带有高性能MEMS可调谐电感的CMOS压控振荡器

具有可调谐电感的LC CMOS压控振荡器(VCOs)对于高性能的多波段通信系统是必不可少的，如物联网应用和5G通信。然而，使用CMOS可调谐电感的VCOs由于电感的q因子较低，难以实现高射频性能。此外，先前报道的集成了MEMS电感器的CMOS VCOs使用CMOS开关来调谐频带，但它们在开关上也有很大的信号损失。在此，我们提出了一种集成了一个MEMS可调谐电感器的CMOS VCO，该电感器通过三个MEMS开关来调谐频带。提出的MEMS可调谐电感器使我们能够实现高射频性能，由于悬浮结构，而射频MEMS开关实现比CMOS开关更低的信号损耗。在本工作中，我们成功地利用倒装芯片键合工艺制作了集成了MEMS可调谐电感的CMOS VCO，并根据三个开关的驱动测量了振荡频率。振荡功率分别为−3.03 dBm @ 1.39 GHz、−5.80 @ 1.98 GHz、−7.44 dBm @ 2.81 GHz和−8.77 dBm @ 3.68 GHz。

近年来，无线千兆(wigig)等通信技术[1]和第五代蜂窝网络(5G) [2，3.]，以应对日益增长的数据消耗。此外，各种通信技术，如BLE、Zigbee、NFC、WiFi等在物联网(IoT)应用系统中的多种应用[4］．这些不同的通信技术使用不同的通信频带，这使得开发支持多个频带的多波段无线收发器至关重要。

引入了带有可调谐电感的LC CMOS电压控制振荡器(VCOs)，以支持多波段通信系统[5，6，7，8，9］．然而，集成在LC CMOS VCOs上的基于CMOS的电感由于金属的厚度较低和衬底的损耗，具有相对较高的信号损耗。因此，引入基于mems的电感器，通过增加电感器中的金属厚度和增加电感器与衬底之间的间隙来减少信号损耗[10，11，12］．然而，此前报道的集成了MEMS电感器的VCOs使用基于cmos的射频开关来调优电感，其插入损耗更高，隔离性较RF MEMS开关低，这意味着VCOs不能用于高性能射频系统[13，14］．

在本文中，我们提出了一种集成了MEMS可调谐电感的CMOS VCO，用于在低信号损耗的情况下调谐多个频段。为了实现较宽的调谐范围，我们将MEMS可调谐电感设计为离散型[15，16，17，18，它使用RF MEMS开关改变电感器的长度。通过集成MEMS可调谐电感器，我们设计了所提出的压控振荡器以实现四个频段的宽调谐范围。可调谐电感的频率由三个静电驱动的RF MEMS开关调谐，也由CMOS VCO中的变容器微调。在这篇文章中，我们成功地利用倒装芯片键合工艺将制作好的可调谐电感集成到CMOS VCO上，并通过驱动MEMS可调谐电感的RF MEMS开关演示了四种振荡频率的调谐。

数字1展示了所提出的具有集成MEMS可调谐电感的VCO的工作原理。我们提出的CMOS VCO是一种互补交叉耦合类型的振荡器，它通过改变电感和电容的值来产生振荡频率[9(图。1a).在MEMS可调谐电感器中集成三个静电驱动的RF MEMS开关(即SW 1-3)，当对膜下的底部电极施加驱动电压时，通过静电力将膜向下拉，从而使电感器的有效长度改变为四个不同的值(图1)。1b).当SW3处于ON状态时，电感的有效长度为最小值，当所有开关处于OFF状态时，有效长度为最大值。(无花果。1c).因此，VCO产生的振荡频率可以根据MEMS可调电感器的开关状态进行广泛的调谐(图5)。1d)。

MEMS可调电感器的工作原理图。一个集成MEMS可调电感的CMOS VCO电路设计。b集成了MEMS可调谐电感器的压控振荡器在四个频段工作的概念图。电感的有效长度随开关状态的变化而变化。cMEMS可调电感器的等效电路模型。d功率谱根据MEMS可调电感器的开关状态

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所提出的VCO由CMOS VCO和MEMS可调谐电感组成，悬浮电感是一个3d形状的电感，带有三个RF MEMS开关，用于改变电感的有效长度(图1)。2a, b). MEMS电感被设计为微分结构，以获得小尺寸的高Q值[19］．MEMS电感的结构悬浮在衬底上，只通过锚点连接到底部金属线，以减少衬底和悬浮电感之间的寄生电容。集成在可调谐电感上的RF MEMS开关包括悬浮膜、电介质层和底部电极。在膜和底层之间施加一个驱动电压使膜向下移动。介电层下的Au接触金属连接MEMS电感器分离的底部电极(图1)。2c).通过Au凸点将金属线MEMS电感与CMOS VCO信号线电连接，设计MEMS可调谐电感与CMOS VCO集成在一起(图1)。2d)。

