【導讀】概述基于MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，微機電系統(tǒng)）技術(shù)的各類射頻RF（ Radio Frequency）無源器件及微小型單片集成系統(tǒng)的概念與內(nèi)涵及其應用市場，重點介紹RF MEMS電容電感、開關(guān)、移相器、諧振器、濾波器、微型同軸結(jié)構(gòu)、天線、片上集成微納系統(tǒng)等的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、典型研究成果和產(chǎn)品、技術(shù)方案和微納制造工藝及性能特點等，最后淺析RF MEMS領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。
引言
RF MEMS是指利用MEMS/NEMS技術(shù)微納精細制造實現(xiàn)的射頻微波結(jié)構(gòu)、器件、單片集成子系統(tǒng)等。它具有小型化、低功耗、低成本、集成化等方面的優(yōu)勢，逐漸廣泛應用于軍民各領(lǐng)域，包括：①個人通訊，如移動電話、PDA（ Personal Digital Assistant）、便攜式計算機的數(shù)據(jù)交換；②車載、機載、船載收發(fā)機和衛(wèi)星通信終端、GPS接收機等；③信息化作戰(zhàn)指揮、戰(zhàn)場通信、微型化衛(wèi)星通信系統(tǒng)、相控陣雷達等。圖1為RF MEMS應用領(lǐng)域示意圖。
圖1 RF MEMS應用領(lǐng)域示意圖
從技術(shù)層面上，RF MEMS主要包括： ①由微機械開關(guān)、可變電容、電感、諧振器組成的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)單元層面；②由移相器、濾波器、VCO等組成的組件層面；③由T/R組件、單片接收機、變波束雷達、相控陣天線等組成的應用系統(tǒng)層面。下面主要從器件層面介紹RF MEMS現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)單元是組成器件的要素，片上集成子系統(tǒng)是器件發(fā)展的趨勢。
1. RF MEMS市場
RF MEMS是MEMS的一個重要的應用領(lǐng)域，全球RF MEMS市場正在經(jīng)歷著營收和出貨量的雙重增長。2016年，RF MEMS成熟市場占據(jù)了大部分的市場份額，預計未來幾年新興市場的復合年增長率將超過成熟市場。未來，全球RF MEMS市場將獲得高速增長，就營收而言，復合年增長率將達到16.7%；就出貨量而言，復合年增長率將達到21%；就應用類型而言，移動終端將是市場龍頭，這是因為RF MEMS已廣泛應用于3G、4G和下一代5G移動設備， 用于提升網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)傳輸性能。軍用市場，也因小型化、智能化的發(fā)展趨勢，對RF MEMS器件和子系統(tǒng)的需求量巨大。2015~2021年MEMS市場份額預測如圖2所示，2017~2022年MEMS市場增長預測如圖3所示。
圖2 2015~2021年MEMS市場預測
圖3 2017~2022年MEMS市場增長預測（含RF MEMS未來趨勢）
2. RF MEMS器件
RF MEMS器件主要有：①基于開關(guān)基本結(jié)構(gòu)單元的移相器、可調(diào)濾波器、可變波束天線等，應用于相控陣雷達系統(tǒng)、平面陣列掃描天線等；②硅基/熔融石英基的高性能濾波器，應用于軍用雷達/衛(wèi)星通信、電子對抗等；③超小型化的聲波濾波器（SAW、FBAR），大量應用于手機、無線人機交互設備、導航、微納衛(wèi)星等；④微納電感、電容結(jié)構(gòu)組成的天線陣列，用于雷達、電子對抗等；⑤微納傳輸線/波導結(jié)構(gòu)（如微同軸結(jié)構(gòu)）組成的高性能T/R組件等。各類RF MEMS器件及其應用方向和優(yōu)勢特點見表1。
