半導(dǎo)體所在微機(jī)電射頻諧振器件研究

在科技部和中國(guó)科學(xué)院的大力支持下，半導(dǎo)體研究所集成技術(shù)工程研究中心相關(guān)課題組多年來致力于射頻諧振器件以及相關(guān)的測(cè)試表征系統(tǒng)的研制工作，在諧振器構(gòu)型、微納加工工藝、器件測(cè)試方法研究和測(cè)試系統(tǒng)組建等方面取得了系列科研進(jìn)展。

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）是指利用微納加工技術(shù)制作的、同時(shí)具有機(jī)械組元和電子組元的小型化器件或系統(tǒng)。另外，以集成電路為代表的現(xiàn)代電子工業(yè)的發(fā)展遭遇到了特征尺度進(jìn)一步小型化的瓶頸，其中關(guān)鍵問題之一是，利用IC工藝或與IC兼容的微納加工工藝，不能在同一電路芯片上制作出滿足特性要求的小型化的電感、電容等構(gòu)成的諧振器件。目前的解決方案通常是采用片外組元，這無(wú)疑增加了器件成本和體積，并且不利于高頻信號(hào)的處理。

微機(jī)電高頻/射頻諧振器件是解決這一難題的最佳技術(shù)途徑，它以換能原理為基礎(chǔ)，將輸入的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械結(jié)構(gòu)振動(dòng)的機(jī)械信號(hào)，并由該機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)電信號(hào)進(jìn)行選頻、濾波等操作，在輸出端將此機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)輸出。研究具有高品質(zhì)因子Q值的MEMS諧振器并進(jìn)而發(fā)展出新型電路、器件和系統(tǒng)，將從根本上影響甚至極大地改變射頻器件和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。歐美各國(guó)從上世紀(jì)九十年代起，長(zhǎng)期支持射頻MEMS諧振器件的研發(fā)，2006年研制出了最高頻率達(dá)125 MHz的MEMS振蕩器。

高Q值高頻/射頻微納諧振器件的研究具有很強(qiáng)的高技術(shù)應(yīng)用背景。以射頻收發(fā)組件為例，它由天線、放大器、濾波器、混頻器和振蕩器等5個(gè)基本射頻器件組成；其單片化、小型化、低功耗化以及低成本化是射頻器件和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是構(gòu)建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等高端應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。實(shí)現(xiàn)這5個(gè)器件更小、更輕以及能耗更低的最大瓶頸在于振蕩器和濾波器的發(fā)展改善。

發(fā)展射頻MEMS諧振器件的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)在于:（1）工作于射頻頻段的新型諧振器的構(gòu)型設(shè)計(jì)，以及相應(yīng)的微納加工工藝的探索；（2）高品質(zhì)因子Q值的實(shí)現(xiàn)；（3）針對(duì)MEMS 諧振器件低維、小尺度特點(diǎn)的，特殊的測(cè)試表征方法和測(cè)試系統(tǒng)的開發(fā)和研制。

針對(duì)MEMS研究領(lǐng)域這一重要發(fā)展動(dòng)向，半導(dǎo)體研究所自2004年起開展了高頻/射頻諧振器件以及相關(guān)的測(cè)試表征系統(tǒng)的研制工作。他們?cè)谥C振器構(gòu)型、微納加工工藝、器件測(cè)試方法研究和測(cè)試系統(tǒng)組建等一系列方面開展了深入系統(tǒng)的研究工作，取得了系列的科研進(jìn)展，制作出了基頻150 MHz、Q值高于104的新型圓盤諧振器原型器件（見圖1），研制了具有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、高頻/射頻MEMS諧振器件的寬頻譜測(cè)試表征系統(tǒng)（最高可測(cè)試頻率6 GHz）（見圖2）。已申請(qǐng)國(guó)家專利4項(xiàng)（另外有2項(xiàng)正在申請(qǐng)）、發(fā)表文章8篇。

半導(dǎo)體研究所在高頻/射頻諧振器原型器件的制作，以及相關(guān)測(cè)試表征系統(tǒng)的研制方面的進(jìn)展，必將對(duì)我國(guó)射頻MEMS器件研究及相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展起到一定推動(dòng)作用。

圖1.研制的新型圓盤型諧振器原型器件及其測(cè)試結(jié)果

圖2. 研制的高頻/射頻MEMS諧振器件的寬頻譜測(cè)試表征系統(tǒng)