与MEMS可调谐电感集成的VCO原理图。一个所提出的压控振荡器的各组成层示意图。b所提出的VCO原理图由MEMS可调谐电感器与三个静电驱动射频MEMS开关、一个3D MEMS电感器和一个CMOS VCO组成。c射频MEMS开关的近距离图像，该开关带有接触金属和MEMS感应器的底部金属层。d连接MEMS电感器和CMOS VCO的锚的特写图像

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数字3.展示了与VCO集成的可调谐电感的制作过程。开始的晶圆是一个硅晶圆，我们在其上生长了热氧化层，以减少射频信号到基板的损失。首先，采用提离工艺在开关底部电极和电感底部金属线上沉积了0.5 μm的Ti/Au(图1)。3.a).然后，将3 μm厚的聚酰亚胺(PI)纺丝固化为牺牲层，制成悬挂式悬臂式开关和电感结构。PI的厚度决定了MEMS可调电感的气隙以及开关底部金属与接触金属之间的初始间隙。气隙的精确控制是非常重要的，因为它关系到开关OFF状态下的信号隔离值以及电感的q因子。对固化的PI进行模式化处理，以形成接触金属的韧窝，以确保底部金属和接触金属之间的可靠接触。接下来，我们用提离工艺在接触金属上沉积了0.5 μm的Au/Cr层(图1)。3.b)，然后采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)沉积0.2 μm的SiN介电层。在绘制了介电层图之后，我们绘制了PI图，以形成开关和电感的锚点(图。3.c).然后，我们沉积了0.2 μm的Ti/Cu作为种子层电镀厚金属层，并以光刻胶为模具在开关和电感的膜上电镀了4 μm的Cu(图1)。3.d).较厚的金属层有助于增强开关的机械稳定性，降低电感的电阻，以实现高q因子。然后，用湿蚀刻剂去除种子层，用O₂等离子亚设。接下来，可调谐电感和射频开关被成功释放，如图所示。3.e.使用商业化的1-聚6-金属0.18 μm CMOS技术独立制作了CMOS VCO [9］．最后，我们使用倒装芯片键合工艺将可变电感集成到CMOS VCO中。对于键合过程，我们在VCO垫片上沉积Au螺柱凸点，并通过倒装芯片键合过程将VCO垫片的垫片连接到可调谐电感的垫片上(图1)。3.f)。

集成了MEMS可调谐电感的VCO的制作过程。一个底部金属层通过热氧化的4英寸硅片上的剥离过程沉积和模式化。b将聚酰亚胺作为牺牲层涂覆在硅基板上，并对接触金属进行沉积和制模。c分别使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)和反应离子刻蚀(RIE)对电介质层进行沉积和刻蚀。聚酰亚胺使用RIE形成锚。d铜金属是用电镀工艺形成的。e牺牲层被移除使用O₂采用等离子体刻蚀工艺，将MEMS可调电感从衬底释放出来。fCMOS VCO被连接到底部垫片上，使用倒装芯片连接过程连接到可调谐电感

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如图所示。4我们成功地制作了集成了MEMS可调谐电感的CMOS VCO。制作的VCO的SEM图像显示，三个悬臂式RF MEMS开关、CMOS VCO和悬浮电感被成功地集成在一个模具中。可调电感器的尺寸为1200 × 600 μm，由3个170 × 80 μm的RF MEMS开关组成。在所制作的MEMS电感器中，悬浮结构用锚固定在底部金属上(图1)。4a).此外，所制造的开关的接触金属在介电层下面形成，该介电层用于防止开关处于ON状态时底部金属与薄膜之间的电连接。接触金属与底部金属之间的初始间隙约为3 μm，这与PI的厚度有关。所制作的开关具有6 μm宽的弯曲结构，这使得它能够将驱动电压降低到20 V以下(图1)。4b)。

与MEMS可调谐电感集成的CMOS VCO的扫描电子显微镜(SEM)图像。一个用CMOS VCO芯片和衬垫制作的电感的扫描电镜图像。b静电RF MEMS开关和连接到MEMS电感器的信号线的近景图像

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首先，我们测量了所制作的MEMS可调谐电感中MEMS开关的插入损耗和隔离。当开关处于ON状态时，插入损耗在2.4 GHz时为−0.221 dB，在5 GHz时为−0.150 dB，当开关处于OFF状态时，隔离在2.4 GHz时为−42.89 dB，在5 GHz时为−43.19 dB(图1)。5a).此外，我们对该开关的长期可靠性进行了评估，确认该开关在超过1亿循环的时间内保持了性能(图5)。5b).我们还测量了MEMS电感器的q因子和电感。当所有开关处于OFF状态时，测得的q因子在2.4 GHz和5 GHz时分别为15.6和20.77，测得的电感在2.4 GHz和5 GHz时分别为5.27 nH和6.08(图1)。6)．

