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综述：太赫兹MEMS执行器及应用
2026-03-06 13:18:34 来源：麦姆斯咨询评论：0 点击：

本文梳理了太赫兹领域各类MEMS执行器的驱动机制和集成策略；深入剖析了不同执行器的工作原理、结构形态、优势和局限性。同时重点探讨MEMS执行器在太赫兹器件中的关键作用，并系统呈现其在传感、频率与偏振调谐、波束成形及片上逻辑运算等各领域的最新进展。

近年来，微机电系统（MEMS）执行器凭借微型化、低功耗和高集成度等优势，成为提升太赫兹（THz）器件动态调控的创新解决方案。相较于传统太赫兹调控技术，MEMS技术可提供更宽的调谐范围和更高的波前调控能力，这对于高性能太赫兹系统的发展至关重要。

据麦姆斯咨询报道，近日，电子科技大学和北京邮电大学的研究团队综述了太赫兹MEMS执行器及应用，相关成果以“Terahertz MEMS actuators and applications”为题，发表于Microsystems & Nanoengineering期刊上。本文梳理了太赫兹领域各类MEMS执行器的驱动机制和集成策略；深入剖析了不同执行器的工作原理、结构形态、优势和局限性。同时重点探讨MEMS执行器在太赫兹器件中的关键作用，并系统呈现其在传感、频率与偏振调谐、波束成形及片上逻辑运算等各领域的最新进展。通过对这些议题的综合分析，本综述旨在为太赫兹器件中MEMS执行器的研究、开发和应用提供重要参考，从而推动太赫兹技术的进步和实际应用落地。

太赫兹MEMS执行器

长期以来，太赫兹技术的实际应用受限于低损耗集成与高精度响应等器件层面的挑战。MEMS执行器已经成为推动太赫兹开关和太赫兹可调谐谐振器的技术突破的关键功能组件。太赫兹MEMS执行器的核心在于驱动机制，主要包括静电驱动（Electrostatic actuation）、热驱动（Thermal actuation）、磁驱动（Magnetic actuation）、气动驱动（Pneumatic actuation）和压电驱动（Piezoelectric actuation），驱动机制对执行器的性能特征和潜在应用场景有重要影响。文章全面综述了太赫兹MEMS执行器的基本驱动机制、关键器件设计、系统集成策略以及微加工工艺，旨在为下一代高性能太赫兹器件的发展提供理论依据和技术指引。

太赫兹MEMS开关

机械式射频（RF）MEMS开关在太赫兹频段展现出优异的射频性能，可有效满足当代太赫兹可调谐通信系统的低损耗需求。通常，太赫兹射频MEMS开关采用静电驱动，主要结构包括悬臂梁、固支梁及静电梳状执行器。

当前对MEMS执行器的研究主要聚焦于实现太赫兹波导中的开关控制，并解决单刀多掷（SPMT）开关固有的阻抗失配和损耗问题。目前，静电驱动梳状驱动开关代表了太赫兹MEMS开关领域的最高性能水平。此外，MEMS波导可重构表面（MEMS-RS）也是重要研究方向。

太赫兹MEMS开关

图1 太赫兹MEMS开关

除静电驱动机制外，采用其它驱动方式的MEMS开关的研究相对有限，主要受制于制造工艺的复杂度。同时，高质量封装技术对太赫兹MEMS开关至关重要，能够最大限度减少射频干扰的封装方案可显着提升此类开关的实用性并拓宽潜在应用范围。

太赫兹MEMS可调谐谐振器

太赫兹MEMS谐振器的实验开发正成为关键研究方向，尤其面向6G通信和集成传感应用方面。太赫兹MEMS谐振器常与超构材料（Metamaterial）结合使用，超构材料作为其基本单元（unit cells），具有天然材料所不具备的独特特性。

文章综述了太赫兹MEMS可调谐谐振器的最新研究进展，重点探讨其主要驱动机制。静电驱动是利用静电力调控微结构位移。热驱动包含两种独立方法：热膨胀驱动与相变驱动。磁驱动通过外部磁场进行频率调制。值得注意的是，铁磁形记忆合金（FSMA）为可调谐超构材料提供了创新解决方案，其卓越的变形恢复能力、非接触控制特性和快速响应特性尤为突出。其他值得注意的驱动机制还包括气动驱动和压电驱动。

太赫兹MEMS可调谐谐振器

图2 太赫兹MEMS可调谐谐振器

太赫兹MEMS执行器的微加工技术

太赫兹MEMS执行器制造涉及的序列化工艺流程包括：衬底制备、金属层沉积、光刻图案化、牺牲层的沉积与蚀刻以及后续牺牲层释放等步骤。在太赫兹MEMS执行器的衬底选择方面，硅衬底因其高电阻率而具有显著优势，该特性在太赫兹频段保持稳定的透射率，从而实现宽频响应。石英玻璃在太赫兹频段损耗角正切值低于千分之一，因此被公认为是太赫兹射频器件最理想的衬底材料。某些MEMS器件需要使用柔性衬底，故聚二甲基硅氧烷（PDMS）成为潜在的替代衬底材料。

