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半導體所在微機電射頻諧振器件研究方面取得系列進展

2010.12.16

　　在科技部和中國科學院的大力支持下，半導體研究所集成技術工程研究中心相關課題組多年來致力于射頻諧振器件以及相關的測試表征系統的研制工作，在諧振器構型、微納加工工藝、器件測試方法研究和測試系統組建等方面取得了系列科研進展。

　　微機電系統(MEMS)是指利用微納加工技術制作的、同時具有機械組元和電子組元的小型化器件或系統。另外，以集成電路為代表的現代電子工業的發展遭遇到了特征尺度進一步小型化的瓶頸，其中關鍵問題之一是，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、電容等構成的諧振器件。目前的解決方案通常是采用片外組元，這無疑增加了器件成本和體積，并且不利于高頻信號的處理。

　　微機電高頻/射頻諧振器件是解決這一難題的最佳技術途徑，它以換能原理為基礎，將輸入的電信號轉換為機械結構振動的機械信號，并由該機械結構對電信號進行選頻、濾波等操作，在輸出端將此機械信號轉換為相應的電信號輸出。研究具有高品質因子Q值的MEMS諧振器并進而發展出新型電路、器件和系統，將從根本上影響甚至極大地改變射頻器件和產業的發展。歐美各國從上世紀九十年代起，長期支持射頻MEMS諧振器件的研發，2006年研制出了最高頻率達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的高技術應用背景。以射頻收發組件為例，它由天線、放大器、濾波器、混頻器和振蕩器等5個基本射頻器件組成；其單片化、小型化、低功耗化以及低成本化是射頻器件和產業發展的必然趨勢，也是構建無線傳感器網絡等高端應用的重要基礎。實現這5個器件更小、更輕以及能耗更低的最大瓶頸在于振蕩器和濾波器的發展改善。

　　發展射頻MEMS諧振器件的難點和關鍵點在于:(1)工作于射頻頻段的新型諧振器的構型設計，以及相應的微納加工工藝的探索；(2)高品質因子Q值的實現；(3)針對MEMS 諧振器件低維、小尺度特點的，特殊的測試表征方法和測試系統的開發和研制。

　　針對MEMS研究領域這一重要發展動向，半導體研究所自2004年起開展了高頻/射頻諧振器件以及相關的測試表征系統的研制工作。他們在諧振器構型、微納加工工藝、器件測試方法研究和測試系統組建等一系列方面開展了深入系統的研究工作，取得了系列的科研進展，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)，研制了具有獨立自主知識產權的、高頻/射頻MEMS諧振器件的寬頻譜測試表征系統(最高可測試頻率6 GHz)(見圖2)。已申請國家ZL4項(另外有2項正在申請)、發表文章8篇。

　　半導體研究所在高頻/射頻諧振器原型器件的制作，以及相關測試表征系統的研制方面的進展，必將對我國射頻MEMS器件研究及相關領域的發展起到一定推動作用。