RF MEMS是指利用MEMS/NEMS技術(shù)微納精細制造實(shí)現的射頻微波結構、器件、單片集成子系統等。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(gè)人通訊，如移動(dòng)電話(huà)、PDA（ Personal Digital Assistant）、便攜式計算機的數據交換；②車(chē)載、機載、船載收發(fā)機和衛星通信終端、GPS接收機等；③信息化作戰指揮、戰場(chǎng)通信、微型化衛星通信系統、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(kāi)關(guān)、可變電容、電感、諧振器組成的基礎結構單元層面；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(xiàn)等組成的應用系統層面。下面主要從器件層面介紹RF MEMS現狀和發(fā)展趨勢，基礎結構單元是組成器件的要素，片上集成子系統是器件發(fā)展的趨勢。

 

 

RF MEMS是MEMS的一個(gè)重要的應用領(lǐng)域，全球RF MEMS市場(chǎng)正在經(jīng)歷著(zhù)營(yíng)收和出貨量的雙重增長(cháng)。2016年，RF MEMS成熟市場(chǎng)占據了大部分的市場(chǎng)份額，預計未來(lái)幾年新興市場(chǎng)的復合年增長(cháng)率將超過(guò)成熟市場(chǎng)。未來(lái)，全球RF MEMS市場(chǎng)將獲得高速增長(cháng)，就營(yíng)收而言，復合年增長(cháng)率將達到16.7%；就出貨量而言，復合年增長(cháng)率將達到21%；就應用類(lèi)型而言，移動(dòng)終端將是市場(chǎng)龍頭，這是因為RF MEMS已廣泛應用于3G、4G和下一代5G移動(dòng)設備， 用于提升網(wǎng)絡(luò )和數據傳輸性能。軍用市場(chǎng)，也因小型化、智能化的發(fā)展趨勢，對RF MEMS器件和子系統的需求量巨大。2015~2021年MEMS市場(chǎng)份額預測如圖2所示，2017~2022年MEMS市場(chǎng)增長(cháng)預測如圖3所示。

 

圖2 2015~2021年MEMS市場(chǎng)預測

 

圖3 2017~2022年MEMS市場(chǎng)增長(cháng)預測（含RF MEMS未來(lái)趨勢）

 

 

RF MEMS器件主要有：①基于開(kāi)關(guān)基本結構單元的移相器、可調濾波器、可變波束天線(xiàn)等，應用于相控陣雷達系統、平面陣列掃描天線(xiàn)等；②硅基/熔融石英基的高性能濾波器，應用于軍用雷達/衛星通信、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(wú)線(xiàn)人機交互設備、導航、微納衛星等；④微納電感、電容結構組成的天線(xiàn)陣列，用于雷達、電子對抗等；⑤微納傳輸線(xiàn)/波導結構（如微同軸結構）組成的高性能T/R組件等。各類(lèi)RF MEMS器件及其應用方向和優(yōu)勢特點(diǎn)見(jiàn)表1。

 

表1 各類(lèi)RF MEMS器件及其應用方向和優(yōu)勢特點(diǎn)

 

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。

 

國內對RF MEMS的研究始于二十世紀九十年代后期， 主要研究機構有清華大學(xué)（開(kāi)關(guān)、 濾波器）、北京大學(xué)（開(kāi)關(guān)）、中電13所及美泰科技公司（濾波器）、中電55所（濾波器、開(kāi)關(guān)）、東南大學(xué)（微波結構設計）、浙江大學(xué)（理論分析）、天津大學(xué)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）、中科院上海微系統所、微電子所、電子所等。已經(jīng)實(shí)現較好實(shí)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(shí)驗室研究階段。

 

 

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(lèi)部件的重要組成部分，影響著(zhù)諧振電路、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )、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(shí)現高Q值（100~400），而其更大的優(yōu)勢在于易集成和靈活性，適合現代射頻微波領(lǐng)域對低損耗、小體積、低成本器件的要求?；贛EMS技術(shù)的可變電容、電感可以用于構建可重構濾波器、可重構網(wǎng)絡(luò )等，對于實(shí)現可重構射頻微波前端模塊具有重要的意義。

 

RF MEMS電容主要有平板結構和叉指結構，常見(jiàn)的驅動(dòng)方式有靜電驅動(dòng)、壓電驅動(dòng)、電磁驅動(dòng)、熱驅動(dòng)、 壓阻驅動(dòng)，其中靜電驅動(dòng)工藝簡(jiǎn)單，是最常用的方式。美國加州大學(xué)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(shí)現濾波、調諧、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(gè)極為重要的參數，高 Q 值的片上電感對于實(shí)現高性能的濾波、調諧、放大有著(zhù)極為重要的意義。美國密歇根大學(xué)（University of Michigan，簡(jiǎn)寫(xiě)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

