基本信息
- 项目名称：
- RF MEMS滤波器的集成化设计与制造
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本作品通过计算仿真，完成了针对无线通讯主要频段的滤波器设计。对MEMS 电感电容进行了建模、仿真及优化。成功制造出MEMS平面螺旋电感，并且对另一关键元件电容开展了深入研究，从结构和工艺两方面进行优化，提出与MEMS电感工艺相兼容的全金属螺旋电容结构。并对制造过程中的关键步骤电镀铜工艺进行了研究，最终提出了一套全金属电镀铜滤波器的可行性工艺方案并成功制造出了关键元件。本研究成果有望应用于无线电产业和人体植入设备。
- 详细介绍：
- 本作品调研了无线通讯市场对集成电路的发展提出的新挑战，通过分析RF MEMS技术的强大优势，展示出在无线通讯领域采用MEMS技术的广阔前景。 通过理论计算及模拟仿真，针对无线通讯的主要频段利用分立的无源器件（电感和电容）进行了低通、高通和带通滤波器的集成化设计。重点研究了可集成的无源MEMS分立器件的设计和制造工艺。对其中的关键元器件进行了从电路级到器件级的参数转换。完成了MEMS 元器件电感电容的建模、仿真及优化。成功制造出MEMS平面螺旋电感，并且对MEMS 滤波器的另一关键元件电容开展了深入研究，从结构和工艺两方面进行优化，提出与MEMS电感工艺相兼容的全金属螺旋电容结构，并且设计出一套制备集成RF MEMS 滤波器的可行性工艺方案，此外，作品还对电镀单项工艺进行了深入研究，为集成化RFMEMS 滤波器的实现打下基础。最终利用全金属电镀工艺成功制造出了其中的关键元件（电感和电容）。突出了MEMS技术的小型化，便携化，高性能的优点。 本研究成果有望应用于无线电产业和人体植入设备。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 本作品通过分析RF MEMS技术的强大优势，展示出在无线通讯领域采用MEMS技术的广阔前景。通过理论计算及模拟仿真，完成了针对无线通讯的主要频段的高、低、带通三种RF MEMS滤波器的集成化设计，并对制造过程中的关键步骤电镀铜工艺进行了研究，最终提出了一套全金属电镀铜滤波器的可行性工艺方案并成功制造出了关键元件。本成果在通讯领域有巨大的应用潜力，具有重要的理论和实际价值。
科学性、先进性及独特之处
- 本作品在对无线通讯领域和现有RF MEMS领域研究现状进行调研的基础上，提出了全金属电镀铜滤波器的集成化方案，突出了MEMS技术的小型化，便携化，高性能的优点。本作品的部分研究成果已在国际会议MicroNano08和IEEE NEMS09上发表。作品本身具有相当水平的科学性和先进性。
应用价值和现实意义
- 本作品的研究成果可应用于无线电通讯等产业，如手机，信号接收器，人体植入设备等，突出了MEMS技术的小型化，便携化，高性能的优点，推动了微电子产业的发展。
学术论文摘要
- 本课题针对高频900M和5.8GHz利用MEMS分立的无源器件（电感和电容）进行了低通、高通和带通滤波器的集成化设计与仿真，并结合MEMS工艺设计出了滤波器的集成化的可行性方案。重点研究了可集成的分立器件的设计和制造工艺。对其中的关键元器件进行了从电路级到器件级的参数转换。完成了MEMS 元器件电感电容的建模、仿真及优化。并且对MEMS 滤波器的关键元件电容开展了深入研究，从结构和工艺两方面进行优化，实现了全金属电容结构，提出了一套制备集成RF MEMS 滤波器的可行性工艺方案，并对电镀单项工艺进行深入研究，为集成化RFMEMS 可调滤波器的实现打下基础。最终利用全金属电镀工艺成功制造出了其中的关键元件（电感和电容）。本研究成果有望应用于无线电产业和人体植入设备。
获奖情况
- 1. Y. Chen, X. H. Li, S. Q. Chen and H. X. Zhang, “Investigation on the Effects of Copper Electroplating Process”, Proceeding of MicroNano08, June 2008; 在会议上作为会议展板供与会代表参观 2. Y. Chen, X. H. Li, D. M. Fang, Y. Quan and H. X. Zhang, “Spiral Capacitor based on Copper Electroplating”, IEEE NEMS-2009, Jan. 2009; 在会议上作口头报告
鉴定结果
参考文献
- EI, SCI, IEL等专业数据库中检索MEMS inductor, capacitor等或参见论文参考文献。
同类课题研究水平概述
- 目前，在无线通讯和能量传输领域，RF MEMS因体积小，低能耗和高性能有广泛的应用。在RF MEMS领域，基于MEMS电感，电容和开关的集成RF滤波器在无线通讯领域有重要的应用价值。它能应用于手机，信号接收器，植入设备中来滤去噪声提取有效信息。很多研究者都致力于RF MEMS滤波器的研究。其中一种实现方式为MEMS机械谐振器。但是由于高阻抗难以与传统的50欧姆传输线匹配，因此应用有限。另一种方式是将分立的元件集成。因为现有的关于分立元件的研究日趋成熟，所以现实中后者更有意义。此外，制造工艺越简单，成本越低，越好。 要实现这些目标，问题来自制造工艺。要实现高Q值，就要求尽量减少衬底损耗和串联电阻。有研究利用牺牲层工艺来减少衬底损耗。另有报道利用PDMA工艺使器件竖直来分离衬底和器件以提高Q值。要减小串联电阻，厚层金属有很好的效果。至于材料，传统上MEMS工艺应用多晶硅作为机械结构。虽然多晶硅的机械性能很好，但是阻抗高影响了Q值的提高。而一些研究引进的无电镀工艺也不能很好地解决这些问题。 在本课题中，针对上述问题，采用高效率的电镀铜工艺鉴于铜的低阻抗和这项工艺的低成本，并且采用高绝缘的玻璃衬底，可以有效提高Q值。在研究中，还设计了平面螺旋结构的电感和电容结构，在集成化生产过程中可以降低工艺复杂度，节约成本。