表1 各類RF MEMS器件及其應用方向和優(yōu)勢特點
目前， RF MEMS領(lǐng)域的技術(shù)引領(lǐng)者主要是美國、日本及歐洲一些高科技企業(yè)，研究機構(gòu)主要有HRL Laboratories、LLC、Royal Society of Chemistry、Texas Instruments、 University of Michigan - Ann Arbor、UC Berkeley、Northeastern University、MIT Lincoln、Analog Devices、Raytheon、Motorola等，主要供貨商包括Avago、Infineon、Radent MEMS、XCOM Wireless、Panasonic MEW、WiSpry、Epcos（NXP Semiconductor）、RFMD、DelfMEMS、OMRON、Advantest、Toshiba、MEMTronics、SiTime、Discera Silicon Clocks等。
國內(nèi)對RF MEMS的研究始于二十世紀九十年代后期， 主要研究機構(gòu)有清華大學（開關(guān)、 濾波器）、北京大學（開關(guān)）、中電13所及美泰科技公司（濾波器）、中電55所（濾波器、開關(guān)）、東南大學（微波結(jié)構(gòu)設計）、浙江大學（理論分析）、天津大學和中興通訊公司（FBAR濾波器）、中物院電子工程所和電子科大（THz濾波器）、中科院上海微系統(tǒng)所、微電子所、電子所等。已經(jīng)實現(xiàn)較好實際應用的主要是中電13所和中電55所的濾波器產(chǎn)品，其他大部分器件還處于實驗室研究階段。
2.1 電容、電感基本器件單元
在RF MEMS器件單元中，電感和電容是重要的基本元器件，是各類部件的重要組成部分，影響著諧振電路、阻抗匹配網(wǎng)絡、低噪聲放大器、壓控振蕩器的性能。利用MEMS技術(shù)制作的電容、電感元件可以實現(xiàn)高Q值（100~400），而其更大的優(yōu)勢在于易集成和靈活性，適合現(xiàn)代射頻微波領(lǐng)域?qū)Φ蛽p耗、小體積、低成本器件的要求?；贛EMS技術(shù)的可變電容、電感可以用于構(gòu)建可重構(gòu)濾波器、可重構(gòu)網(wǎng)絡等，對于實現(xiàn)可重構(gòu)射頻微波前端模塊具有重要的意義。
RF MEMS電容主要有平板結(jié)構(gòu)和叉指結(jié)構(gòu)，常見的驅(qū)動方式有靜電驅(qū)動、壓電驅(qū)動、電磁驅(qū)動、熱驅(qū)動、 壓阻驅(qū)動，其中靜電驅(qū)動工藝簡單，是最常用的方式。美國加州大學伯克利分校（UC Berkley）研究的電容基本單元，如圖4（a）所示。RF MEMS電感是實現(xiàn)濾波、調(diào)諧、放大、阻抗耦合、頻率耦合的重要器件，使用高頻性能優(yōu)異的片上電感能夠大大提高射頻濾波器、諧振器、PLL、VCO和LNA等射頻單元的性能，Q值是電感的一個極為重要的參數(shù)，高 Q 值的片上電感對于實現(xiàn)高性能的濾波、調(diào)諧、放大有著極為重要的意義。美國密歇根大學（University of Michigan，簡寫為UoM）和Radant公司研究的電感基本單元，如圖4（b）所示。
圖4 MEMS電容和電感基本器件單元
2.2 開關(guān)及衍生器件