 

 

RF MEMS開(kāi)關(guān)及衍生器件大量應用在射頻微波單機和系統領(lǐng)域，如美國Randent MEMS公司、RockWell公司、MEMTronics 公司（從Raython公司獨立出來(lái)）生產(chǎn)的基于開(kāi)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中，日本Omron公司、美國WiSpry公司（被瑞聲科技收購）生產(chǎn)的開(kāi)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(kāi)關(guān)產(chǎn)品比較見(jiàn)表2。

 

表2 商業(yè)化RF MEMS開(kāi)關(guān)產(chǎn)品對比

 

基于RF MEMS開(kāi)關(guān)基本結構單元可以構建移相器、可調濾波器、可變波束天線(xiàn)等。圖5為各類(lèi)RF MEMS開(kāi)關(guān)及衍生器件。

 

圖5 各類(lèi)RF MEMS開(kāi)關(guān)及衍生器件

 

RF MEMS開(kāi)關(guān)按照驅動(dòng)方式不同，可以分為靜電驅動(dòng)開(kāi)關(guān)、電磁驅動(dòng)開(kāi)關(guān)、熱驅動(dòng)開(kāi)關(guān)、壓電驅動(dòng)開(kāi)關(guān)等；按照電路結構，可以分為串聯(lián)開(kāi)關(guān)和并聯(lián)開(kāi)關(guān)；按照接觸方式不同，可以分為接觸式開(kāi)關(guān)和電容式開(kāi)關(guān)等。目前，研究較為深入、已經(jīng)產(chǎn)品化的RF MEMS開(kāi)關(guān)是靜電驅動(dòng)的串聯(lián)接觸式和并聯(lián)電容式開(kāi)關(guān)。

 

RF MEMS開(kāi)關(guān)的主要性能參數包括驅動(dòng)電壓、插入損耗、隔離度等，理想的開(kāi)關(guān)具有極低驅動(dòng)電壓、零插入損耗、無(wú)限大的隔離度。

 

RF MEMS開(kāi)關(guān)及衍生器件和子系統的發(fā)展趨勢：更高性能指標（高頻帶、低插損、高隔離度、低驅動(dòng)電壓）；高可靠性、長(cháng)壽命；更簡(jiǎn)單的微納工藝、更低的成本；更高靈活性和集成度。

 

 

濾波器是構建射頻微波子系統最重要、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(xiàn)濾波器、帶狀線(xiàn)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(lèi)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(chǎng)需求，RF MEMS濾波器主要有：①微帶線(xiàn)濾波器；②硅基SIW和腔體濾波器，國內中電13所和55所研制的該類(lèi)型產(chǎn)品已達到實(shí)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(chǎng)；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(wú)線(xiàn)終端、微納衛星等。

 

民用市場(chǎng)的射頻微波濾波器主要以SAW、BAW濾波器以及近年來(lái)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(lái)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(xiāo)售額近4億美元，相比2013年度增長(cháng)23%；而TriQuint公司的RF MEMS產(chǎn)品在2014年度銷(xiāo)售額近3.5億美元（搶占了Avago的市場(chǎng)份額），相比2013年度更是增長(cháng)141%。國內中電13所、55所也對FBAR濾波器展開(kāi)研究，已研制出原理芯片，天津大學(xué)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）、新結構（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；采用更多新原理現象（FBAR）、新材料（AlN）滿(mǎn)足更高的性能需求；將濾波器器件與其他無(wú)源器件集成在一起，實(shí)現更小體積、更輕重量的片上射頻微波子系統。

 

 

基于RF MEMS技術(shù)的全金屬微型同軸結構， 可以構建多種高性能的射頻微波器件和前端子系統，如功率調制器、耦合器、功分器、高性能濾波器、高功率天線(xiàn)陣列等。該類(lèi)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、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(zhuān)利技術(shù)，提出了MEMS微型同軸傳輸線(xiàn)的結構雛形，并通過(guò)LIGA技術(shù)實(shí)現了微同軸傳輸線(xiàn)的原理樣件，但由于成本及加工成品率問(wèn)題，該公司并未能實(shí)現該類(lèi)產(chǎn)品的商業(yè)化。近十年來(lái)，隨著(zhù)新型技術(shù)手段的發(fā)展，美國Colorado大學(xué)和Nuvotronics公司（DARPA和NASA支撐）研究微型同軸線(xiàn)結構已非常接近實(shí)用化，頻帶達到 2GHz~250GHz，如圖7所示。

 

圖7 國際先進(jìn)水平RF MEMS微型同軸結構圖示

 

