關(guān)鍵字：MEMS技術(shù) 無(wú)線(xiàn)通信 RF元件
寬頻化后的移動(dòng)電話(huà)面臨HSDPA（High Speed Downlink Packet Access）,、Super3G,、4G等技術(shù)挑戰(zhàn)，在此同時(shí)WLANIEEE802同樣面臨2.5GHz,、5GHz,、WiMAX（World Interoperability for Microwave Access）系統(tǒng)高頻領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)化等問(wèn)題。
針對(duì)2.0GHz以上的高頻化需求,，除了必需使用頻率范圍比SAW濾波器更高的FBRA濾波器之外,，高頻電路的小型化、低成本化,、模組化,、一體化（monolithic）也是業(yè)者必需克服的難題，一般認(rèn)為在硅晶圓基板表面制作RF-MEMS,，可以獲得較佳的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),。
在此同時(shí)移動(dòng)電話(huà)與WLAN寬頻化后，電路系統(tǒng)的消費(fèi)電力也隨著增加,，而且更容易受到多通衰減（multi pass facing）的影響,，有效對(duì)策例如使用適應(yīng)型陣列天線(xiàn)（adaptive array antenna）技術(shù)等等。然而利用RF元件達(dá)成上述技術(shù)時(shí),，必需使用可變或是可切換元件,，因此低損失、低歪斜MEMS元件的發(fā)展,，受到無(wú)線(xiàn)通信業(yè)者高度期待,。
有關(guān)寬頻化方面的進(jìn)展，雖然多頻（multi band）已經(jīng)行之多年,，不過(guò)系統(tǒng)切換用開(kāi)關(guān)要求使用低損失,、高絕緣、低歪斜的RF開(kāi)關(guān),。
有關(guān)終端高性能方面的進(jìn)展,，國(guó)外通信業(yè)者正積極開(kāi)發(fā)軟體選擇「軟件無(wú)線(xiàn)技術(shù)（SDR；Software Defined Radio）」,，試圖應(yīng)用在各種移動(dòng)通信系統(tǒng),，在此前提下如果應(yīng)用MEMS技術(shù)，可望制成可變電容器與可變電感器等無(wú)線(xiàn)通信元件。
首先介紹5GHz WLAN用,、2GHz W-CDMA用FBRA共振體與濾波器的構(gòu)造,、壓電薄膜與電極膜的選擇槽穴（cavity）的制作方法,，以及低損失寬頻化BRA濾波器的設(shè)計(jì)技巧,。
所謂FBRA是指壓電體被施加交流電界時(shí)，壓電體厚度方向發(fā)生振動(dòng),，利用壓電體具備的固有振動(dòng)特性的共振器而言,。FBRA的動(dòng)作特性與 、 ,、石英bulk共振體非常類(lèi)似，不過(guò)傳統(tǒng) bulk共振體高頻化時(shí)有一定極限,，無(wú)法應(yīng)用在 等級(jí),，必需改用SAW構(gòu)成的共振體與濾波器。目前SAW元件廣泛應(yīng)用在行動(dòng)電話(huà),，全球市場(chǎng)需求量更高達(dá)20億個(gè)以上,，F(xiàn)BRA與SAW元件處于相互競(jìng)爭(zhēng)的局面，不過(guò)FBRA具備以下優(yōu)點(diǎn)：
⑴. 無(wú)微細(xì)圖案（fin pattern）容易高頻化,，電極的耐電力性非常高,。
⑵. 高Q值（表示共振器的銳利度）構(gòu)成的共振體與濾波器損失非常低。
⑶. 在硅晶圓半導(dǎo)體基板上制作FBRA,，RF電路可以一體化,。