RF MEMS開關(guān)及衍生器件大量應用在射頻微波單機和系統(tǒng)領(lǐng)域，如美國Randent MEMS公司、RockWell公司、MEMTronics 公司（從Raython公司獨立出來）生產(chǎn)的基于開關(guān)的產(chǎn)品大量應用于DARPA和NASA主導的軍事用途設備和系統(tǒng)中，日本Omron公司、美國WiSpry公司（被瑞聲科技收購）生產(chǎn)的開關(guān)系列產(chǎn)品應用于民用領(lǐng)域，包括智能手機、導航終端、物聯(lián)網(wǎng)等。目前商業(yè)化的MEMS開關(guān)產(chǎn)品比較見表2。
表2 商業(yè)化RF MEMS開關(guān)產(chǎn)品對比
基于RF MEMS開關(guān)基本結(jié)構(gòu)單元可以構(gòu)建移相器、可調(diào)濾波器、可變波束天線等。圖5為各類RF MEMS開關(guān)及衍生器件。
圖5 各類RF MEMS開關(guān)及衍生器件
RF MEMS開關(guān)按照驅(qū)動方式不同，可以分為靜電驅(qū)動開關(guān)、電磁驅(qū)動開關(guān)、熱驅(qū)動開關(guān)、壓電驅(qū)動開關(guān)等；按照電路結(jié)構(gòu)，可以分為串聯(lián)開關(guān)和并聯(lián)開關(guān)；按照接觸方式不同，可以分為接觸式開關(guān)和電容式開關(guān)等。目前，研究較為深入、已經(jīng)產(chǎn)品化的RF MEMS開關(guān)是靜電驅(qū)動的串聯(lián)接觸式和并聯(lián)電容式開關(guān)。
RF MEMS開關(guān)的主要性能參數(shù)包括驅(qū)動電壓、插入損耗、隔離度等，理想的開關(guān)具有極低驅(qū)動電壓、零插入損耗、無限大的隔離度。
RF MEMS開關(guān)及衍生器件和子系統(tǒng)的發(fā)展趨勢：更高性能指標（高頻帶、低插損、高隔離度、低驅(qū)動電壓）；高可靠性、長壽命；更簡單的微納工藝、更低的成本；更高靈活性和集成度。
2.3 濾波器
濾波器是構(gòu)建射頻微波子系統(tǒng)最重要、用量最大的器件之一，也是研究最廣泛、成熟度最高的器件。RF MEMS濾波器有微帶線濾波器、帶狀線濾波器、硅基腔體濾波器、熔融石英SIW濾波器、SAW濾波器、BAW和FBAR濾波器等，如圖6所示。
圖6 各類RF MEMS濾波器
針對高性能指標、高可靠性、高功率容量的軍工市場需求，RF MEMS濾波器主要有：①微帶線濾波器；②硅基SIW和腔體濾波器，國內(nèi)中電13所和55所研制的該類型產(chǎn)品已達到實用化程度；③MEMTronics公司的高性能熔融石英SIW濾波器，主要供應軍工高端市場；④Avago公司FBAR和TriQuint公司BAW濾波器，主要針對超小體積、高性能的應用領(lǐng)域，如智能手機、消費電子無線終端、微納衛(wèi)星等。
民用市場的射頻微波濾波器主要以SAW、BAW濾波器以及近年來的FBAR濾波器為主，SAW濾波器主要供應商有日本EPCOS、村田制作所、富士通MediaDevice、歐姆龍、MUTATA公司及國內(nèi)的中電55所、中電26所等。SAW濾波器主要針對2GHz以下的應用領(lǐng)域，如早期的2G通信等。
FBAR濾波器頻帶可以達到20GHz，體積小到1mm x 1mm x 1.5mm，近年來受到RF MEMS業(yè)界極大關(guān)注，其主要供應商有Avago公司和TriQuint公司。其中，Avago公司的FBAR濾波器和雙工器在2014年度銷售額近4億美元，相比2013年度增長23%；而TriQuint公司的RF MEMS產(chǎn)品在2014年度銷售額近3.5億美元（搶占了Avago的市場份額），相比2013年度更是增長141%。國內(nèi)中電13所、55所也對FBAR濾波器展開研究，已研制出原理芯片，天津大學在此領(lǐng)域也有較好研究。
