（通信与信息系统专业论文）多模移动终端射频前端中rf+mems开关的研究.pdf

多模移动终端射频前端中r fm e m s 开关的研究 摘要 通信技术的发展形成了今天多种模式移动通信系统共存的局面， 在此情况下，研究出可以同时支持多种无线接入方式的移动终端是非 常有意义的。多模移动终端系统共享硬件时需要r f 开关，而基于 m e m s 技术的r f 开关在性能上的优势使其成为了未来实现高性能多 模终端的首选。 本文对应用于多模移动终端射频前端的r fm e m s 开关进行了 深入的探讨，介绍了基于m e m s 技术的射频开关的背景知识，包括 m e m s 技术的相关知识，r fm e m s 开关的原理、功能、性能参数。 根据研究发现r fm e m s 开关高功耗、响应时间长的缺点是阻碍其最 终在移动终端系统中大规模商用的主要瓶颈，本文的研究将围绕这两 个主要性能参数的优化展开。 本文根据多模移动终端射频前端的特点确定了开关的基本架构， 对r fm e m s 开关进行了较为系统的理论计算分析，着重分析了影响 驱动电压、隔离度、插入损耗和稳定性的主要因素，然后对r fm e m s 开关进行了初步的优化设计。 本文使用m e m s 的c a d 软件c o v e n t o r w a r e 对设计的r fm e m s 开关进行3 d 建模仿真，并且根据仿真结果不断优化设计，最终建立 了低功耗、快速响应的r fm e m s 开关模型。在完成了单个r fm e m s 模型之后，完成了应用于移动终端的s p 5 t 开关网络的整体设计。 关键字：多模移动终端射频微机械电子系统射频开关驱动电压 切换时间 r fm 匣m ss w i t c hd e s i g nf o r m i ，t i m o d e m o b i l et e r m i n a lr ff r o n t e n d a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , h e t e r o g e n e o u s w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sc o e x i s ti nt h ew o r l d ，w h i c hm a k e st h e m u l t i m o d em o b i l et e r m i n a lr e s e a r c hb e c o m ev e r yi m p o r t a n t i nt h e m u l t i m o d em o b i l et e r m i n a l ，r fs w i t c hi sn e c e s s a r yf o rh a r d w a r es h a r i n g ， a n dr f 【e m ss w i t c hw i l lb e c o m et h ef i r s t - c h o i c ed u et oi t ss u p e r i o r p e r f o r m a n c et oc u r r e n tt e c h n i q u e s i nt h i sp a p e r , t h eb a s i ck n o w l e d g ea b o u tr fm e m ss w i t c hi s d i s c u s s e d ，i n c l u d i n gt h em e m st e c h n o l o g y , r fm e m s s w i t c hp r i n c i p l e s ， f u n c t i o n a l i t i e sa n dp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s s i n c et h em a i nb o t t l e n e c k s f o rc o m m e r c i a l a p p l i c a t i o n o fr fm e m ss w i t c ha r e h i g h p o w e r c o n s u m p t i o n a n d l o n g r e s p o n s et i m e ，t h i sp a p e r f o c u s e so nt h e o p t i m i z a t i o n so f t h e s et w op a r a m e t e r s t h e o r e t i ca n a l y s i sa b o u tr fm e m ss w i t c hi sp r e s e n t e di nt h i sp a o e r w bd i s c u s st h em a i nf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h ed r i v i n gv o l t a g e i s o l a t i o n a n