如上所述施加交流電界時(shí)壓電體會(huì)自由振動(dòng)，因此FBRA要求一定空間（cavity）,。圖1是FBAR與SAW的結(jié)構(gòu)比較,，由圖可知FBAR的基本結(jié)構(gòu)，分別在硅晶圓半導(dǎo)體基板上制作具備空間的下方電極,、壓電薄膜,、上方電極，整體結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)潔,。若與SAW的結(jié)構(gòu)比較,，SAW必需激振彈性表面波，此外為進(jìn)行收訊基板表面設(shè)置數(shù)十根梳狀電極,，至于電極的數(shù)量則取決于共振頻率與電極間距 （圖1（b））,。
相較之下FBAR的共振頻率是由壓電薄膜厚度決定，雖然空間可以利用傳統(tǒng)干蝕刻技術(shù)制作,，不過(guò)它屬于異方性干蝕方式,，為確保預(yù)期的空間，制作上會(huì)產(chǎn)生所謂的「壞死空間（dead space）」不適合小型化元件加工,，而且干蝕刻加工方式不易維持尺寸精度,，必需改用可以作深孔蝕刻的Deep-RIE技術(shù),，才能夠獲得小型、高精度的共振器（圖2）,。
壓電薄膜通常都使用AIN,、ZnO等材料。表1是使用AIN,、ZnO壓電薄膜的特性比較,，由表可知ZnO具有高電氣機(jī)械結(jié)合系數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，不過(guò)綜合考慮音速,、頻率溫度系數(shù),、高Q等特性時(shí)，研究人員最后決定改用AIN材料,。
材料 AIN ZnO電氣機(jī)械結(jié)合系數(shù)k2（%） 6.5 8.5頻率溫度系數(shù)（ppm/℃） -25 -60音速（m/s） 11300 6080高Q 良好 控制復(fù)雜
表1 壓電薄膜的特性比較
圖3是使用AIN與ZnO材料的壓電薄膜,，5GHz時(shí)的共振特性比較，如圖所示使用AIN的壓電薄膜具有尖銳（sharp）良好的共振特性,，濾波器低損失化與寬頻化時(shí)要求結(jié)晶性良好的AIN,，尤其是AIN的c軸配向非常好，它對(duì)電極薄膜的選擇與表面狀態(tài)是非常重要的要素,。
電極材料的要求特性分別如下:
⑴.高音響阻抗（impedance）（亦即高楊氏率,、高密度）。
⑵.低阻抗,。
⑶.低表面粗糙性,。
因此新世代FBAR的電極使用高音響阻抗Ru材料。Ru質(zhì)電極表面狀態(tài)經(jīng)過(guò)平坦化加工,，在其上方堆積的AIN可以順利達(dá)成高配向化,，若與傳統(tǒng)Mo電極材料比較，Ru質(zhì)電極可以獲得高Q值,，圖4是FBAR的壓電薄膜與電極斷面構(gòu)造,。
濾波器的設(shè)計(jì)經(jīng)常應(yīng)用在SAW濾波器，圖5是梯型（Ladder Type）FBAR濾波器的內(nèi)部結(jié)構(gòu),，如圖所示它是由并聯(lián)碗型共振器與串聯(lián)碗型共振器,，兩者呈階梯狀連接構(gòu)成,，接著使兩種共振器的反共振頻率接近一致,，如此就能夠獲得良好的頻通（band pass）特性。此處為了賦予并聯(lián)與串聯(lián)共振器頻率差,，因此在并聯(lián)碗型共振器上方制作負(fù)載膜,，利用它的質(zhì)量負(fù)載效應(yīng)使頻率低于聯(lián)碗型共振器。此時(shí)只要設(shè)定連接后的共振器基本區(qū)段間段數(shù),，控制并聯(lián)碗型共振器的靜電容量比,，以及晶片或是封裝內(nèi)配列的電感（inductance）（Lo,，Lp）,，就能夠控制濾波器的損失與衰減特性，獲得低損失高頻通特性的濾波器,。
研究人員應(yīng)用上述技術(shù)分別開(kāi)發(fā)兩種濾波器，分別是北美歐洲地區(qū)用5.15～5.35GHz寬頻FBAR濾波器,，與日本地區(qū)用5.15～5.25GHz窄頻FBAR濾波器,。