RF MEMS濾波器的發(fā)展趨勢：針對高性能、大功率容量的軍工應用需求，采用新材料（如熔融石英）、新結(jié)構(gòu)（SIW、腔體式）、新加工手段（Wafer級微電子式微納工藝、飛秒激光精密加工）等方案降低成本；采用更多新原理現(xiàn)象（FBAR）、新材料（AlN）滿足更高的性能需求；將濾波器器件與其他無源器件集成在一起，實現(xiàn)更小體積、更輕重量的片上射頻微波子系統(tǒng)。
2.4 微型同軸結(jié)構(gòu)
基于RF MEMS技術(shù)的全金屬微型同軸結(jié)構(gòu)， 可以構(gòu)建多種高性能的射頻微波器件和前端子系統(tǒng)，如功率調(diào)制器、耦合器、功分器、高性能濾波器、高功率天線陣列等。該類器件性能指標可以達到很高，但所需MEMS工藝技術(shù)也很復雜，難度大，成本較高，主要應用于軍事領(lǐng)域的高性能雷達子系統(tǒng)、導引頭、電子對抗等。
國際上，在二十世紀八十年代，ITT公司就已申請專利技術(shù)，提出了MEMS微型同軸傳輸線的結(jié)構(gòu)雛形，并通過LIGA技術(shù)實現(xiàn)了微同軸傳輸線的原理樣件，但由于成本及加工成品率問題，該公司并未能實現(xiàn)該類產(chǎn)品的商業(yè)化。近十年來，隨著新型技術(shù)手段的發(fā)展，美國Colorado大學和Nuvotronics公司（DARPA和NASA支撐）研究微型同軸線結(jié)構(gòu)已非常接近實用化，頻帶達到 2GHz~250GHz，如圖7所示。
圖7 國際先進水平RF MEMS微型同軸結(jié)構(gòu)圖示
國內(nèi)在RF MEMS微同軸結(jié)構(gòu)方面的主要研究機構(gòu)有北京遙測技術(shù)研究所、中北大學、北京郵電大學等。但他們大都是近年來新開展的此項研究，目前還處于理論設計與仿真分析及單項加工工藝實驗階段。
RF MEMS微型同軸結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢，主要是突破復雜的加工工藝，降低制造成本，提高成品率，追求更高的單片集成度。
2.5 微型天線
用MEMS技術(shù)可以構(gòu)建超低成本的輕型相控陣雷達、多波段相控陣天線、動態(tài)自適應天線、共形天線陣列等，它們具有微型化、輕量化、可重構(gòu)等特點和優(yōu)勢。
2009年，美國Colorado大學研制了基于三維射頻MEMS同軸器件制備的對數(shù)周期天線，該天線工作頻率范圍2GHz~110GHz，駐波比小于1.5。天線上采用三維射頻 MEMS 技術(shù)集成了饋電線和阻抗變換器，中心導體通過周期分布的介電帶支撐，所設計的結(jié)構(gòu)能夠在DC~250GHz頻率范圍內(nèi)獲得單TEM模傳輸特性，如圖8（a）和圖8（b）所示。2015年，美國Nuvotronics公司展示了其最新的Ka頻段功率放大器及10層以上工藝制造的天線模塊，如圖8（c）所示。
圖8 RF MEMS微型天線圖例
RF MEMS微型天線的發(fā)展趨勢：更高的單片集成度，與其他射頻前端器件模塊集成一起，實現(xiàn)更多復雜功能；隨著微納加工工藝的發(fā)展，實現(xiàn)三維高性能天線結(jié)構(gòu)的低成本制造。
3. RF MEMS集成微納系統(tǒng)
MEMS技術(shù)的最大優(yōu)勢在于單片集成和低成本量產(chǎn)， RF MEMS追求的重要目標之一就是將更多射頻前端器件和模塊集成到單片上，實現(xiàn)高性能指標和微小型化，類似于微電子制造工藝批量化低成本實現(xiàn)。
2015年，美國Nuvotronics公司研制的Ka頻段射頻前端模塊集成了功率放大器、天線、表面貼裝阻容器件及處理芯片等。它采用了MEMS微納加工工藝及三維異質(zhì)集成互聯(lián)技術(shù)，使整體結(jié)構(gòu)的兩端接口最終形成標準的同軸插口。該集成射頻前端模塊是MEMS工藝優(yōu)勢和高集成度的集中體現(xiàn)，多種器件均互聯(lián)在模塊內(nèi)部，可采用垂直互聯(lián)的電鑄工藝直接實現(xiàn)該模塊制備，這樣信號傳輸線和屏蔽結(jié)構(gòu)僅需要較小空間即可集成在一起，同時能夠保證它們不會相互干擾，如圖9所示。
