RF MEMS国内外现状及发展趋势

2018-03-13 by:CAE仿真在线来源:互联网

摘要:概述基于MEMS(Micro-Electro-Mechanical System,微机电系统)技术的各类射频RF( Radio Frequency)无源器件及微小型单片集成系统的概念与内涵及其应用市场,重点介绍RF MEMS电容电感、开关、移相器、谐振器、滤波器、微型同轴结构、天线、片上集成微纳系统等的国内外研究现状、典型研究成果和产品、技术方案和微纳制造工艺及性能特点等,最后浅析RF MEMS领域的发展趋势。

引言

RF MEMS是指利用MEMS/NEMS技术微纳精细制造实现的射频微波结构、器件、单片集成子系统等。它具有小型化、低功耗、低成本、集成化等方面的优势,逐渐广泛应用于军民各领域,包括:①个人通讯,如移动电话、PDA( Personal Digital Assistant)、便携式计算机的数据交换;②车载、机载、船载收发机和卫星通信终端、GPS接收机等;③信息化作战指挥、战场通信、微型化卫星通信系统、相控阵雷达等。图1为RF MEMS应用领域示意图。

图1 RF MEMS应用领域示意图

从技术层面上,RF MEMS主要包括: ①由微机械开关、可变电容、电感、谐振器组成的基础结构单元层面;②由移相器、滤波器、VCO等组成的组件层面;③由T/R组件、单片接收机、变波束雷达、相控阵天线等组成的应用系统层面。下面主要从器件层面介绍RF MEMS现状和发展趋势,基础结构单元是组成器件的要素,片上集成子系统是器件发展的趋势。

1. RF MEMS市场

RF MEMS是MEMS的一个重要的应用领域,全球RF MEMS市场正在经历着营收和出货量的双重增长。2016年,RF MEMS成熟市场占据了大部分的市场份额,预计未来几年新兴市场的复合年增长率将超过成熟市场。未来,全球RF MEMS市场将获得高速增长,就营收而言,复合年增长率将达到16.7%;就出货量而言,复合年增长率将达到21%;就应用类型而言,移动终端将是市场龙头,这是因为RF MEMS已广泛应用于3G、4G和下一代5G移动设备, 用于提升网络和数据传输性能。军用市场,也因小型化、智能化的发展趋势,对RF MEMS器件和子系统的需求量巨大。2015~2021年MEMS市场份额预测如图2所示,2017~2022年MEMS市场增长预测如图3所示。

图2 2015~2021年MEMS市场预测

图3 2017~2022年MEMS市场增长预测(含RF MEMS未来趋势)

2. RF MEMS器件

RF MEMS器件主要有:①基于开关基本结构单元的移相器、可调滤波器、可变波束天线等,应用于相控阵雷达系统、平面阵列扫描天线等;②硅基/熔融石英基的高性能滤波器,应用于军用雷达/卫星通信、电子对抗等;③超小型化的声波滤波器(SAW、FBAR),大量应用于手机、无线人机交互设备、导航、微纳卫星等;④微纳电感、电容结构组成的天线阵列,用于雷达、电子对抗等;⑤微纳传输线/波导结构(如微同轴结构)组成的高性能T/R组件等。各类RF MEMS器件及其应用方向和优势特点见表1。

表1 各类RF MEMS器件及其应用方向和优势特点

目前, RF MEMS领域的技术引领者主要是美国、日本及欧洲一些高科技企业,研究机构主要有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,主要供货商包括Avago、Infineon、Radent MEMS、XCOM Wireless、Panasonic MEW、WiSpry、Epcos(NXP Semiconductor)、RFMD、DelfMEMS、OMRON、Advantest、Toshiba、MEMTronics、SiTime、Discera Silicon Clocks等。