圖6是北美歐洲地區(qū)用5.15～5.35GHz寬頻FBAR濾波器的特性，由圖可知該濾波器的損失低于2dB以下,，SAW濾波器若與傳統(tǒng)陶瓷濾波器比較，不論是損失或是頻通都具有非常優(yōu)秀的特性,；有關(guān)耐電力特性，F(xiàn)BAR濾波器若與SAW比較,，同樣具有非常優(yōu)秀的特性,。
圖7是研究人員改變制程試作可以?xún)?nèi)建在2.0×1.6×0.6mm小型封裝內(nèi)的2GHz FBAR濾波器的特性,，根據(jù)測(cè)試結(jié)果顯示,，它可以獲得非常優(yōu)秀的損失與頻通抑壓特性。
RF-MEMS開(kāi)關(guān)的制作技術(shù)
行動(dòng)電話(huà)內(nèi)部的GaAs半導(dǎo)體開(kāi)關(guān),，主要功能是切換天線(xiàn)與頻域（band）,，通訊頻率越高損失越大，絕緣特性相對(duì)降低,，歪斜特性則隨著增加,，整體通信性能明顯劣化。根據(jù)研究報(bào)告指出機(jī)械式RF-MEMS開(kāi)關(guān),，在高頻范圍可以獲得低損失,、高絕緣以及線(xiàn)性特性。
圖8是典型接觸式MEMS開(kāi)關(guān)的基本結(jié)構(gòu),，如圖所示它是在設(shè)有信號(hào)線(xiàn)路的基板制作金屬接點(diǎn)形成懸臂（cantilever）結(jié)構(gòu),，利用連動(dòng)器（actuator）驅(qū)動(dòng)進(jìn)行開(kāi)、閉動(dòng)作,，利用薄膜的積層與圖案化為主的表面加工制程制成的連動(dòng)器,，整體結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)潔，因此成為靜電驅(qū)動(dòng)型MEMS開(kāi)關(guān)的主流。
此外制作微米等級(jí)的高精度間隙（gap）,，長(zhǎng)膜時(shí)要求精密的應(yīng)力控制技術(shù),，一般認(rèn)為不易實(shí)現(xiàn)低損失要求的線(xiàn)路低阻抗化，因此研究人員開(kāi)發(fā)不需要應(yīng)力控制可以實(shí)現(xiàn)低損失的RF-MEMS開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)（圖9）,。
新型RF-MEMS開(kāi)關(guān)同樣采用靜電驅(qū)動(dòng)型懸臂設(shè)計(jì),，信號(hào)線(xiàn)路利用厚膜電鍍技術(shù)制作，它可以達(dá)成低阻抗化要求,。具體步驟首先在高阻抗Si的SOI（Silicon on Insulator）表面制作上層硅,，接著利用蝕刻技術(shù)通過(guò)欄柵（slit），去除中間的氧化膜形成懸臂,，由于厚質(zhì)bulk硅的懸臂是由薄膜構(gòu)成,，因此幾乎無(wú)應(yīng)力變形問(wèn)題，而且能夠在電鍍金屬之間形成高精度狹窄間隙,。
此時(shí)若對(duì)電鍍制成的GND電極,，與懸臂上方的驅(qū)動(dòng)電極之間施加電壓，懸臂受到靜電影響會(huì)朝上方反翹,，前端接點(diǎn)與信號(hào)線(xiàn)接觸變成ON狀態(tài)，懸臂同時(shí)利用接點(diǎn)支撐,，由于懸臂擁有的彈簧系數(shù)非常大,，因此構(gòu)造上驅(qū)動(dòng)電極一直到最后，都不會(huì)主動(dòng)與GND電極接觸,。