圖9 基于RF MEMS技術(shù)的高性能射頻前端模塊和子系統(tǒng)
2012年，美國Colorado大學的Cullens E D等人研制的基于MEMS技術(shù)的集成頻率掃描狹縫波導陣列，工作頻率為130GHz~180GHz，整個頻率范圍內(nèi)的掃描角為32.5°，10個單元的陣列150GHz頻率下的增益為15.5dBi。
2012年，美國Virginia Tech公司無線微系統(tǒng)實驗室的研究人員采用液態(tài)金屬垂直互連的方式將砷化鎵MMIC芯片和3D微同軸傳輸線連接在一起。經(jīng)過測試，在 4.9GHz~8.5GHz的工作頻率范圍內(nèi)，MMIC芯片的增益下降了1.4dB。
除美國以外，國際上在RF MEMS集成微納系統(tǒng)方面還有英國BAE系統(tǒng)公司、韓國大田電子信息研究所、韓國工業(yè)大學、新加坡南洋理工大學等研究機構(gòu)。其中，英國的BAE系統(tǒng)公司和韓國大田電子信息研究所與美國Colorado大學和Nuvotronics公司開展了相關(guān)合作。
RF MEMS集成微納系統(tǒng)是MEMS技術(shù)與射頻技術(shù)相結(jié)合的發(fā)展趨勢，它將對傳統(tǒng)射頻微波的設計、系統(tǒng)集成及制造實現(xiàn)方式產(chǎn)生重大革新。
4. RF MEMS發(fā)展趨勢淺論
結(jié)合前文對RF MEMS領(lǐng)域市場狀態(tài)、發(fā)展情況、成熟產(chǎn)品、各類新型器件和微型片上系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及技術(shù)現(xiàn)狀等的論述和分析，給出如下六點發(fā)展趨勢：
①進一步提高性能指標、可靠性和壽命等，例如頻帶和帶寬（THz）、插入損耗、隔離度、耐受功率容量、開關(guān)次數(shù)及壽命等。
②進一步縮小體積、減輕重量、降低成本，例如優(yōu)化單步微納加工工藝和工藝集成創(chuàng)新，實現(xiàn)標準化工藝、大尺寸晶圓級加工和晶圓級封裝，以及后端工藝和測試檢驗的智能自動化等。
③采用新材料、新工藝、新原理、新結(jié)構(gòu)形式滿足未來射頻微波系統(tǒng)的更高需求，例如熔融石英材料的超低損耗正切角值和極小溫度系數(shù)可幫助實現(xiàn)超高性能的濾波器，基于AlN材料的特定微納工藝實現(xiàn)的FBAR濾波器可以達到超高性能指標和超小體積，采用易于MEMS工藝實現(xiàn)的SIW、腔體、微型同軸等結(jié)構(gòu)形式制造片上集成射頻前端子系統(tǒng)等。
④集成化程度進一步提高，例如各類無源器件（低損微型傳輸線、濾波器、移相器、功分器、耦合器、阻抗匹配網(wǎng)絡、天線等）的單片集成，無源器件與射頻微波前段有源低噪聲放大芯片的異質(zhì)集成等。
⑤設計模式和途徑手段進一步豐富和智能化，效率提升，市場響應時間縮短，例如IP模型庫進一步標準化和多量化，精確全波仿真分析等，各類不同設計分析手段的無縫配合協(xié)同可大大提升效率。
⑥MEMS專業(yè)與射頻微波專業(yè)的深度融合， 用MEMS技術(shù)創(chuàng)新性解決射頻微波領(lǐng)域的瓶頸問題，提升產(chǎn)品性能指標，滿足市場新需求，例如基于MEMS技術(shù)開發(fā)更多新類型射頻器件，利用MEMS工藝微納精細加工實現(xiàn)射頻微波毫米波太赫茲單片子系統(tǒng)等。
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