經(jīng)過一次又一次的改進(jìn)，RF MEMS技術(shù)也許最終會在今年的電子市場上掀起波瀾，這要?dú)w功于近期制造工藝和器件可靠性的提高。不過，今年推出的最新RF MEMS產(chǎn)品是否能通過進(jìn)入大眾市場的Litmus測試還有待觀察。不過可以預(yù)見的是，RF MEMS將逐步打入這類應(yīng)用。那么，1美元和2美元的價(jià)格門檻是否將成為在移動電話中廣泛采用的關(guān)鍵呢？看來這還得再等上幾年！
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過去30年，RF MEMS器件未能達(dá)到市場預(yù)期" title="市場預(yù)期">市場預(yù)期的發(fā)展水平，特別從2000到2003年，調(diào)和了這些意見。關(guān)鍵在于進(jìn)一步完善必要的制造工藝，從而以非常大的數(shù)量生產(chǎn)非?？煽康钠骷殉杀窘档偷阶阋赃m合大量消費(fèi)應(yīng)用的程度。與其它方法相比，RF MEMS具有某些關(guān)鍵的優(yōu)勢。XCom Wireless公司的總裁兼首席技術(shù)官" title="首席技術(shù)官">首席技術(shù)官Dan Hyman列舉了RF MEMS的低損耗、高隔離以及近乎完美的線性度。此外，常規(guī)的機(jī)械和半導(dǎo)體技術(shù)簡直不能同RF MEMS異乎尋常大的瞬時(shí)帶寬相提并論。
它的優(yōu)勢眾所周知：成本、體積、速度、堅(jiān)固性、可靠性、可重復(fù)性及壽命。諸如調(diào)諧電容這樣的元件可以替代傳統(tǒng)的干簧管和機(jī)電繼電器，以及基于變抗器的固態(tài)器件，從而極大地改進(jìn)靈敏度和性能。
目前，已有許多公司能夠成功地制造可奠定RF電路應(yīng)用基礎(chǔ)的RF MEMS元件。這些元件包括Matsushita Electric、Radant MEMS和TeraVicta Technologies公司生產(chǎn)的開關(guān)；Enpirion和Walsin Technology公司生產(chǎn)的電感；Avago Technologies、Epcos、Fujitsu、Infineon和NXP公司生產(chǎn)的濾波器；以及NXP和WiSpry公司生產(chǎn)的調(diào)諧電容。
甚至定時(shí)電路中MEMS諧振器的制造商也能夠輕松地把這類元件用在手機(jī)中的RF MEMS(如果市場吸引力足夠大的話)。例如，TeraVicta和Radant MEMS公司最近成功地把這類電路(開關(guān))用在商業(yè)和軍事應(yīng)用領(lǐng)域。
IMEC公司正在開發(fā)一個(gè)通用的技術(shù)平臺以便實(shí)現(xiàn)其大部分RF MEMS器件(參見圖1)。這個(gè)平臺在晶圓級" title="晶圓級">晶圓級上采用薄膜表面微加工技術(shù)。該公司認(rèn)為MEMS技術(shù)的未來就在于把RF MEMS器件同其它無源和有源元件集成在一起的能力，最好是以混合的方式。這可能帶來一種系統(tǒng)級封裝(SiP)方法。該公司還認(rèn)為這樣的平臺是實(shí)現(xiàn)成功的RF MEMS產(chǎn)品的一個(gè)手段。
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RF MEMS器件的最普通應(yīng)用就是手機(jī)開關(guān)?，F(xiàn)在的RF MEMS開關(guān)一般被自動測試設(shè)備(ATE)制造商用在商業(yè)部門(主要由TeraVicta公司提供)和雷達(dá)及其它軍用領(lǐng)域(主要由Radant MEMS公司提供)。
克服技術(shù)挑戰(zhàn)
大規(guī)模生產(chǎn)低成本RF MEMS器件所提出的技術(shù)挑戰(zhàn)很艱巨，這些挑戰(zhàn)長久以來被嚴(yán)重低估了。在開發(fā)少量樣品及原型設(shè)計(jì)與穩(wěn)定地批量生產(chǎn)具有高可靠性及高質(zhì)量的產(chǎn)品之間有很大的差距。其結(jié)果就是，許多市場預(yù)期落空了，從而導(dǎo)致對該技術(shù)有用性的普遍懷疑。