國內在RF MEMS微同軸結構方面的主要研究機構有北京遙測技術(shù)研究所、中北大學(xué)、北京郵電大學(xué)等。但他們大都是近年來(lái)新開(kāi)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(shí)驗階段。

 

RF MEMS微型同軸結構的發(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。

 

 

用MEMS技術(shù)可以構建超低成本的輕型相控陣雷達、多波段相控陣天線(xiàn)、動(dòng)態(tài)自適應天線(xiàn)、共形天線(xiàn)陣列等，它們具有微型化、輕量化、可重構等特點(diǎn)和優(yōu)勢。

 

2009年，美國Colorado大學(xué)研制了基于三維射頻MEMS同軸器件制備的對數周期天線(xiàn)，該天線(xiàn)工作頻率范圍2GHz~110GHz，駐波比小于1.5。天線(xiàn)上采用三維射頻 MEMS 技術(shù)集成了饋電線(xiàn)和阻抗變換器，中心導體通過(guò)周期分布的介電帶支撐，所設計的結構能夠在DC~250GHz頻率范圍內獲得單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(xiàn)模塊，如圖8（c）所示。

 

圖8 RF MEMS微型天線(xiàn)圖例

 

RF MEMS微型天線(xiàn)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(shí)現更多復雜功能；隨著(zhù)微納加工工藝的發(fā)展，實(shí)現三維高性能天線(xiàn)結構的低成本制造。

 

 

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(shí)現高性能指標和微小型化，類(lèi)似于微電子制造工藝批量化低成本實(shí)現。

 

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(xiàn)、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)，使整體結構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，多種器件均互聯(lián)在模塊內部，可采用垂直互聯(lián)的電鑄工藝直接實(shí)現該模塊制備，這樣信號傳輸線(xiàn)和屏蔽結構僅需要較小空間即可集成在一起，同時(shí)能夠保證它們不會(huì )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

 

2012年，美國Colorado大學(xué)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(gè)頻率范圍內的掃描角為32.5°，10個(gè)單元的陣列150GHz頻率下的增益為15.5dBi。

 

2012年，美國Virginia Tech公司無(wú)線(xiàn)微系統實(shí)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(xiàn)連接在一起。經(jīng)過(guò)測試，在 4.9GHz~8.5GHz的工作頻率范圍內，MMIC芯片的增益下降了1.4dB。

 

除美國以外，國際上在RF MEMS集成微納系統方面還有英國B(niǎo)AE系統公司、韓國大田電子信息研究所、韓國工業(yè)大學(xué)、新加坡南洋理工大學(xué)等研究機構。其中，英國的BAE系統公司和韓國大田電子信息研究所與美國Colorado大學(xué)和Nuvotronics公司開(kāi)展了相關(guān)合作。

 

RF MEMS集成微納系統是MEMS技術(shù)與射頻技術(shù)相結合的發(fā)展趨勢，它將對傳統射頻微波的設計、系統集成及制造實(shí)現方式產(chǎn)生重大革新。

 

 

結合前文對RF MEMS領(lǐng)域市場(chǎng)狀態(tài)、發(fā)展情況、成熟產(chǎn)品、各類(lèi)新型器件和微型片上系統的研究現狀及技術(shù)現狀等的論述和分析，給出如下六點(diǎn)發(fā)展趨勢：

 

①進(jìn)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(kāi)關(guān)次數及壽命等。

 

②進(jìn)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(shí)現標準化工藝、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(dòng)化等。

 

③采用新材料、新工藝、新原理、新結構形式滿(mǎn)足未來(lái)射頻微波系統的更高需求，例如熔融石英材料的超低損耗正切角值和極小溫度系數可幫助實(shí)現超高性能的濾波器，基于A(yíng)lN材料的特定微納工藝實(shí)現的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(shí)現的SIW、腔體、微型同軸等結構形式制造片上集成射頻前端子系統等。

 

④集成化程度進(jìn)一步提高，例如各類(lèi)無(wú)源器件（低損微型傳輸線(xiàn)、濾波器、移相器、功分器、耦合器、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )、天線(xiàn)等）的單片集成，無(wú)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(jìn)一步豐富和智能化，效率提升，市場(chǎng)響應時(shí)間縮短，例如IP模型庫進(jìn)一步標準化和多量化，精確全波仿真分析等，各類(lèi)不同設計分析手段的無(wú)縫配合協(xié)同可大大提升效率。

 

⑥MEMS專(zhuān)業(yè)與射頻微波專(zhuān)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(wèn)題，提升產(chǎn)品性能指標，滿(mǎn)足市場(chǎng)新需求，例如基于MEMS技術(shù)開(kāi)發(fā)更多新類(lèi)型射頻器件，利用MEMS工藝微納精細加工實(shí)現射頻微波毫米波太赫茲單片子系統等。