金属材料方面，金（Au）因其卓越的导电性、抗腐蚀性和优异的机械性能（包括韧性和延展性），成为太赫兹MEMS执行器的首选材料。金属溅射工艺前，通常采用铬（Cr）或钛钨（TiW）作为粘合剂层。此外，衬底与电极间的绝缘层通常采用热裂解的二氧化硅（SiO₂）或氮化硅（Si₃N₄）。

光刻胶（PR）、SiO₂和铝（Al）已在多种制造工艺中作为牺牲层材料应用。为实现牺牲层释放工艺，采用反应离子刻蚀（RIE）、氢氧化钾（KOH）湿刻蚀和各向同性干法刻蚀等多种释放技术。

为了提升太赫兹MEMS执行器的良率和可靠性，可采用化学机械抛光（CMP）工艺来增强梁体平整度，在梁体上引入通孔以加快牺牲层的释放并缓解残余应力。鉴于光刻工艺耗时较长，采用柔性油墨替代传统光刻工艺，从而实现大面积柔性MEMS梁阵列的开发，并推动经济高效的大规模生产。

太赫兹MEMS执行器的应用

太赫兹MEMS执行器的功能实现和性能突破，主要得益于其与多种尖端技术的深度融合。具体而言，核心集成路径可以分为三类：（1）MEMS与超构表面（Metasurface）协同集成，利用MEMS的精确位移控制作为“调谐旋钮”，通过直接重构超构表面的超构单元的几何布局或调制其与衬底之间的亚波长空气间隙，实现电磁波前动态编程。（2）MEMS与功能材料融合集成，将响应外部场的功能材料（如VO₂、石墨烯或异质双材料梁等相变材料）作为MEMS结构内的核心驱动或传感元件。（3）MEMS与传输线集成，将MEMS执行器作为核心控制单元直接嵌入太赫兹传输线或辐射结构中。总之，这些集成策略共同推动了太赫兹MEMS技术从单一驱动元件向具备感知、计算和通信能力的智能微系统发展（如图3）。

太赫兹MEMS执行器与超构器件、功能材料以及传输线集成策略示意图

图3 太赫兹MEMS执行器与超构器件、功能材料以及传输线集成策略示意图

太赫兹执行器在传感领域的应用

MEMS执行器在太赫兹传感中的效能，本质上取决于其将环境因素变化转化为物理特性或电气特性的可测量变化的能力。太赫兹波对各类物质的分子振动和旋转能态具有敏感性，这使其在传感领域具有明显优势。然而，太赫兹传感技术的发展受限于缺乏能在环境温度下稳定运行的可靠探测器。

太赫兹传感应用

图4 太赫兹传感应用

太赫兹执行器在频率与偏振调谐领域的应用

除了传感应用之外，MEMS执行器的太赫兹波吸收能力可用于太赫兹通信中的空间滤波。此外，改变MEMS执行器的机械状态可实现对太赫兹波偏振响应的动态控制，从而实现偏振调谐。频率调谐和偏振调谐通常同步发生；通过特殊设计可实现二者耦合调控，在特定工作频率下对目标偏振态进行谐振激励。

太赫兹频率与偏振调谐应用

图5 太赫兹频率与偏振调谐应用

太赫兹执行器在波束成形领域的应用

太赫兹波束成形技术是通过在指定方向上选择性地传输和接收信号，从而显著提升了通信系统的信号质量与抗干扰能力，使其成为下一代网络的关键技术。太赫兹MEMS射频元件的集成对于实现波束成形和相控阵天线系统的运行至关重要。太赫兹MEMS移相器的研究日益聚焦于波导技术的集成。MEMS执行器与超构材料技术的集成有望实现高效的太赫兹波束转向，并在大偏转角度下保持高调制深度，从而为未来先进微系统奠定基础。

太赫兹波束成形应用

图6 太赫兹波束成形应用

太赫兹执行器在逻辑运算领域的应用

MEMS可重构超构表面为实现片上逻辑运算及保障太赫兹频段安全通信开辟了全新途径。通过将MEMS驱动机制与超构材料集成，研究人员能够精确调控电磁场的振幅、相位、偏振及谐振频率。这项突破使得开发能够执行数字逻辑运算、编码光电信号并动态重构功能的片上系统（SoC）成为可能。这些创新不仅突破了传统无源超构材料的局限，而且为高速率、多通道数据处理、安全加密通信以及新一代智能太赫兹系统的进步奠定了技术支撑。

太赫兹逻辑运算应用