根據(jù)WiSpry公司等RF MEMS器件制造商的行業(yè)預(yù)測，全球發(fā)運(yùn)手機(jī)的一半以上將包含至少一個(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)電路，而且它們中的大部分將是多頻帶、多模式設(shè)備。把RF開關(guān)、濾波器同提供這種靈活性所需的轉(zhuǎn)換開關(guān)結(jié)合在一起，而且仍然能滿足苛刻的成本和性能目標(biāo)，是RF工程師面臨的最大挑戰(zhàn)之一。
需要解決的問題包括可靠性、溫度漂移、壽命、絕緣層擊穿和漏電流，以及粘連。封裝是另一個(gè)重要的麻煩，因?yàn)镽F MEMS器件需要處于一個(gè)不受限制的腔體內(nèi)。它們在制造過程中還要得到良好的保護(hù)以免有害接觸物的破壞。“兩個(gè)最大的問題是粘連和有害接觸物，”TeraVicta的首席執(zhí)行官Ray Burgess說?！拔覀兡壳耙呀?jīng)成功地解決了它們。成本也不再是一個(gè)問題。”
Burgess還認(rèn)為RF MEMS開關(guān)技術(shù)隨時(shí)準(zhǔn)備在成本、可靠性、性能和體積方面同機(jī)電繼電器及干簧繼電器展開競爭。TeraVicta公司提供三大系列RF MEMS開關(guān)，它們分別是基本型、較高成本的高帶寬型以及就要實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的低成本型器件。
基本型的TT712-CSP系列直流到7GHz單刀雙擲" title="單刀雙擲">單刀雙擲(SPDT)開關(guān)自去年初就開始批量供應(yīng)，今年上半年即將有衍生的單刀雙擲(DPDT)、單刀四擲(SP4T)以及定制開關(guān)(XPXT)加入這個(gè)系列。這個(gè)系列的目標(biāo)市場是儀表、自動測試設(shè)備和無線電通信應(yīng)用，每個(gè)開關(guān)的價(jià)格在10到20美元之間，取決于購買的數(shù)量和具體的配置。
也在2007年上半年問世的產(chǎn)品是直流到26.5GHz的開關(guān)，面向的是軍事、航天、雷達(dá)和微波應(yīng)用。針對工業(yè)自動化、數(shù)字信道測試以及蜂窩通信應(yīng)用的低成本系列包括直流到2GHz的開關(guān)，其單價(jià)低于8美元(同樣取決于購買的數(shù)量和具體的配置)。預(yù)計(jì)這些產(chǎn)品在今年下半年上市。
TeraVicta公司開關(guān)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是一種具有專利權(quán)保護(hù)的大力矩圓盤執(zhí)行器技術(shù)和線列式芯片級氣密封裝。該組合提供的開關(guān)壽命在成千上萬億次，且具有很高的可靠性(參見圖2)。這種開關(guān)直接造在一個(gè)具有金屬穿孔的鋁(陶瓷)導(dǎo)電層上(參見圖3)。
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一種專有的金合金用作開關(guān)觸點(diǎn)，這有助于把粘連和觸點(diǎn)電阻問題的危害降到最低。一個(gè)低壓(3到5V)電位，通過一個(gè)獨(dú)立的電荷泵器件的幫助，免除了對一個(gè)用于大力矩圓盤驅(qū)動的高壓(65V)作用力的需要。最終結(jié)果是一個(gè)小的(3.25 X 4.5毫米)具有鎳基蓋的氣密型封裝。Radant MEMS公司已經(jīng)演示了用于ATE和軍用市場的高性能RF MEMS開關(guān)(參見圖4)。已經(jīng)達(dá)到超過7000億次開關(guān)的壽命，而最初的原型設(shè)計(jì)達(dá)到5000億次開關(guān)壽命。這些開關(guān)是美國空軍所用的可電子操控天線的一部分，該天線用于安裝在高空探測氣球上的火炮控制雷達(dá)。