di n s e r t i o nl o s s a n dt h e np r o p o s ea no p t i m i z e ds t r u c t u r e al o w - p o w e rc o n s u m p t i o ni t fm e m ss e r i e ss w i t c hi sd e s i g n e du s i n g c o v e n t o r w a r e w h i c hi sac a dt o o lf o rm 匝m s b a s e dd e v i c e s a f f e r o p t i m i z i n gt h ep a r a m e t e r s ，t h i ss w i t c hh a sl o w - v o l t a g ec o n s u m p t i o na n d s h o r t e rs w i t c h i n gt i m e a tl a s t ，b a s e do nt h es i n g l em o d e l ，w ed e s i g na s p 5 ts w i t c hm a t r i xf o rt h em u l t i m o d em o b i l et e r m i n a lr ff r o n t e n d k e yw o r d s ： m u l t i m o d em o b i l et e r m i n a lr fm e m sr fs w i t c h d r i v i n gv o l t a g es w i t c h i n gt i m e 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定， 即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅 和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或 其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 盘丝 导师签名：主置鲢 日期：2 塑! ：望：三 多模移动终端射频前端中r fm e m s 开关的研究 1 1课题背景 第一章绪论 通信技术的发展形成了今天多种模式的移动通信系统并存的局面：耗费了大 量人力物力建设的第二代g s m 和c d m ai s 9 5 移动通信系统还在大量的使用； 而第三代的c d m a 2 0 0 0 、w - c d m a 和t d s c d m a 移动通信系统已经或即将投 入运行。这些移动通信系统使用不同的射频波段，物理层技术也不兼容，为了实 现任意时间、任何地点的通信，用户必须持有各种不同制式的移动终端，这显然 是不现实的。多种频段和系统的共存对于移动终端用户而言，就是迫切需要支持 多个频段和多种模式的移动终端，这样可以在多种不同体制的系统之间自由切 换，以方便实现全球漫游功能。在此情况下，研究出可以同时支持多种无线接入 方式的移动终端，很好的解决用户在不同的网络迁移过程中的网络覆盖问题，增 加移动终端用户的自由度和满意度是非常有意义的。实现可以支持多模并且快速 切换的移动终端成为了一个无线通信研究的热点。 有实用性的多模移动终端必须体积小、便于携带，这就要求多模移动终端系 统的硬件必须高度共享。经过研究后发现在实现多模移动终端的技术中般侧重 于研究在获得基带信号以后使用软件无线的技术来实现小同模式数据的共享硬 件，在前端的设计上多采用可调天线加不同模式的射频模块的方式。该种设计的 射频前端的接收部分需要使用单入多出( s p n t ，s i n g l e p u s h n t h r o w ) 的开关阵 列，而发送部分则需要使用多入单出的( n p s t ，np u s hs i n g l et h r o w ) 的开关阵 列， 基于m e m s ( m i c r o - e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ) 技术的r f ( r a d i of r e q u e n c y ) 开关与传统器件相比在性能上所具有的低功耗、低损耗、高度集成等优势，使得 r fm e m s 技术成为了实现高性能多模终端的开关技术的首选。可以将r fm e m s 技术和现有的零中频技术、软件无线电技术相结合来实现更加紧凑的多模移动终 端系统。 r fm e m s 开关就是一种可以在控制信号的作用下改变状态从而控制射频电 路的通断的开关器件。r fm e m s 开关由信号处理电路、微执行机构两部分构成， 其中微执行机构负责将电信号转换为机械运动，一般由可动部分和驱动部分组 成。r fm e m s 开关的微执行机构的结构主要有悬臂式、膜片式和单刀多掷式等。 微执行机构的设计将对开关的整体性能产生决定性的影响，只有高效的微执行机 构再辅以高性能的控制电路才能得到低功耗、快速响应的r fm e m s 开关。