此外驅(qū)動(dòng)電極與GND電極不需要挾持絕緣層,，所以不會(huì)因?yàn)榻^緣層charge up（亦即未施加電壓狀態(tài)下出現(xiàn)ON現(xiàn)象）發(fā)生誤動(dòng)作，一旦切斷驅(qū)動(dòng)電壓利用懸臂的彈性,，接點(diǎn)會(huì)跳脫信號(hào)線(xiàn)變成OFF狀態(tài),。圖10是RF-MEMS的電子顯微鏡照片；圖11是編號(hào)SP4具備一個(gè)輸入四個(gè)輸出的RF-MEMS開(kāi)關(guān)電子顯微鏡照片,，SP4的驅(qū)動(dòng)電壓低于10V,，屬于低電壓靜電驅(qū)動(dòng)型RF-MEMS開(kāi)關(guān)；圖12是上述新型RF-MEMS開(kāi)關(guān)的動(dòng)作特性,，設(shè)計(jì)目標(biāo)是2GHz時(shí)的損失低于0.3dB,，絕緣大于30dB。
MEMS可變電容器的制作技術(shù)
目前大部份的移動(dòng)電話(huà)RF電路單元,，包含模擬被動(dòng)元件在內(nèi)的頻率都被固定,，隨著移動(dòng)電話(huà)高性能化，市場(chǎng)強(qiáng)烈要求RF模組小型化,，同時(shí)必需能夠支援多頻化（multi band）,，一般認(rèn)為同一個(gè)RF電路如果具備可以支援多頻的可變同調(diào)功能,，就能夠大幅抑制電路制作成本與電路規(guī)模。接著介紹可以實(shí)現(xiàn)可變電容器被動(dòng)元件的MEMS可變電容器的制作技術(shù),。
有關(guān)MEMS可變電容器的結(jié)構(gòu),，例如平行平板型或是梳狀齒形電極，不易同時(shí)獲得寬廣可變?nèi)萘浚ǎ┡c高Q值,，此外目前移動(dòng)電話(huà)常用的利用電壓控制容量的可變電容器（Varactor）,，雖然可變?nèi)萘浚ǎ┓浅拸V，不過(guò)Q值卻不如預(yù)期高,，因此研究人員決定利用MEMS技術(shù),，開(kāi)發(fā)兩者兼具的次世代可變電容器。
圖13是次世代MEMS可變電容器的基本構(gòu)造,，如圖所示它是利用懸浮在空中的薄膜狀上方可動(dòng)電極,，與下方可動(dòng)電極挾持狹窄間隙，在封密領(lǐng)域形成電容器（Capacitor）,，此時(shí)為了獲得大容量,，因此在下方可動(dòng)電極上方制作高誘電率絕緣性薄膜。
一般積層薄膜容易殘留薄膜應(yīng)力不易獲得平坦形狀,，必需有效利用電極的反翹特性設(shè)計(jì)可變結(jié)構(gòu),，具體方法使電容器單元的下方可動(dòng)電極朝上方彎曲（凸?fàn)睿渲幸徊糠萁咏戏娇蓜?dòng)電極,，一旦對(duì)上下方可動(dòng)電極之間施加電壓,，利兩電極之間的靜電吸引力使近接部位朝中心移動(dòng)，兩電極之間的間隙變窄電容量也隨著改變,，電極近接部位產(chǎn)生的靜電變大，即使低電壓也可以高精度控制電極之間的間隙,，實(shí)現(xiàn)低電壓大容量可變電容器的預(yù)期目標(biāo),。
圖14是試作靜電驅(qū)動(dòng)型MEMS可變電容器（1.5×1.8mm）的外形；圖15是施加電壓時(shí)的電容量變化特性,，根據(jù)測(cè)試結(jié)果顯示次世代MEMS可變電容器,，5V的驅(qū)動(dòng)電壓可以獲得寬廣容量變化，從0V到5V反覆次連續(xù)改變施加電壓,，它的容量變化幾乎完全相同,。
為實(shí)現(xiàn)高Q值通常必需降低信號(hào)線(xiàn)的阻抗損失、基板的誘電損失,，不過(guò)研究人員發(fā)現(xiàn)透過(guò)信號(hào)線(xiàn)路的最佳化設(shè)計(jì),、上下方可動(dòng)電極的中空配置、改用玻璃材質(zhì)基板等等,，可以有效降低上述各種損失,，即使2.4GHz也能夠獲得40左右的高Q值,，整體而言次世代靜電驅(qū)動(dòng)型MEMS可變電容器的電容可變范圍是傳統(tǒng)的2倍以上。
結(jié)語(yǔ)
以上介紹次世代高頻無(wú)線(xiàn)通信不可或缺的關(guān)鍵性元件,，F(xiàn)BAR濾波器（filter）,、RF-MEMS開(kāi)關(guān)（switch），以及MEMS可變電容器的制作技術(shù).