未来的射频与微波系统要求更加灵活、更加复杂,而同时又要求体积小、重量轻和功耗低。能够实现上述功能的最有前途的就是与现今集成电路平面制造工艺相兼容的微纳机电系统。
微纳机电系统是以半导体制造技术为基础发展起来的。微纳机电系统采用了半导体技术中的光刻、腐蚀、薄膜等一系列的现有技术和材料,因此从制造技术本身来讲,微纳机电系统中基本的制造技术是成熟的。但微纳机电系统更侧重于超精密机械加工,并涉及微电子、材料、力学、化学、机械学等诸多学科领域。它的学科面也扩大到微尺度下的力、电、光、磁、声、表面等物理学的各分支。微纳机电系统是微电路和微纳机电按功能要求在芯片上的集成,尺寸通常在毫米或微米级,自八十年代中后期崛起以来发展极其迅速,被认为是继微电子之后又一个对国民经济和军事具有重大影响的技术领域,将成为21世纪新的国民经济增长点和提高军事能力的重要技术途径。微纳机电系统的优点是:体积小、重量轻、功耗低、耐用性好、价格低廉、性能稳定等优点。微纳机电系统的出现和发展是科学创新思维的结果,是微观尺度制造技术的演进与革命。微纳机电系统是当前交叉学科的重要研究领域,涉及电子工程、材料工程、机械工程、信息工程等多项科学技术工程,将是未来国民经济和军事科研领域的新增长点。
作为微纳机电系统领域的一个重要研究方向,射频微纳机电系统是构建具有智能化、自适应、多功能和高集成的新一代无线通信系统的关键技术。目前世界各国都投入大量经费和研究人员试图解决微纳器件及其相关信息系统的集成、小型化、智能化方面的瓶颈问题。我们主要以射频微纳机电系统为主要研究方向,开展科学研究。
在微纳机电谐振器及滤波器研究领域,也存在一些关键性的难题,这些难题正是目前的研究热点,比如如何提高微纳机电谐振器的固有频率,怎样提高微纳机电谐振器的品质因数,如何进行谐振频率的小幅度调整,解决常压下微纳机电谐振器及滤波器对环境变化的鲁棒性问题。同时,在双通道微波功率检测系统研究上,微纳机电系统梁结构对共面波导的特性阻抗有较大影响,其匹配兼容性问题也有待进一步深入研究。
随着信息技术、光通信技术的迅猛发展,微纳机电系统发展的一个重要领域是射频微纳机电系统。技术的飞速发展和社会需求的提高,通信系统的小型化、微型化成了必然趋势,尤其是便携式系统和军用系统。
微纳机电系统是集成电路工艺与精密机械加工相结合的一门新兴技术,微纳机电系统是结合利用与集成电路制造技术相兼容的大批量生产工艺制做的电子或机械元件,而集成的微型器件或系统其尺寸在纳米到毫米量级。微纳机电系统正在应用于通信系统前端器件,如双工器、转换开关、混频器、RF放大器、RF滤波器、本振RF、放大器、VCO和可调电容。它的主要优点是低损耗、高效率和微型化。微纳机电结构未来的技术发展将把高频SiGe有源器件、先进的微纳机电器件集成在一块晶片上,从而实现进一步缩小体积、减轻重量、降低成本的要求。
基于微纳机电系统应用背景的重要性,美、欧、日等国家都高度重视发展该项技术。近年来,美国国防部先进研究计划署每年都投资巨额研究经费用于微纳机电系统研究,制造的RF无源器件与电路集成在单一的芯片里,形成单芯片系统。射频微纳机电系统可实现无源器件和IC的高度集成,是制作集信息的采集、处理、传播于一体的系统集成芯片新技术之一。国内在射频微纳机电系统器件方面研究已有较好基础,但在产品应用方面与市场尚有不小的距离,主要原因在于研发与应用的脱节及成果转化机制不完善等方面。
考虑到目前无源微纳机电谐振器及滤波器的研究难点,本实验室以静电梳驱动折叠梁微纳谐振器及滤波器为研究对象,拟采用振动有源控制技术提高微纳机电谐振器、滤波器的动态性能。以往的振动有源控制是以提高闭环系统的阻尼,减小结构系统的振动水平,增强系统的稳定性为目的。而在微纳机电谐振器、滤波器中,振动有源控制必须减小系统的阻尼,保持足够高的共振峰,以获得高的品质因数。同时,以电子信息系统中的关键核心元器件为研究对象,集振动力学、微机械、半导体器件工艺、控制理论等多学科为一体,运用振动有源控制理论提高微纳机电谐振器、滤波器的性能,拟不用真空封装,将微纳机电谐振器、滤波器及其有源控制电路,同通信系统的其它功能电路做在同一块硅片上,形成真正的单片集成微纳机电系统。对于通信系统的进一步升级,发展具有自主知识产权的微型高性能关键元器件——有源射频微纳机电谐振器、滤波器,抢占这一高技术领域的制高点具有特别重要的意义。
同时,本实验室集成热电式薄膜结构的宽频特性和电容式薄膜结构的抗温度特性、高动态特性,设计了一种基于薄膜结构的双通道微波功率检测系统,其设计理论与实现方法蕴藏着很多待研究的物理机理。拟建立微纳机电梁结构(包括悬臂梁和固支梁)在微波激励下的理论体系,探索电容式薄膜结构中的梁结构对共面波导特性阻抗的影响及其物理机制,探索双通道功率检测系统中正面梁结构释放和背面衬底掏孔的制作工艺,同时,针对基于薄膜结构的双通道功率检测系统的可靠性展开研究,深入研究基于薄膜结构的双通道微波功率检测系统的设计理论与实现方法。