r f m e m s 开关常用的驱动方式包括静电力驱动、电磁驱动、压电晶体驱动、记忆合 多模移动终端射频前端中r fm e m s 开关的研究 金驱动等。静电力驱动具有实现简单、串扰小、响应快速等优点，很适合应用到 r f 开关元件中，但是如何减小驱动电压是一个很大的问题，在实际的设计过程 中达到较低的驱动电压、减少功耗是优化的主要目标之一。 由于r fm e m s 技术是基于传统的i c 加工流程的，所以使用r fm e m s 技术 不仅可以设计出高性能的独立于元件，还可以与其他电路元件集成在一块：笛片 上，形成高性能的片上系统，能适应未来无线通信系统要求降低系统复杂度、减 小体积、提高稳定性的发展趋势。 在设计m e m s 器件或系统时，需要用到许多学科的知识，要求的知识面非常 广。例如我在设计r fm e m s 开关时，就必须了解微细加工技术、用于r fm e m s 的各种材料、微尺寸效应，微观工程力学、微观电学等基础知识。而且在微小尺 寸下会产生许多与宏观世界不同的效应，所以在设计r fm e m s 器件及系统时， 不能只是简单地将传统的宏观机电系统按比例缩小，也不能简单地沿用传统机电 系统的设计方法。在没有专业的辅助设计软件以前，m e m s 的设计通常采用试验 排除错误的方法进行，往往需要多次反复的试验最后才能使设计满足一个特定设 备的运行条件。这种试错的设计方法，使得设计周期非常长，而日需要制作昂贵 的m e m s 原型机。但是如果使用专门的m e m s 模拟仿真软件，依靠它来进行设计 和仿真就可以有效的解决上述问题。在本文里我所使用的仿真软件是 c o v e n t o r w a r e ：一个专门的m e m s 辅助设计软件。本文首先使用c o v e n t o r w a r e 对 设计的r fm e m s 开关进行加工流程设计，二维掩模版图设计，之后生成3 d 建模。 c o v e n t o r w a r e 中对实体模型进行的仿真是基于有限元分析的，即将模型划分嘲格 再分析其各种特性。使用c o v e n t o r w a r e 可以仿真得到驱动电压、响应时间、固有 频率等参数，然后可以根据仿真结果不断优化设计，最终建立低功耗、快速响应 的r fm e m s 开关模型。在完成了单个r fm e m s 模型之后，还可以根据r fm e m s 开关在射频前端中的具体应用要求，完成应用于移动终端的s p n t 开关网络的整 体设计。 1 2 多模移动终端射频前端中的r fm e m s 开关 有实用性的多模移动终端必须体积小、便于携带，这就要求硬件必须高度共 享。多模移动终端在获撂基带信号以后使用软件无线技术来实现4 i 同模式数据的 共享硬件，在前端的设计上多采用可调天线加不同模式的射频模块的方式。该种 设计的射频前端的需要使用射频开关阵列。 1 2 1多模移动终端的系统结构 多模移动终端射频前端中r fm e m s 开关的研究 实现多模移动终端的关键技术是软件无线电和不同模式射频子系统的整合。 蔷频 榄嫉 敦攘 图1 一l 理想软件无线电模型 软件无线电是一种宽频段、支持高速率多模式、功能由软件实现的无线电通 信模式。它采用模块化设计原则，具有开放式i s o o s i 体系结构、良好的软件可移 植性和功能可编程性【1 】。软件无线电的基本思想是在同一硬件平台上，通过安 装不同的软件，使个人通信终端进入不同体制的网络结构，以实现不同的通信功 能。其硬件结构采用尽可能靠近天线端的宽带模数变换器为基础，以尽快将接收 到的模拟信号数字化，并尽量通过软件来实现电路的各种功能。在理想的软件无 线电模型中，直接对整个射频段信号进行数字化，然后将数字信号送入微处理器 处理，如图1 - 1 所示。 图1 - 2 实际的软件无线电模型 由于受技术的限制，目前能实现的软件无线电模型结构如图1 - 2 1 2 所示。涉 及的技术包括a d 变换器、d s p 和射频前端的设计。由于射频前端部分占了无线 产品一半以上的电路板空间，在寸土寸金的手持设备中，射频前端的整合可减少 组件的使用量以降低成本，同时可缩小所占空问，有助于其它功能组件的扩充。 1 2 2多模移动终端的射频前端 图1 - 3 传统射频前端系统模块 多模移动终端射频前端中r fm e m s 开关的研究 移动终端的射频前端主要实现滤波、放大、变频的功能。传统接收机射频信 号和基带信号之间的转换一般分为多步进行，首先射频和中频之间转换，然后中 频和基带间转换；发射机则正好相反。如图1 3 所示： 在具体实现时，可以采用零中频( 如w c d m a ，w l a n ) 和低中频( 如g s m ) 技术。零中频接收技术，即射频信号不需要变换到中频，而是一次直接变换到模 拟基带i q 信号，然后再解调。由于在不同频带之间转换时需要使用表声波( s a w ) 滤波器，随着移动终端向多频段、多模式方向发展，s a w 滤波器的个数会不断 增加。例如根据结构的不同，一个双频手机有多达七个声表滤波器，其中有两个 是中频滤波器 3 】。在多模移动终端的射频前端中采用零中频技术可以通过取消 无线通信系统中的中频滤波级，达n ) j t j 减整机成本和减小体积的目的。 