国内对RF MEMS的研究始于二十世纪九十年代后期, 主要研究机构有清华大学(开关、滤波器)、北京大学(开关)、中电13所及美泰科技公司(滤波器)、中电55所(滤波器、开关)、东南大学(微波结构设计)、浙江大学(理论分析)、天津大学和中兴通讯公司(FBAR滤波器)、中物院电子工程所和电子科大(THz滤波器)、中科院上海微系统所、微电子所、电子所等。已经实现较好实际应用的主要是中电13所和中电55所的滤波器产品,其他大部分器件还处于实验室研究阶段。

2.1 电容、电感基本器件单元

在RF MEMS器件单元中,电感和电容是重要的基本元器件,是各类部件的重要组成部分,影响着谐振电路、阻抗匹配网络、低噪声放大器、压控振荡器的性能。利用MEMS技术制作的电容、电感元件可以实现高Q值(100~400),而其更大的优势在于易集成和灵活性,适合现代射频微波领域对低损耗、小体积、低成本器件的要求。基于MEMS技术的可变电容、电感可以用于构建可重构滤波器、可重构网络等,对于实现可重构射频微波前端模块具有重要的意义。

RF MEMS电容主要有平板结构和叉指结构,常见的驱动方式有静电驱动、压电驱动、电磁驱动、热驱动、压阻驱动,其中静电驱动工艺简单,是最常用的方式。美国加州大学伯克利分校(UC Berkley)研究的电容基本单元,如图4(a)所示。RF MEMS电感是实现滤波、调谐、放大、阻抗耦合、频率耦合的重要器件,使用高频性能优异的片上电感能够大大提高射频滤波器、谐振器、PLL、VCO和LNA等射频单元的性能,Q值是电感的一个极为重要的参数,高 Q 值的片上电感对于实现高性能的滤波、调谐、放大有着极为重要的意义。美国密歇根大学(University of Michigan,简写为UoM)和Radant公司研究的电感基本单元,如图4(b)所示。

图4 MEMS电容和电感基本器件单元

2.2 开关及衍生器件

RF MEMS开关及衍生器件大量应用在射频微波单机和系统领域,如美国Randent MEMS公司、RockWell公司、MEMTronics 公司(从Raython公司独立出来)生产的基于开关的产品大量应用于DARPA和NASA主导的军事用途设备和系统中,日本Omron公司、美国WiSpry公司(被瑞声科技收购)生产的开关系列产品应用于民用领域,包括智能手机、导航终端、物联网等。目前商业化的MEMS开关产品比较见表2。

表2 商业化RF MEMS开关产品对比

基于RF MEMS开关基本结构单元可以构建移相器、可调滤波器、可变波束天线等。图5为各类RF MEMS开关及衍生器件。

图5 各类RF MEMS开关及衍生器件

RF MEMS开关按照驱动方式不同,可以分为静电驱动开关、电磁驱动开关、热驱动开关、压电驱动开关等;按照电路结构,可以分为串联开关和并联开关;按照接触方式不同,可以分为接触式开关和电容式开关等。目前,研究较为深入、已经产品化的RF MEMS开关是静电驱动的串联接触式和并联电容式开关。

RF MEMS开关的主要性能参数包括驱动电压、插入损耗、隔离度等,理想的开关具有极低驱动电压、零插入损耗、无限大的隔离度。

RF MEMS开关及衍生器件和子系统的发展趋势:更高性能指标(高频带、低插损、高隔离度、低驱动电压);高可靠性、长寿命;更简单的微纳工艺、更低的成本;更高灵活性和集成度。

2.3 滤波器

滤波器是构建射频微波子系统最重要、用量最大的器件之一,也是研究最广泛、成熟度最高的器件。RF MEMS滤波器有微带线滤波器、带状线滤波器、硅基腔体滤波器、熔融石英SIW滤波器、SAW滤波器、BAW和FBAR滤波器等,如图6所示。

图6 各类RF MEMS滤波器

针对高性能指标、高可靠性、高功率容量的军工市场需求,RF MEMS滤波器主要有:①微带线滤波器;②硅基SIW和腔体滤波器,国内中电13所和55所研制的该类型产品已达到实用化程度;③MEMTronics公司的高性能熔融石英SIW滤波器,主要供应军工高端市场;④Avago公司FBAR和TriQuint公司BAW滤波器,主要针对超小体积、高性能的应用领域,如智能手机、消费电子无线终端、微纳卫星等。

