RF MEMS关键技术与器件

带隙结构等。利用微机械加工方法，重庆大学最近在高介电常数的硅材料基底上获得了一种微带贴片天线，此天线的主模式为TM10，其中心频率为4．1GHz，带宽约为3％，微带线尺寸为28．0mm×24．0mm。

4 MMIC存在的问题与RFMEMS的优势

目前，MMIC技术已在军事系统和空间系统以及无线通讯方面占据极其重要的位置。但随着现代军事电子系统的不断发展，未来数字战对微波部件的技术性能包括微波性能、重量尺寸、互操作性及抗恶劣环境能力提出了更高的要求，MMIC主要在以下几个方面存在不足。

4.1 功率问题

MMIC功率发生器的单个Si、GaAs或InP晶体管通常提供不出多数有源系统所需要的连续波功率，需要功率合成，而平面电路不可避免的损耗造成合成效率较低，寄生效应的存在对系统的宽带性能会造成伤害。另外，作为微波器件和电路，由于PN结的存在使电路损耗较大，电路效率较低，因而对发射功率与系统供电提出了较高的要求。

4.2 体积重量问题

作为机载或星载应用的有源相控阵雷达系统，希望微波模块体积尽可能地小，重量尽可能地轻，而微波前端由于技术原因目前仍使用较多的离散元件，无法做到系统集成。同时系统中大量采用的波导系统使系统的体积重量大大增加。系统中的晶振、SAM、VCO等无法做到单片集成，从而影响了系统的高性能与微小型化的同步发展。

4.3 传输线

MMIC中使用的传输线处于一个非均匀的环境中，上部是空气，下部是介电常数远大于空气的半导体衬底，不能实现理想的TEM模传输，存在着高次模和衬底模。存在非TEM模使微带线的分析和设计难度增大，工作带宽受到限制，衬底模导致信号的损耗。对于毫米波MMIC，传统的微带线的损耗同时还包括寄生辐射和接地通孔的寄生损耗。

4.4 集总元件问题

MMIC还大量使用了集总元件，主要特点是面积小、成本低、带宽大。其中高功率振荡器、功率放大器以及宽带电路常选择集总参数设计。由于能提供比分布参数更大的变换比，集总参数元件还广泛用于阻抗变换器。但集总参数元件寄生效应大，不能视之为本征性能的纯元件，不仅使电路的微波性能受损，而且由于其复杂性而难以建模，给MMIC设计增加了难度。

4.5 RFMEMS的优势

MEMS本质上是一种机械系统。MEMS器件中仅包含金属和介质，而不存在半导体结，因此既没有欧姆接触的扩散电阻，也不呈现势垒结的非线性伏安特性，因此RFMEMS具有超低的损耗、良好的线形特性。MEMS的膜片、悬臂等零件惰性极小，因而响应速度快，其运动受静电控制，使直流功耗降低，MEMS独特的工艺技术使系统单片集成化成为了可能，其几何尺寸、功能、重量、物理性能等方面的优越性可以实现更强的性能，弥补MMIC的不足。

5 RFMEMS需解决重点问题

5.1 封装问题

MEMS产品实现商品化的前提必须解决封装问题，因为MEMS产品容易受周围环境的影响，RFMEMS电路正常1=作很大程度上取决于由封装所提供的内部环境与保护。而目前有关MEMS封装的研究还处于初级阶段，MEMS器件的多样性和非密封性往往需要为每种器件单独开发相应的封装技术，需要在不影响MEMS器件I生能的前提下，为设计者提供一系列标准化的封装技术。

5.2 可靠性问题

RFMEMS有源器件，尤其开关必须表现出优良的可靠性，才能介入系统应用。由于RFMEMS特殊的结构，主要存在以下失效机理：

①梁结构的断裂；②薄膜结构的磨损；③可动结构在应力作用下的疲劳；④环境导致的失效，包括高温、辐射、振动、冲击等因素，包含着对恶劣环境的适应能力。

5.3 RFMEMS的设计技术

RFMEMS的设计技术主要包括以下内容：①仿真与集总参数模型的建立；②经过验证的标准化器件库的建模；③器件内部的电磁场模型与数学分析等。

目前绝大多数MEMS器件都没有精确的解析模型预测其行为，所以需要高效率的模拟和仿真工具，精确预测MEMS行为，缩短开发时间，适应市场要求。

MEMS器件的设计必须同复杂的工艺流程分离，必须开发出相应的工艺例程，提供与工艺相关的交互式设计接口，降低MEMS的设计门槛，提高器件的工艺性。

6 RFMEMS的应用前景

RFMEMS的研究目标是实现集成在单芯片上的RF系统。目前的研究主要集中在两个方面：

①高O值无源元件的实现，主要是利用MEMS技术尽可能地减小衬底损耗；②设计出高性能的有源RFMEMS结构器件。

从其技术层面上分类，可以分为以下3类：

①由微机械开关、可变电容、电感、谐振器组成的基础元件层面；②由移相器、滤波器、VCO等组成的组件层面；③由单片接受机、变波束雷达、相控阵天线组成的应用系统层面。

正像传统的半导体技术的起步一样，MEMS技术的研究目前尚处于起步阶段，但其产业化的