多模射频前端设计中一个更主要的内容就是实现不同模式最大程度的共享 硬件。通过实现可调模块复用的，实现大大缩小射频前端的整体体积的目的。一 个典型的系统结构图如图1 4 所示： 图l - 4 一种基于零中频技术的射频前端系统【4 】 该系统多模系统可以同时支持五种无线网络的接入：两种g s m 嘲络( 欧洲 1 8 0 0 、美国p c s ) ，w c d m a ，8 0 2 1l a ，8 0 2 1 l g 。在该多模射频前端系统一个 关键的被动元件是一进五出的射频开关( s p 5 t ) ，使用r fm e m s 技术可以实现 高性能s p n t ，为多模射频前端的实现打下基础。 1 3本文结构 本文共分为六章，第一章是绪论，第二章介绍r fm e m s 技术相关的基础知识， 第三章介绍r fm e m s 开关的类型、特点、驱动方式、技术参数，第四章主要阐述 整体设计思路并系统地进行了理论计算分析，第五章主要是软件仿真及相关结 论，第六章对本文工作进行总结及课题展望。 多模移动终端射频前端中r fm e m s 开关的研究 2 1 引言 第二章r fm e m s 技术 r fm e m s 是指射频微机械电子系统，其中r f 是射频( r a d i of r e q u n c y ) 的英 文缩写，m e m s 是微电子机械系统( m i c r o e l e c t r o - m e c h a n i c a ls y s t e m s ) 的英文 缩写。由于m e m s 器件用于射频领域具有执行速度快、损耗低和品质因数高等优 点，使得r fm e m s 技术成为了微电子技术中一个极具吸引力的研究方向。r f m e m s 技术的核心是m e m s 技术。一般认为m e m s 是指运用微细加工技术在一块 普通的硅片基体上制造出的尺寸在微米级的集机械可动部件、电子元件于一体的 微型系统【5 】。依赖于牺牲层技术的m e m s 中有可动的组成元件，m e m s 可以感 受运动、光、声、热、磁等自然界信号，并将这些信号转换成电子系统可以处理 的电信号，再通过信号处理电路处理这些信号并发出指令，由这些指令控制执行 机构完成所需要的操作。一个典型的m e m s 包括微传感元件、信号处理电路、微 执行机构三大部分。但是实际上有一些m e m s 系统并不完全含有这三部分。例如 基于m e m s 技术的r f 开关就只包括了信号处理电路、微执行机构两部分，由于 微执行机构的性能是决定r fm e m s 开关整体性能的关键，所以本文将着重于微 执行机构研究。 2 2r fm e m s 的理论基础 在微小的尺度空问内，许多宏观状态下的物理量微观状态下呈现出特有的规 律，由此决定了r fm e m s 技术有自身特有的理论基础。在设计时必须特别考虑 这些特殊的理论摹础，才能设计出可行的r fm e m s 器件。 1 ) 尺度效应 在微小尺寸空间，与特征尺寸的高次方成比例的重力、惯性力、电磁力等 的作用相对减小，而与特征尺寸的低次方成比例的粘性力、弹性力、表面张力、 静电力等的作用相对增大；随着尺寸的减小，表面积与体积之比相对增大，表面 力学、表面物理效应将起主导作用【6 】。力的尺度效应说明，在宏观领域作用微 小的力和现象，在微观领域可能起着重要的作用。尺度效应是m e m s 最为重要 的理论基础，在实际的工程里为了简化计算有时只能抓住一些主要因素而忽略一 些次要因素，但是在设计m e m s 微系统时主要因素和次要因素已经和我们所熟 悉的宏观情况下的完全不同了。 多模移动终端射频前端中r fm e m s 开关的研究 2 ) 微观力学问题 微观领域中的力学问题可分为两大类：第一类，当物体尺度缩小至与粒子 运行的平均自由程同一量级时，则介质连续性等宏观假定不再成立，所导致的宏 观规律的变化；另一类，虽然连续介质等宏观假定仍然成立，但由于物体尺度的 微小化，各种作用力的相对重要性产生了逆转，从而导致了宏观规律的变化。在 r fm e m s 系统研究中主要需考虑的是第二类情况。当材料呈现单晶体状态，几 何尺寸接近晶粒的大小时，材料的各向异性表现明显、位错概率减小，材料的固 有缺陷减少，强度可以明显提高【7 】；因为膜层沉积等加工易产生残余应力，加 工方式和加工过程对微系统的影响十分显著：因为微尺寸效应，界面、表面特征 的作用更加显著。 3 ) 微流体现象 在微观领域，流体在流动的过程中受到尺寸效应的影响，表面力作用变得 显著，而惯性力作用减小。材料的润滑、摩擦与宏观状态不同，表面的黏着力发 生了变化，从而影响了其力学性能并造成微流体力学特性的小同。 4 ) 微摩擦学 微机械摩擦间隙一般处于微米或纳米量级。因为受到尺寸效应的影响，在 运动过程中，表面黏着力、摩擦力和润滑膜黏滞力对微机械的影响表现得非常突 出。微接触时的由于机械作用引起的摩擦力很小，几乎不对表面机械性能产生作 用和影响。微摩擦将取决与表面间的分子作用力，其作用机理主要是黏结，即分 子吸引力加剧将表面的贴和。 5 ) 微热力学 微机械材料在一定的密度和热容的条件下受到尺寸效应的影响，微结构中 的导热率可能呈现各向异性，导致其热力学性能与宏观状态时有很大的不同。