测量了所制备的MEMS可调谐电感中集成的RF MEMS开关的射频特性。一个开关在不同信号频率下的插入损耗和隔离值。b触点电阻根据开关次数而定

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测量所制MEMS可调电感器在不同信号频率下的电感和q因子

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最后，通过操作集成了MEMS可调电感的CMOS VCO，测量了振荡频率和振荡功率。当MEMS可调电感器的所有开关处于OFF状态时，VCO的振荡频率为1.39 GHz，振荡功率为−3.03 dBm。然后，我们依次将开关1、2和3的状态改为ON状态，测量到振荡功率和频率分别为−5.80 @ 1.98 GHz、−7.44 dBm @ 2.81 GHz和−8.77 dBm @ 3.68 GHz(图1)。7)．我们通过改变开关的状态，证实了振荡功率随振荡频率的增加而减小。这些结果成功地表明，与MEMS可调谐电感集成的VCO可调谐到四种不同的频率，可应用于需要多频段振荡频率的移动通信设备和射频电路。

功率谱，根据可调谐电感的工作显示振荡频率。一个当所有开关处于OFF状态时，振荡频率为1.39 GHz，功率为−3.03 dBm。b当开关1为ON时，振荡频率为1.98 GHz，功率为−5.80 dBm。c开关2处于ON状态时，振荡频率为2.82 GHz，功率为−7.44 dBm。d开关3处于ON状态时，振荡频率为3.68 GHz，功率为−8.77 dBm

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在这篇论文中，我们提出并制作了一个集成了MEMS可调谐电感的VCO，该VCO通过静电驱动三个射频MEMS开关来实现宽频段的调谐，以实现高射频性能。我们成功地制作了MEMS可调谐电感，并通过倒装芯片键合工艺将其与CMOS VCO集成。我们可以利用三个射频MEMS开关来改变电感的有效长度，从而实现一个离散型可调谐电感。因此，所提出的VCO可根据RF MEMS开关的开关状态和施加的电压进行大范围的调谐。我们还设计了一种RF MEMS开关的曲线形桥架，以实现较低的驱动电压，即小于20 V。

通过操作集成了MEMS可调谐电感的CMOS VCO，我们成功地测量了振荡频率和振荡功率，这证明了CMOS VCO在需要高射频性能和宽调谐范围的多波段通信系统中的潜在适用性。

本研究中产生和分析的所有数据都包含在本文中。

互补金属氧化物半导体:

互补金属氧化物半导体

微机电系统:

微机电系统

VCO:

压控振荡器

物联网:

物联网

wigig:

无线千兆

5 g:

第五代蜂窝网络

祝福:

蓝牙

NFC:

近场通信

无线网络:

无线保真度

射频:

无线电频率

本研究得到了韩国政府资助的国家研究基金会(NRF)脑研究项目(NRF- 2017m3c7a1028854)的支持。此外，本研究得到了韩国政府(MSIT)资助的国家研究基金(NRF)的大脑融合研究项目(NRF- 2019m3e5d2a01063814)、韩国政府资助的国家研究基金(NRF)的生物与医疗技术发展项目(MSIT) (NRF- 2017m3a9b3061319)、基础科学研究所(IBS-R001-D2)和韩国科学技术研究院(KIST)的内部资助(2E30963, MI)的支持。

韩国政府国家研究基金(NRF)脑研究项目(MSIT) (NRF- 2017m3c7a1028854);韩国政府国家研究基金(NRF)“脑融合研究项目”(NRF- 2019m3e5d2a01063814);韩国政府资助的国家研究基金(NRF)生物与医疗技术发展计划(NRF- 2017m3a9b3061319);基础科学研究所(IBS-R001-D2);韩国科学技术研究院(KIST)校内拨款(2E30963, MI)。

作者和联系

1. 韩国科学技术院(KIST)脑科学研究所生物微系统中心，首尔城北区花郎路14街5号，邮编02792

   Uikyu Chae & Il-Joo Cho

2. 韩国首尔城北区安岩路145号高丽大学电气工程学院，02841

   蔡义圭，俞贤龙

3. 韩国首尔路原区光云路20号光云大学电子工程系

   Park Jeongsoo & Jeong-Geun Kim

4. 韩国首尔西大门区延世路50号，延世大学电气与电子工程学院，03722

   Il-Joo曹

5. 延世- kist融合研究所，延世大学，首尔西大门区延世路50号，韩国，03722

   Il-Joo曹

贡献

UC完成了大部分的实验，制作了MEMS器件，准备了数据，并撰写了手稿。JP和J-GK参与了CMOS器件的设计和制作，并进行了实验。H-YY讨论了结果。I-JC审阅并编辑了手稿。所有作者阅读并批准了最终稿件。

相应的作者

对应到Il-Joo曹．

相互竞争的利益

作者声明他们没有竞争利益。

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