民用市场的射频微波滤波器主要以SAW、BAW滤波器以及近年来的FBAR滤波器为主,SAW滤波器主要供应商有日本EPCOS、村田制作所、富士通MediaDevice、欧姆龙、MUTATA公司及国内的中电55所、中电26所等。SAW滤波器主要针对2GHz以下的应用领域,如早期的2G通信等。

FBAR滤波器频带可以达到20GHz,体积小到1mm x 1mm x 1.5mm,近年来受到RF MEMS业界极大关注,其主要供应商有Avago公司和TriQuint公司。其中,Avago公司的FBAR滤波器和双工器在2014年度销售额近4亿美元,相比2013年度增长23%;而TriQuint公司的RF MEMS产品在2014年度销售额近3.5亿美元(抢占了Avago的市场份额),相比2013年度更是增长141%。国内中电13所、55所也对FBAR滤波器展开研究,已研制出原理芯片,天津大学在此领域也有较好研究。

RF MEMS滤波器的发展趋势:针对高性能、大功率容量的军工应用需求,采用新材料(如熔融石英)、新结构(SIW、腔体式)、新加工手段(Wafer级微电子式微纳工艺、飞秒激光精密加工)等方案降低成本;采用更多新原理现象(FBAR)、新材料(AlN)满足更高的性能需求;将滤波器器件与其他无源器件集成在一起,实现更小体积、更轻重量的片上射频微波子系统。

2.4 微型同轴结构

基于RF MEMS技术的全金属微型同轴结构, 可以构建多种高性能的射频微波器件和前端子系统,如功率调制器、耦合器、功分器、高性能滤波器、高功率天线阵列等。该类器件性能指标可以达到很高,但所需MEMS工艺技术也很复杂,难度大,成本较高,主要应用于军事领域的高性能雷达子系统、导引头、电子对抗等。

国际上,在二十世纪八十年代,ITT公司就已申请专利技术,提出了MEMS微型同轴传输线的结构雏形,并通过LIGA技术实现了微同轴传输线的原理样件,但由于成本及加工成品率问题,该公司并未能实现该类产品的商业化。近十年来,随着新型技术手段的发展,美国Colorado大学和Nuvotronics公司(DARPA和NASA支撑)研究微型同轴线结构已非常接近实用化,频带达到 2GHz~250GHz,如图7所示。

图7 国际先进水平RF MEMS微型同轴结构图示

国内在RF MEMS微同轴结构方面的主要研究机构有北京遥测技术研究所、中北大学、北京邮电大学等。但他们大都是近年来新开展的此项研究,目前还处于理论设计与仿真分析及单项加工工艺实验阶段。

RF MEMS微型同轴结构的发展趋势,主要是突破复杂的加工工艺,降低制造成本,提高成品率,追求更高的单片集成度。

2.5 微型天线

用MEMS技术可以构建超低成本的轻型相控阵雷达、多波段相控阵天线、动态自适应天线、共形天线阵列等,它们具有微型化、轻量化、可重构等特点和优势。

2009年,美国Colorado大学研制了基于三维射频MEMS同轴器件制备的对数周期天线,该天线工作频率范围2GHz~110GHz,驻波比小于1.5。天线上采用三维射频 MEMS 技术集成了馈电线和阻抗变换器,中心导体通过周期分布的介电带支撑,所设计的结构能够在DC~250GHz频率范围内获得单TEM模传输特性,如图8(a)和图8(b)所示。2015年,美国Nuvotronics公司展示了其最新的Ka频段功率放大器及10层以上工艺制造的天线模块,如图8(c)所示。

图8 RF MEMS微型天线图例

RF MEMS微型天线的发展趋势:更高的单片集成度,与其他射频前端器件模块集成一起,实现更多复杂功能;随着微纳加工工艺的发展,实现三维高性能天线结构的低成本制造。