同 时尺寸效应还会对微观的热传导、热对流、热辐射产生影响。 2 3r fm e m s 技术的特点 基于r f m e m s 技术的r f 元件与传统元件相比，在许多方面都有自身优势。 r fm e m s 技术的一个特点体现在“微”字上，即“m i c r o 上，通常我们认为m e m s 特征尺度在亚微米全亚毫米之间。这是由于亚毫米以上的机械电子系统基本上属 于传统的机电一体化装置，传统的机械加工技术已能满足要求，而特征尺度在亚 毫米以下的r fm e m s 系统，由于量子效应的作用，其理论基础与加：亡技术已经 完全改变。其次，r fm e m s 的特征也体现在射频应用带来的具体要求上，例如 r fm e m s 器件与其他m e m s 器件相比有更高的隔离度要求。 多模移动终端射频前端中r fm e m s 开关的研究 r fm e m s 技术特点主要是： 1 ) 基于r fm e m s 技术的器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小，非常适 合应用到无线移动通信设备中，谐振频率高、响应时间短，适合高频的应用场合。 2 1 使用r fm e m s 技术可以形成复杂的微系统。r fm e m s 器件与传统的 射频微电子器件的集成可制造出可靠性高、稳定性强的片上系统，尤其适合未来 移动通信要求多功能、多模式、体积小的应用场合。 3 ) 基于r fm e m s 技术的器件以硅为主要材料，机械电气性能优。硅的强 度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度类似铝，热传导率接近钼和钨。 4 ) r fm e m s 技术的生产工艺可以在一片硅片上可同时制造成百上千个完 整的r fm e m s 元件，批量生产可大大降低生产成本。 5 ) r fm e m s 技术涉及微波、电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、 物理、化学和生物等多种学科，集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。 2 4r fm e m s 的加工工艺 r fm e m s 的制造，是集成电路技术发展过来的，可以用微电子工艺进行批 量制造。但是r fm e m s 的制造比集成电路制造更加复杂，这是由于m e m s 的 制造采用了诸如生物或者化学活化剂之类的特殊材料，是一种高水平的微米纳 米技术。目前，国际上比较重视的r fm e m s 的制造技术有：体硅微加工、表面 微加工、l i g a 工艺等。 1 ) 体硅微加工技术 体硅微加工技术是指通过去除基底材料得到所需的三维形状的技术。体硅 微加工技术的核心就是刻蚀技术，具体包括光刻、化学刻蚀、干法刻蚀。 r fm e m s 使用光刻技术制作掩膜版。工作原理是利用光束使平铺于基底上 的光刻胶部分曝光形成所需图像的掩膜版。因为曝光部分的光刻胶和未曝光部分 有不同的溶解性，通过溶剂腐蚀后就可以在基底上得到相应的图案。光刻的加工 精度非常高，它几乎是现存唯一可以在基底上制作亚微米精度图形的技术。 r fm e m s 使用刻蚀技术根据掩膜去除材料，刻蚀技术分为化学刻蚀和干法 刻蚀。虽然刻蚀是独立于光刻的一种微加工工艺，但是刻蚀技术常需要曝光技术 形成特定的掩膜版，所以它和光刻技术经常成对出现。 化学刻蚀，工作原理是通过化学刻蚀液和被刻蚀物体之间的化学反应将被 刻蚀的物质剥离下来。例如可以又稀释的h f 溶液来溶解研d 。化学刻蚀又可以 分为各向同性刻蚀、各向异性刻蚀。各向同性刻蚀在任意方向刻蚀速度相同，一 般刻蚀深度为几微米；各向异性刻蚀，在特定的方向上刻蚀速度大，其他方向刻 多模移动终端射频前端中r fm e m s 开关的研究 蚀速度很慢或者几乎不刻蚀，可以刻蚀出深度比较大的结构。 干法刻蚀是利用气体的等离子体生成物( 等离子体刻蚀) 或者溅射( 反应 溅射刻蚀) 进行刻蚀的。使用干法刻蚀可以的得到侧面垂直度很高的结构。 2 ) 表面微加工 利用表面微加工技术制造微机械结构的基础是牺牲层技术。在制作时把机 械部分沉积存基底上的牺牲层上，最后去掉牺牲层，机械部分和基底局部分离就 可以得到可动的机构了。图2 1 示意了利用表面微加工制作悬臂梁的过程。 图2 1 表面微加工制作悬臂粱的过程 表面微加工中具体工艺可以分为两类：薄膜生成技术、刻蚀技术( 包括去 除牺牲层的工艺) 。 生成薄膜的工艺包括： 物理气相沉积( p v d ) ，又称为“溅射”，工作原理是高速等离子撞击金 属表面导致金属离子蒸发，蒸发的离子冷凝后沉积到基底表面，形成金 属薄膜。物理气相沉积常用来存基底表面生成1 0 0 a 厚度的金属膜，金 属膜可以用来传递电信号。 化学气相沉积( c v d ) ，工作原理是携带反应物的气体流过热固体表面 时，高温表面为气体中的反应物发生反应提供能量，反应生成物沉积在 固体表面生成薄膜。常用化学气相沉积法制作二氧化硅、氮化硅、多晶 硅薄膜。 在表面微加工中常见的刻蚀工艺，与硅体微体加工中提到的几乎是共同的， 这里就不重复介绍了。 