RF MEMS國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

2018-03-13 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

摘要:概述基于MEMS(Micro-Electro-Mechanical System,微機(jī)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(yīng)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。

RF MEMS國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢ansys hfss圖片1

引言

RF MEMS是指利用MEMS/NEMS技術(shù)微納精細(xì)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(yīng)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(jī)的數(shù)據(jù)交換;②車載、機(jī)載、船載收發(fā)機(jī)和衛(wèi)星通信終端、GPS接收機(jī)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?yán)走_(dá)等。圖1為RF MEMS應(yīng)用領(lǐng)域示意圖。

RF MEMS國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢ansys hfss圖片2

圖1 RF MEMS應(yīng)用領(lǐng)域示意圖

從技術(shù)層面上,RF MEMS主要包括: ①由微機(jī)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(jī)、變波束雷達(dá)、相控陣天線等組成的應(yīng)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(yīng)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(yù)計未來幾年新興市場的復(fù)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(fù)合年增長率將達(dá)到16.7%;就出貨量而言,復(fù)合年增長率將達(dá)到21%;就應(yīng)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(yīng)用于3G、4G和下一代5G移動設(shè)備, 用于提升網(wǎng)絡(luò)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(yù)測如圖2所示,2017~2022年MEMS市場增長預(yù)測如圖3所示。

RF MEMS國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢ansys hfss圖片3

圖2 2015~2021年MEMS市場預(yù)測

RF MEMS國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢HFSS分析圖片4

圖3 2017~2022年MEMS市場增長預(yù)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(yīng)用于相控陣?yán)走_(dá)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(yīng)用于軍用雷達(dá)/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(yīng)用于手機(jī)、無線人機(jī)交互設(shè)備、導(dǎo)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(dá)、電子對抗等;⑤微納傳輸線/波導(dǎo)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(yīng)用方向和優(yōu)勢特點見表1。

表1 各類RF MEMS器件及其應(yīng)用方向和優(yōu)勢特點

RF MEMS國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢HFSS分析圖片5

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(jī)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(jì)九十年代后期, 主要研究機(jī)構(gòu)有清華大學(xué)(開關(guān)、濾波器)、北京大學(xué)(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(xué)(微波結(jié)構(gòu)設(shè)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(tǒng)所、微電子所、電子所等。已經(jīng)實現(xiàn)較好實際應(yīng)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(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(luò)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(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(xué)(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。

RF MEMS國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢HFSS分析圖片6

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(yīng)用在射頻微波單機(jī)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(yīng)用于DARPA和NASA主導(dǎo)的軍事用途設(shè)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(yīng)用于民用領(lǐng)域,包括智能手機(jī)、導(dǎo)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

RF MEMS國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢HFSS分析圖片7

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。

RF MEMS國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢HFSS分析圖片8

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(biāo)(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(biāo)、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(dá)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(yīng)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(yīng)用領(lǐng)域,如智能手機(jī)、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(yīng)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(yīng)用領(lǐng)域,如早期的2G通信等。

FBAR濾波器頻帶可以達(dá)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(yīng)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(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(yīng)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(biāo)可以達(dá)到很高,但所需MEMS工藝技術(shù)也很復(fù)雜,難度大,成本較高,主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域的高性能雷達(dá)子系統(tǒng)、導(dǎo)引頭、電子對抗等。

國際上,在二十世紀(jì)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(xué)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(dá)到 2GHz~250GHz,如圖7所示。

RF MEMS國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢HFSS圖片10

圖7 國際先進(jìn)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(jī)構(gòu)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新開展的此項研究,目前還處于理論設(shè)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(fù)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?yán)走_(dá)、多波段相控陣天線、動態(tài)自適應(yīng)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(xué)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(dǎo)體通過周期分布的介電帶支撐,所設(shè)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。

RF MEMS國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢HFSS圖片11

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(fù)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(biāo)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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)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。

RF MEMS國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢HFSS圖片12

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(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(dǎo)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(xué)、新加坡南洋理工大學(xué)等研究機(jī)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(xué)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(shè)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(jìn)一步提高性能指標(biāo)、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(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,實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)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(dá)到超高性能指標(biāo)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(jìn)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(luò)、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(shè)計模式和途徑手段進(jìn)一步豐富和智能化,效率提升,市場響應(yīng)時間縮短,例如IP模型庫進(jìn)一步標(biāo)準(zhǔn)化和多量化,精確全波仿真分析等,各類不同設(shè)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(biāo),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(xì)加工實現(xiàn)射頻微波毫米波太赫茲單片子系統(tǒng)等。

開放分享：優(yōu)質(zhì)有限元技術(shù)文章,助你自學(xué)成才