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在美國國防部高級研究項(xiàng)目局(DARPA)資助下，這些開關(guān)采用晶圓級工藝進(jìn)行制造并裝配在一種堅(jiān)固且重量很輕的結(jié)構(gòu)內(nèi)，該結(jié)構(gòu)是用石墨復(fù)合剛性橡膠和一個(gè)柔性RF基底加工的。每個(gè)開關(guān)只占據(jù)1毫米3的空間。該技術(shù)最初是由東北大學(xué)和模擬器件公司在1990年代后期開發(fā)的，隨后許可給了Radant MEMS公司。
BAW和FBAR技術(shù)
其它RF MEMS方法包括體聲波(BAW)和膜體聲波(FBAW)技術(shù)。Agilent Technologies、Avago Technologies、Infineon和其它一些公司采用FBAR在RF應(yīng)用方面獲得了相當(dāng)大的成功。
一個(gè)BAW器件就是一個(gè)金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容，它采用兩層金屬內(nèi)夾一層壓電介電材料。一個(gè)FBAW器件由壓電材料(如鋁氮化合物)夾在兩個(gè)電極之間組成，并且與周圍的介質(zhì)隔絕。
Avago公司最近宣布了兩種FBAR雙選開關(guān)，可用于手機(jī)、PC數(shù)據(jù)卡和其它運(yùn)行在美國個(gè)人通信服務(wù)(PCS)及通用移動電信系統(tǒng)(UMTS)頻帶的無線產(chǎn)品。這兩種雙工開關(guān)的封裝非常薄，高度只有1.3毫米，引腳尺寸為3.8 X 3.8毫米。這種尺寸還使得具有增強(qiáng)功能的微型RF模塊可嵌入到其它便攜式消費(fèi)電器之中。
摩托羅拉" title="摩托羅拉">摩托羅拉公司正竭力在印刷電路板(PCB)上實(shí)現(xiàn)無源元件和MEMS運(yùn)動結(jié)構(gòu)的一體化。該公司創(chuàng)造了“mesoMEMS”這個(gè)術(shù)語來描述相關(guān)的舉措，同時(shí)已經(jīng)開發(fā)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)用于手機(jī)RF開關(guān)應(yīng)用的mesoMEMS結(jié)構(gòu)。根據(jù)摩托羅拉的說法，mesoMEMS結(jié)構(gòu)的開發(fā)成本低于單片式RF MEMS結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗鼈兛梢杂肞CB生產(chǎn)工藝來制造。
燦爛的發(fā)展前景
許多專家確信RF MEMS器件的制造成本將降低，從而使它們的應(yīng)用會更普遍?！澳阒恍杩纯碝EMS加速度計(jì)目前在手機(jī)和其它消費(fèi)電子產(chǎn)品中的廣泛使用就可以明白飛速的技術(shù)發(fā)展是如何影響實(shí)際應(yīng)用的，”Akustica公司行銷副總裁兼產(chǎn)品經(jīng)理David L. Yuknis說。
“在不久前，MEMS器件還被認(rèn)為太貴了，”他繼續(xù)說。“而現(xiàn)在已經(jīng)證明它們并不貴。同樣的事情注定會發(fā)生在RF MEMS器件上?！?/P>
手機(jī)上所用的大部分元件是無源的，例如電感、可變電容和濾波器。用RF MEMS器件替代這些元件具有很大的市場潛力。針對特定的帶寬，無源元件需要專用濾波器，這使得一個(gè)電話的前端更復(fù)雜也更昂貴。RF MEMS器件不僅減少元件數(shù)目且節(jié)省空間，它們還可以降低噪音和功耗。
TeraVicta技術(shù)公司的首席技術(shù)官John McKillop對RF MEMS技術(shù)的未來非常樂觀。他認(rèn)為三個(gè)關(guān)鍵的趨勢將在今后的三到五年推動RF MEMS開關(guān)的新應(yīng)用：多種多樣新產(chǎn)品配置的大幅增加，可靠性的明顯提高，以及開關(guān)尺寸和成本的顯著降低。
此外，他預(yù)測低成本材料的開發(fā)和開關(guān)封裝尺寸的急劇縮小。“我們可以期望在今后兩年內(nèi)開關(guān)的形狀因子減小90%，縮小到不足1.5毫米2，”他說。