集成化高性能微纳机电射频谐振器件研究

Next generation wireless communication system is developing towards miniaturization, low power consumption, high frequency, and high integration. The main technology bottleneck is the oscillator and filter, which have either low Q values or can only be integrated with IC circuit at board level. MEMS resonator devices with promising performance are considered as ideal substitutes for traditional quartz/ ceramic-based oscillator and filter in future wireless communication system. This project aims at developing integrative radio frequency MEMS/NEMS resonator devices. In order to create novel resonators with high resonance frequency f （the best f >2 GHz）and high Q values (the best Q>10000), we will focus on the following investigations. Firstly, systematic study will be done to explore the new resonating principle for achieving high resonance frequency above GHz and to enhance the Q values after revealing the energy loss mechanism in new resonators. Secondly, the microfabrication technology to produce the new micro/nano-structure and devices with high yield will be developed. Thirdly, the distortion mechanism for small RF output signal of the resonators will be investigated and the measurement schemes for characterizing the resonance properties with high accuracy will be built up. Finally, the IC circuit for positive feedback driving and temperature compensation will be designed. With the key breakthroughs made in the above-mentioned study, high-end oscillator （TCF <15 ppm） and filter (insertion loss < 15 dB)prototypes will be realized. These results can surely provide significant technology support for mass production of MEMS high-end resonator devices in the future. After carrying out this project, the following achievements will be brought forth: a high-level scientific research team, 25-30 publications in SCI/EI journals, more than 10 patents, and 6-12 master and doctor.

高度集成化、小型化、高频率、低功耗是未来无线通信系统发展的必然趋势。射频收发组件小型化的关键技术瓶颈是滤波器和振荡器的性能限制。基于MEMS谐振子的高性能射频微纳谐振器件是能取代基于陶瓷、石英等材料的片外振荡器和滤波器的理想元件。本项目将对高性能射频微纳谐振器件的关键科学和技术问题进行系统研究。发展提高谐振频率的新原理和方法，揭示微纳谐振子的能量损失机理及其尺度效应，力争在GHz以上新型谐振原理和高Q值的实现方面取得实质性突破，制作高谐振频率（最高> 2 GHz）、高Q值（最高>10000）的新谐振子。研究射频微弱信号的失真发生机理及高保真检测方法，研究微纳米结构的构筑技术、正反馈驱动和温度补偿方法，研制高性能振荡器（频率稳定度< 15 ppm）和滤波器（插损<15 dB）原型器件，为大规模制造可集成的高性能射频微纳谐振器件奠定基础。发表SCI/EI论文25-30篇，申请发明专利10项以上

本项目以射频收发组件对高性能射频谐振器件的需求为背景，旨在研制多种基于高性能射频MEMS谐振器的射频微纳谐振器件，开发高频、高Q值、微型化的硅基谐振器、高稳定性振荡器和高频超窄带可调滤波器等关键核心射频器件，研究提升谐振器件频率和Q值的机理、开发大规模、高成品率的制备方法和高精度射频小信号测试方法，为射频MEMS器件在射频收发系统的大规模应用奠定基础。研究内容主要包括：.1、 建立了谐振器理论模型，对谐振机制、高阶谐振模态、能量损耗机制、非线性特性、频率调节机制等理论进行了深入研究，从理论分析提出提升频率和Q值的方法。.2、高成品率制备了硅基高频、高Q值MEMS圆盘谐振器，器件成品率大于90%，可转移代工厂。研究了多种谐振模态，激发提取高阶信号，器件基频149 MHz，Q值大于10000，二阶模态频率638 MHz。 开发了新型多电极结构的频率可切换圆盘谐振器，实现集成化多频输出。开发了I2Bar、三梁结构等梁式谐振器。提出了静电频率调节的方法，首次提出了蒸发金属铝进行谐振器频率修调的方法。.3、 研究了高稳定性MEMS振荡器的原理，开发了高性能驱动电路。研究了利用高频、高Q的MEMS谐振器和高性能板级驱动电路构建MEMS振荡器的方法。实现了振荡器输出基频149 MHz，短期和中期稳定性达到± 0.5 ppm和± 4 ppm，在10 kHz相噪-128 dBc/Hz，在-20- 80℃下有线性的温度系数，性能优秀。.4、研究了高精度振荡器驱动ASIC电路的设计方法，实现了低噪声振荡器跨阻放大器（TIA）反馈电路等IC芯片。研究MEMS-CMOS芯片匹配方法，实现芯片的集成联调。.5、研究了多种耦合机制及谐振器构建MEMS滤波器的方法，开发了多种具有超窄带、边带陡峭和可调特性的滤波器。研制了多圆盘耦合滤波器，中心频率149 MHz，百分比带宽小于1 %。研制了可调耦合滤波器、自耦合滤波器和点阻滤波器等多种超窄带滤波器。研究了基于螺线圈电感工艺和新型低寄生硅基板的射频器件集成方法，构建了LC射频带通滤波器等多种射频器件，实现了片上集成。.6、研究了抑制寄生噪声的小信号高精度测试原理，开发双端口测试、差分测试和混频测试等多种表征方法。.7、研究了高真空、低噪声射频器件封装方法，开发了射频高可靠性圆片级封装技术，实现低损耗、低成本的三维封装，可实现器件实用化。