3 ) l i g a 工艺 l i g a 是德文光刻( l i t h o g r a p i e ) 、电铸( g a l v a n o f o r m u n g ) 和铸塑 ( a b f o r m u n g ) 三个词的缩写。l i g a 工艺是利用x 射线光刻技术，通过电铸成 型和铸塑形成深层微结构的方法。利用l i g a 技术可以加工各种金属、塑料和陶 瓷材料，可以得到高深宽比的精细结构，l i g a 技术的加工深度可以达到几百微 米。l i g a 技术自八十年代中期由德国开发出来以后得到了迅速发展，利用该技 术已经开发和制造出了微齿轮、微马达、微加速度计、微射流计等。 4 ) 其它加工工艺 除了前面提到的工艺技术，在制作m e m s 时还有一些其他的重要工艺。 多模移动终端射频前端中r fm e m s 开关的研究 离子注入，是在m e m s 中形成p 型或n 型半导体的常用方法。其工作原理 是，将自由离子( 掺杂物) 加速使其获得足够动能，然后把离子束聚焦后通过挡 板打在基底，使得高能离子进入基底并停留在一定深度，从而形成了一定范围的 掺杂区。 扩散，是另一种经常用于使可控量的一种材料( 掺杂物) 进入另一种材料 ( 基底) 的选定区域形成掺杂半导体的工艺。与离子注入不同，扩散是缓慢的注 入过程。 氧化，指通过氧化反应在基底表面生成薄膜。可以利用氧化工艺生成常用 于m e m s 的电绝缘薄膜、热绝缘薄膜、局部电导的多晶硅层等。氧化与前面提 到的化学气相沉积，都是通过化学反应生成薄膜，但是它们却有着本质的区别。 氧化是通过氧气或水蒸汽与基底反应生成薄膜，是一种消耗基底的工艺；化学气 相沉积，是通过反应气体中的物质自身发生反应生成薄膜，是在基底上加上一层 薄膜的工艺。 外延沉积，指在单晶体基底生长同样的单晶体材料薄膜。可以用这种工艺 在硅衬底的特定位置沉积硅膜，以增加微结构的厚度。这项技术常用来在m e m s 中构造器件的三维几何体。 固相键合技术，利用各种结合工艺把若干平面结构的零件接合在一起形成 三维构件的技术。常用的结合方法有：阳极键合、热熔键合、共熔键合、低温玻 璃键合、冷压焊接等、 2 5r fm e m s 的常用材料 硅及其化合物是m e m s 中最常用到的结构材料，根据不同的功能m e m s 还常用到电阻材料、压电晶体、记忆合金材料等功能材料，在m e m s 的封装时 常用到聚合物材料。用于m e m s 的材料多种多样，下面列举了一些常用的材料。 1 ) 硅及其化合物 集成电路和各种半导体器件所用的主要原材料是硅。微电子机械制造技术起 源于微电子集成制造，所以在m e m s 中硅也自然而然的成为了最受瞩目的材料。 硅具有良好的机械性能和电学性能，非常适合于制造m e m s 。 硅材料具有一下的优点：拉伸强度高、弹性好、抗疲劳，是理想的结构材 料，几乎与钢相同的杨氏模量( 1 9 1 0 5 m p a ) ，却和铝一样轻，密度约为 2 3 9 c m 3 ；熔点为1 4 0 0 ，热膨胀系数小，即使在高温的情况下能保持尺寸的 稳定；几乎没有机械迟滞，是制作的传感器和致动器的首选材料【8 】；晶片平整， 可以在上面制作涂层或者薄膜层来形成微几何结构或者导电层；可以借用现有的 多模移动终端射频前端中r fm e m s 肝关的研究 集成电路加工设备及工艺技术很容易的制作出微米量级的微结构，可以实现大批 量低成本生产。 在常见的m e m s 中硅是最理想的衬底材料，用做村底的硅材料是单晶纯硅 ( s i l i c o n ) 。 多晶硅也是制作m e m s 的常用材料。利用低压化学气相沉积( l p c v d ) 可 以简单的在硅衬底表面沉积出多晶硅( p o l y s i l i c o n ) 。多晶硅的杨氏模量比硅略低 ( 1 6 1 0 5 脚口) ，膨胀系数略高于硅。重掺杂的多晶硅电阻率很小，常作为导 体应用在m e m s 。多晶硅在热和结构分析时可以看作各向同性材料。 常用于m e m s 的硅化合物有二氧化硅( s i 0 2 ) 、碳化硅( s i c ) 、氮化硅 ( s ，n 。) 。二氧化硅，常作为系统中热和电的绝缘体，表面微加工的牺牲层( 用 h f 腐蚀) ，硅衬底刻蚀的掩膜：碳化硅，在高温下对氧有很好的抵抗力，可以作 为微电子机械器件表面的保护层，防止它们在高温下表面被破坏；氮化硅具有超 强的抗氧化和抗腐蚀能力适于做深层刻蚀的掩膜，硬度高可以做润滑材料，还可 以做绝缘层。 2 ) 金属材料 一些金属材料也常用在m e m s 中。例如铝的导电性不错，可以作为m e m s 中的导体，经过表面加工技术得到的铝膜有很高的反射率，在光开关中常用它来 做微反射镜面；一些合金的膨胀率很低( 与硅相近) 可以和硅匹配使用，减少热 应力发生的可能性；还可以一些膨胀率较高的金属薄层逐次沉积在硅的薄层上形 成悬臂梁，加工后悬臂梁的残余热应力很大，梁会自然翘曲，这样的结构被适当 的应用可以产生意想小到的结果。 3 ) 压电电阻材料 压电效应时指固体在外力的作用下电阻值发生变化的现象。具有这一特性的 硅压电电阻材料已经被广泛的应用与微传感器和致动器。掺杂硼的p 型硅和掺杂 砷或磷的n 型硅都具有优良的压电电阻效应。 