RF MEMS國內外現狀及發展趨勢

摘要：概述基于MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，微機電系統）技術的各類射頻RF（ Radio Frequency）無源器件及微小型單片集成系統的概念與內涵及其應用市場，重點介紹RF MEMS電容電感、開關、移相器、諧振器、濾波器、微型同軸結構、天線、片上集成微納系統等的國內外研究現狀、典型研究成果和產品、技術方案和微納制造工藝及性能特點等，最后淺析RF MEMS領域的發展趨勢。

引言

RF MEMS是指利用MEMS/NEMS技術微納精細制造實現的射頻微波結構、器件、單片集成子系統等。它具有小型化、低功耗、低成本、集成化等方面的優勢，逐漸廣泛應用于軍民各領域，包括：①個人通訊，如移動電話、PDA（ Personal Digital Assistant）、便攜式計算機的數據交換；②車載、機載、船載收發機和衛星通信終端、GPS接收機等；③信息化作戰指揮、戰場通信、微型化衛星通信系統、相控陣雷達等。圖1為RF MEMS應用領域示意圖。

圖1 RF MEMS應用領域示意圖

從技術層面上，RF MEMS主要包括： ①由微機械開關、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展的趨勢。

1. RF MEMS市場

RF MEMS是MEMS的一個重要的應用領域，全球RF MEMS市場正在經歷著營收和出貨量的雙重增長。2016年，RF MEMS成熟市場占據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， 用于提升網絡和數據傳輸性能。軍用市場，也因小型化、智能化的發展趨勢，對RF MEMS器件和子系統的需求量巨大。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基于開關基本結構單元的移相器、可調濾波器、可變波束天線等，應用于相控陣雷達系統、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、微納衛星等；④微納電感、電容結構組成的天線陣列，用于雷達、電子對抗等；⑤微納傳輸線/波導結構（如微同軸結構）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勢特點見表1。

表1 各類RF MEMS器件及其應用方向和優勢特點

目前， RF MEMS領域的技術引領者主要是美國、日本及歐洲一些高科技企業，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（開關、 濾波器）、北京大學（開關）、中電13所及美泰科技公司（濾波器）、中電55所（濾波器、開關）、東南大學（微波結構設計）、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）、中科院上海微系統所、微電子所、電子所等。已經實現較好實際應用的主要是中電13所和中電55所的濾波器產品，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、阻抗匹配網絡、低噪聲放大器、壓控振蕩器的性能。利用MEMS技術制作的電容、電感元件可以實現高Q值（100~400），而其更大的優勢在于易集成和靈活性，適合現代射頻微波領域對低損耗、小體積、低成本器件的要求?；贛EMS技術的可變電容、電感可以用于構建可重構濾波器、可重構網絡等，對于實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，常見的驅動方式有靜電驅動、壓電驅動、電磁驅動、熱驅動、 壓阻驅動，其中靜電驅動工藝簡單，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，高 Q 值的片上電感對于實現高性能的濾波、調諧、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 開關及衍生器件

RF MEMS開關及衍生器件大量應用在射頻微波單機和系統領域，如美國Randent MEMS公司、RockWell公司、MEMTronics 公司（從Raython公司獨立出來）生產的基于開關的產品大量應用于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）生產的開關系列產品應用于民用領域，包括智能手機、導航終端、物聯網等。目前商業化的MEMS開關產品比較見表2。

表2 商業化RF MEMS開關產品對比

基于RF MEMS開關基本結構單元可以構建移相器、可調濾波器、可變波束天線等。圖5為各類RF MEMS開關及衍生器件。

圖5 各類RF MEMS開關及衍生器件

RF MEMS開關按照驅動方式不同，可以分為靜電驅動開關、電磁驅動開關、熱驅動開關、壓電驅動開關等；按照電路結構，可以分為串聯開關和并聯開關；按照接觸方式不同，可以分為接觸式開關和電容式開關等。目前，研究較為深入、已經產品化的RF MEMS開關是靜電驅動的串聯接觸式和并聯電容式開關。

RF MEMS開關的主要性能參數包括驅動電壓、插入損耗、隔離度等，理想的開關具有極低驅動電壓、零插入損耗、無限大的隔離度。

RF MEMS開關及衍生器件和子系統的發展趨勢：更高性能指標（高頻帶、低插損、高隔離度、低驅動電壓）；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，國內中電13所和55所研制的該類型產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、高性能的應用領域，如智能手機、消費電子無線終端、微納衛星等。

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業界極大關注，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，天津大學在此領域也有較好研究。

RF MEMS濾波器的發展趨勢：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，實現更小體積、更輕重量的片上射頻微波子系統。

2.4 微型同軸結構

基于RF MEMS技術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工藝技術也很復雜，難度大，成本較高，主要應用于軍事領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公司就已申請專利技術，提出了MEMS微型同軸傳輸線的結構雛形，并通過LIGA技術實現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，該公司并未能實現該類產品的商業化。近十年來，隨著新型技術手段的發展，美國Colorado大學和Nuvotronics公司（DARPA和NASA支撐）研究微型同軸線結構已非常接近實用化，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微型同軸結構的發展趨勢，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技術可以構建超低成本的輕型相控陣雷達、多波段相控陣天線、動態自適應天線、共形天線陣列等，它們具有微型化、輕量化、可重構等特點和優勢。

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，實現更多復雜功能；隨著微納加工工藝的發展，實現三維高性能天線結構的低成本制造。

3. RF MEMS集成微納系統

MEMS技術的最大優勢在于單片集成和低成本量產， 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。

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集成互聯技術，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工藝優勢和高集成度的集中體現，多種器件均互聯在模塊內部，可采用垂直互聯的電鑄工藝直接實現該模塊制備，這樣信號傳輸線和屏蔽結構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技術的高性能射頻前端模塊和子系統

2012年，美國Colorado大學的Cullens E D等人研制的基于MEMS技術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公司無線微系統實驗室的研究人員采用液態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。經過測試，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BAE系統公司、韓國大田電子信息研究所、韓國工業大學、新加坡南洋理工大學等研究機構。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大學和Nuvotronics公司開展了相關合作。

RF MEMS集成微納系統是MEMS技術與射頻技術相結合的發展趨勢，它將對傳統射頻微波的設計、系統集成及制造實現方式產生重大革新。

4. RF MEMS發展趨勢淺論

結合前文對RF MEMS領域市場狀態、發展情況、成熟產品、各類新型器件和微型片上系統的研究現狀及技術現狀等的論述和分析，給出如下六點發展趨勢：

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、開關次數及壽命等。

②進一步縮小體積、減輕重量、降低成本，例如優化單步微納加工工藝和工藝集成創新，實現標準化工藝、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化等。

③采用新材料、新工藝、新原理、新結構形式滿足未來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現超高性能的濾波器，基于AlN材料的特定微納工藝實現的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同可大大提升效率。

⑥MEMS專業與射頻微波專業的深度融合， 用MEMS技術創新性解決射頻微波領域的瓶頸問題，提升產品性能指標，滿足市場新需求，例如基于MEMS技術開發更多新類型射頻器件，利用MEMS工藝微納精細加工實現射頻微波毫米波太赫茲單片子系統等。

來源：北京遙測技術研究所 作者：焦海龍、趙廣宏、李文博、駱 偉、金小鋒