3. RF MEMS集成微纳系统

MEMS技术的最大优势在于单片集成和低成本量产, RF MEMS追求的重要目标之一就是将更多射频前端器件和模块集成到单片上,实现高性能指标和微小型化,类似于微电子制造工艺批量化低成本实现。

2015年,美国Nuvotronics公司研制的Ka频段射频前端模块集成了功率放大器、天线、表面贴装阻容器件及处理芯片等。它采用了MEMS微纳加工工艺及三维异质集成互联技术,使整体结构的两端接口最终形成标准的同轴插口。该集成射频前端模块是MEMS工艺优势和高集成度的集中体现,多种器件均互联在模块内部,可采用垂直互联的电铸工艺直接实现该模块制备,这样信号传输线和屏蔽结构仅需要较小空间即可集成在一起,同时能够保证它们不会相互干扰,如图9所示。

图9 基于RF MEMS技术的高性能射频前端模块和子系统

2012年,美国Colorado大学的Cullens E D等人研制的基于MEMS技术的集成频率扫描狭缝波导阵列,工作频率为130GHz~180GHz,整个频率范围内的扫描角为32.5°,10个单元的阵列150GHz频率下的增益为15.5dBi。

2012年,美国Virginia Tech公司无线微系统实验室的研究人员采用液态金属垂直互连的方式将砷化镓MMIC芯片和3D微同轴传输线连接在一起。经过测试,在 4.9GHz~8.5GHz的工作频率范围内,MMIC芯片的增益下降了1.4dB。

除美国以外,国际上在RF MEMS集成微纳系统方面还有英国BAE系统公司、韩国大田电子信息研究所、韩国工业大学、新加坡南洋理工大学等研究机构。其中,英国的BAE系统公司和韩国大田电子信息研究所与美国Colorado大学和Nuvotronics公司开展了相关合作。

RF MEMS集成微纳系统是MEMS技术与射频技术相结合的发展趋势,它将对传统射频微波的设计、系统集成及制造实现方式产生重大革新。

4. RF MEMS发展趋势浅论

结合前文对RF MEMS领域市场状态、发展情况、成熟产品、各类新型器件和微型片上系统的研究现状及技术现状等的论述和分析,给出如下六点发展趋势:

①进一步提高性能指标、可靠性和寿命等,例如频带和带宽(THz)、插入损耗、隔离度、耐受功率容量、开关次数及寿命等。

②进一步缩小体积、减轻重量、降低成本,例如优化单步微纳加工工艺和工艺集成创新,实现标准化工艺、大尺寸晶圆级加工和晶圆级封装,以及后端工艺和测试检验的智能自动化等。

③采用新材料、新工艺、新原理、新结构形式满足未来射频微波系统的更高需求,例如熔融石英材料的超低损耗正切角值和极小温度系数可帮助实现超高性能的滤波器,基于AlN材料的特定微纳工艺实现的FBAR滤波器可以达到超高性能指标和超小体积,采用易于MEMS工艺实现的SIW、腔体、微型同轴等结构形式制造片上集成射频前端子系统等。

④集成化程度进一步提高,例如各类无源器件(低损微型传输线、滤波器、移相器、功分器、耦合器、阻抗匹配网络、天线等)的单片集成,无源器件与射频微波前段有源低噪声放大芯片的异质集成等。

⑤设计模式和途径手段进一步丰富和智能化,效率提升,市场响应时间缩短,例如IP模型库进一步标准化和多量化,精确全波仿真分析等,各类不同设计分析手段的无缝配合协同可大大提升效率。

⑥MEMS专业与射频微波专业的深度融合, 用MEMS技术创新性解决射频微波领域的瓶颈问题,提升产品性能指标,满足市场新需求,例如基于MEMS技术开发更多新类型射频器件,利用MEMS工艺微纳精细加工实现射频微波毫米波太赫兹单片子系统等。

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