去除中间的氧化膜形成悬臂，由于厚质bulk硅的悬臂是由薄膜构成，因此几乎无应力变形问题，而且能够在电镀金属之间形成高精度狭窄间隙。
此时若对电镀制成的GND电极，与悬臂上方的驱动电极之间施加电压，悬臂受到静电影响会朝上方反翘，前端接点与信号线接触变成ON状态，悬臂同时利用接点支撑，由于悬臂拥有的弹簧系数非常大，因此构造上驱动电极一直到最后，都不会主动与GND电极接触。
此外驱动电极与GND电极不需要挟持绝缘层，所以不会因为绝缘层charge up（亦即未施加电压状态下出现ON现象）发生误动作，一旦切断驱动电压利用悬臂的弹性，接点会跳脱信号线变成OFF状态。图10是RF-MEMS的电子显微镜照片；图11是编号SP4具备一个输入四个输出的RF-MEMS开关电子显微镜照片，SP4的驱动电压低于10V，属于低电压静电驱动型RF-MEMS开关；图12是上述新型RF-MEMS开关的动作特性，设计目标是2GHz时的损失低于0.3dB，绝缘大于30dB。
　

MEMS可变电容器的制作技术
目前大部份的移动电话RF电路单元，包含模拟被动元件在内的频率都被固定，随着移动电话高性能化，市场强烈要求RF模组小型化，同时必需能够支援多频化（multi band），一般认为同一个RF电路如果具备可以支援多频的可变同调功能，就能够大幅抑制电路制作成本与电路规模。接着介绍可以实现可变电容器被动元件的MEMS可变电容器的制作技术。
有关MEMS可变电容器的结构，例如平行平板型或是梳状齿形电极，不易同时获得宽广可变容量（）与高Q值，此外目前移动电话常用的利用电压控制容量的可变电容器（Varactor），虽然可变容量（）非常宽广，不过Q值却不如预期高，因此研究人员决定利用MEMS技术，开发两者兼具的次世代可变电容器。
图13是次世代MEMS可变电容器的基本构造，如图所示它是利用悬浮在空中的薄膜状上方可动电极，与下方可动电极挟持狭窄间隙，在封密领域形成电容器（Capacitor），此时为了获得大容量，因此在下方可动电极上方制作高诱电率绝缘性薄膜。
一般积层薄膜容易残留薄膜应力不易获得平坦形状，必需有效利用电极的反翘特性设计可变结构，具体方法使电容器单元的下方可动电极朝上方弯曲（凸状），其中一部份接近上方可动电极，一旦对上下方可动电极之间施加电压，利两电极之间的静电吸引力使近接部位朝中心移动，两电极之间的间隙变窄电容量也随着改变，电极近接部位产生的静电变大，即使低电压也可以高精度控制电极之间的间隙，实现低电压大容量可变电容器的预期目标。