4 ) 压电晶体 压电晶体是m e m s 中最常用的非半导体材料之一。压电晶体受到外力时可 产生一定的电压( 正压电效应) ，可以用这个原理制作传感器；在压电晶体的两 端加上电压可以改变晶体的形状( 逆压电效益即电致伸缩效应) ，可以用这个原 理制作致动器。自然晶体石英具有很好的压电效应，是m e m s 中常用的功能材 料之一；锆钛酸铅( p z t ) 等合成晶体( 即压电陶瓷) 压电效应响应速度快，控 制精度高，单位面积产生力大，能量转化效率高，在m e m s 领域的致动器上得 到了广泛的应用。 5 ) 记忆合金材料( s m a ) 多模移动终端射频前端中r fm e m s 开关的研究 形状记忆合金是具有记忆功能的金属材料，一般在高温制作元件时，赋予它 一定形状。在较低温度下它会改变这种形状；当温度升高到原来温度时，它会恢 复原来的形状。形状记忆的本质是，材料的热弹性通过马氏体相变，将热能转化 为机械能。形状记忆合金的电阻率一般比较大，可以采用电流加热方式，在恢复 其“记忆”的过程中会产生很大的力，适于制作微致动器。 6 ) 聚合物 聚合物，包括塑料、粘接剂、胶质玻璃、有机玻璃等多种材料，已经逐渐应 用于m e m s 。聚合物是m e m s 封装的理想材料；光阻聚合物用于生产掩膜：聚 合物膜可以用作微器件力的电绝缘体和微电容器的电介质；导电聚合物可以做 m e m s 的有机衬底。 2 6r fm e m s 系统的驱动 r fm e m s 里的机械元件，不能用传统的电机作为其驱动源。人们和根据不 同的用途尝试了各种驱动方式。大致可以分为静电力、电磁力、压电晶体、形状 记忆合金、热力等多种驱动方式。 1 ) 静电力驱动 静电力驱动，利用正负电荷的静电吸引力来带达到驱动的目的，实际的驱 动器结构一般是采用两个有电压差的电极板相互吸引，从而完成需要的动作。我 所设计的r f 开关正是使用的静电驱动。 2 ) 电磁力驱动 电磁力驱动，依赖于磁体或者电磁体之间的相互吸引。尽管磁感应驱动能 够产生大的驱动力并具有较高的线性度，但是一般打算采用这种方案时都会通过 审慎的考虑，这是由于电磁驱动元件集成工艺十分复杂，产生驱动磁场的线圈体 积太大( 相对与一般的微米级机构而言) ，并且要想屏蔽相邻设备以消除串扰几 乎是小可能的。 3 ) 压电晶体驱动 某些晶体( 如石英) 在电压作用下会产生形变，压电晶体驱动正是利用这 些晶体的特性来实现驱动的目的。压电晶体驱动在微定位机构和微型夹具方面都 有应用。 4 ) 形状记忆合金驱动 可以用钛镍合金等形状记忆合金制作成精确高效的微致动机构。在预设的 温度下，这些合金具有回复预设形状的能力。在常温时这些合金是一种形状，需 要其发出动作时只需要将温度改变到预设的温度，合金的“记忆”被唤醒回复其预 多模移动终端射频前端中r fm e m s 开关的研究 设形状从而实现驱动的目的。 5 ) 热力驱动 将不同膨胀系数的金属膜结合在一起，当温度发生变化时，复合金属膜就 会发生弯曲，一旦恢复原来的温度复合膜片又会恢复原来的形状，从而实现驱动 功能。微型夹具、微型阀门常运用这样的原理驱动。 2 7r fm e m s 技术的应用方向 利用r fm e m s 技术可以制作各种类型的高性能射频器件例如射频开关、可 调滤波器、可调电容、微机械天线等。这些元器件将被广泛的应用到导航通信系 统、空载通信系统、个人移动通信系统等无线通信系统中，取代那些传统的元器 件，改善系统的整体性能。r fm e m s 技术因为是基于传统的i c 加工流程的， 所以还可以与放大器、振荡器、锁相环等电路集成在一块芯片上，形成高性能的 片上系统，能适应未来无线通信系统要求降低系统复杂度、减小体积、提高稳定 性的发展趋势。 多模移动终端射频前端中r fm e m s 开关的研究 3 1 引言 第三章r fm e m s 开关 r fm e m s 开关是应用于射频领域最成熟的m e m s 器件。 r fm e m s 开关是一种可以在控制信号的作用下改变状态从而控制射频电路 通断的m e m s 开关器件。r fm e m s 开关由信号处理电路、微执行机构两部分构 成，其中微执行机构负责将电信号转换为机械运动，一般由可动部分和驱动部分 组成。 r fm e m s 开关的微执行机构的结构主要包括悬臂式、膜片式和单刀多掷式 等。微执行机构的设计将对开关的整体性产生决定性的影响，在后面的研究中将 着重进行微执行机构的优化，自有设计出高效的微执行机构再辅以高性能的控制 电路才能得到低功耗、快速响应的r fm e m s 开关。 r fm e m s 常用的驱动方式包括静电力驱动、电磁驱动、压电晶体驱动、记 忆合金驱动等。由于静电力驱动具有实现简单、串扰小、响应快速得优点，很适 合应用到r f 开关元件中，所以我在设计r f 开关时将使用静电驱动的方式，但 是如何减小驱动电压是一个很大的问题，在实际建模仿真的过程中达到较低的驱 动电压、减少功耗是优化的主要目标之一。 3 2r fm e m s 开关的特点 r fm e m s 开关具有低的插入损耗、低的开关执行电压、快的开关速度和良 好的线性度。与传统的场效应管或p i n 二极管的半导体开关器件相比，m e m s 具 有极低的串联电阻，因而插入损耗非常低。m e m s 开关作为基本元件，还可形 成其他类型的元件，如可调滤波器、开关式衰减器、变形天线元、移相器、多工 器和组成其他电路与系统。 3 3r fm e m s 开关的分类 应用到射频电路中的静电驱动开关按照和电路的关系可以分为：串联开关； 并联开关。 3 3 1 串联r f m e m s 开关 多模移动终端射频前端中r fm e m s 开关的研究 串联r fm e m s 开关是串联在射频传输线上的接触式开关。理想的串联开关 在没有施加偏置电压时使传输线开路，施加偏置电压时使传输线短路，具体的原 理见图3 1 。串联r fm e m s 开关一般应用在信号频率相对较低( 0 i 4 0 g h z ) 的电路中，在外加偏置电压时，插入损耗很低( - 0 1 0 2 d b ) 。 i 3 1 r fm e m s 串联开关 1 0 】 3 3 2 并联r f m e m s 开关 并联开关是并联在传输线和地之间的电容式开关。理想的并联开关在没有施 加偏置电压时插入损耗为零，存施加偏置电压时插入损耗为无穷大，具体的原理 见图3 2 。一个设计的很好的并联电容式开关应该存没有施加偏置电压时插入损 耗应该非常低( 5 5 0 g h z ：0 0 4 0 1 d b ) ，在施加偏置电压时插入损耗应该非 常高( 1 0 5 0 g h z ：大于2 0 d b ) 【9 】。并联电容式开关非常适合应用在高频领域 ( 5 1 0 0 g h z ) 。 图3 - 2r fm e m s 并联开关【l o 】 多模移动终端射频前端中r fm e m s 开关的研究 3 4r fm e m s 开关的主要性能参数 r fm e m s 开关的主要性能参数包括：驱动电压、切换时间、插入损耗、隔 离度。 1 ) 驱动电压 驱动电压越大，功耗以也越大，而在移动终端使用电池供电，电量非常有 限，所以在为移动终端设计r fm e m s 开关时，应该严格控制功耗，要尽可能的 减小驱动电压。驱动电压的大小，取决与开关结构和可动梁使用材料，应该通过 合理设计开关结构、选择适当的材料来获得低功耗的设计。 2 ) 切换时间 开关速度是衡量r fm e m s 开关性能的重要指标。开关速度是由开关的切换 时间决定的，切换时间越短，开关速度越快。从输入电信号到开关的机械构件动 作到预定位置所需要时间的即为切换时间。开关切换时间与r fm e m s 开关的结 构特点、材料特性、工作环境等都有关系，在设计中要想通过计算得到切换时间 是几乎不可能的。但是根据切换时间的定义可以通过实验测得开关的切换时间， 在没有制作样品之前也可以通过软件仿真得到切换时间。 3 ) 插入损耗 理想串联开关在连通状态下的插入损耗应该为零。但是当开关串联在射频传 输线上时，由于开关自身的体电阻、开关自身电感、开关金属触点与传输线之间 的接触电阻的存在，实际的串联开关在接通射频传输线的同时，将对传输线路引 入插入损耗，带来额外的信号衰减和功率消耗。由于移动通信系统射频前端接受 的射频信号常常很微弱，而且在进入放大电路前对噪声非常敏感，所以在设计应 用到射频前端的r fm e m s 开关时，尤其应该认真考虑通过优化设计来减小开关 的插入损耗。 4 ) 隔离度 隔离度代表了开关在断开状态时两段射频线路之间的耦合情况。理想串联开 关在断开状态隔离度应该无穷大，即断开的两段射频线路之间没有电磁耦合出 现。但是实际的开关由于传输线导体其他导体之间的串联电容和寄生电容的存 在，实际开关的隔离度不为无穷大。因为如果隔离度太低将使传输信号出现串码， 降低通信质量，所以在设计应用到移动通信系统中的r fm e m s 开关时必须考虑 尽可能的提高隔离度。 多模移动终端射频前端中r fm e m s 开关的研究 第四章r fm e m s 开关总体设计和理论计算分析 4 1r fm e m s 开关的总体设计 4 1 1 确定开关类型 由于是设计应用于多模移动终端的r f 开关，所以应该根据移动终端主要使 用的频率范围来确定开关类型。串联r fm e m s 开关一般应用在信弓频率相对较 低( 0 1 , - 4 0 g h z ) 的电路中，在外加偏置电压时，插入损耗很低( 0 1 0 2 d b ) 。 因为移动通信中使用到的频率都小于4 0 g h ，而且串联开关与并联开关相比，结 构简单利于系统体积的控制，所以在综合考虑各种因素之后决定选择使用串联式 开关结构。 4 i 2 确定驱动方式 图4 一l平板电极驱动原理 通过比较各种驱动方式的优缺点，再结合移动终端要求器件功耗小、体积小 的特点，确定采用静电力驱动，静电力驱动是利用正负电荷之间的静电吸引力来 达到驱动的目的，它具有可重复性强和容易屏蔽等优点。从简化结构和易于加工 的角度出发确定采用平板电极驱动的静电驱动方式，实际的驱动器结构是两个有 电压差的电极板相互吸引，从而完成需要的动作，如图4 1 所示。 4 1 3 初步设计开关结构 r fm e m s 串联开关的可动梁，尽管有多种结构可选，但是在总体上可以分 为两种： 图4 2 直联式串联开关 多模移动终端射频前端中r fm e m s 开关的研究