MEMS和MMICs收益未来将凸显
2017-11-02 07:42:51   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

尽管高频MEMS和MMICs的功能完全不同，但两者却是帮助射频（RF）/微波电路设计微型化的关键元器件。

据麦姆斯咨询报道，微型化已使越来越多的电子功能被嵌入口袋大小的设计中，在微机电系统（以下简称MEMS）器件中，即便是机械性能也可嵌入这些设计中。最著名的MEMS器件可能就是微型开关了，尽管将其用作如振荡器等频率源的器件越来越受欢迎。MEMS器件可以像纯粹的电子器件一样被封装在一起，那MEMS器件与如单片微波集成电路（以下简称MMICs）等类似的电子电路究竟有何不同呢？

MEMS与MMICs之间最本质的区别在于：MEMS的设计目的是与运动部件一起工作，就像宏观的机电设备，而MMICs则是为了完全电子化的。MEMS器件正是凭借其机械性能，才能够产生高频谐振（可作为谐振器和振荡器），以及检测振动的功能（如声波在MEMS麦克风之中产生的振动）。

在射频（RF）和微波频率方面，SiTime等公司已建立了基于MEMS技术的振荡器和时钟产品的全面产品组合，此项技术挑战并超过了传统石英晶体温度补偿晶体振荡器（TCXOs）的性能。

凭借制造微型运动部件的能力，RF MEMS的技术是如开关等某些元器件功能的自然选择。诸如美国亚德诺公司（Analog Devices，以下简称ADI）、MEMtronics 集团、Radant MEMS和WiSpry这样的公司，已建立了基于MEMS技术的、可靠的、高性能的射频（RF）/微波开关的强大跟踪记录，此类开关的状态通常是由机械部件的位置决定的，如悬挂式的机械部件。

例如，ADI凭借其在设计和硅集成电路制造方面的丰富经验，将其MEMS开关（如图1）制造于硅（Si）衬底上。微型开关是基于静电驱动悬臂梁开关元件的应用。微型开关关闭时，静电力足以克服悬臂梁的弹簧力，并形成金属与金属接触，从而关闭开关元件的导电通路。

MEMS开关是基于硅晶圆并利用多种方法开发的，包含了可在毫米波频率上进行操作的、利用硅基CMOS半导体工艺生产的MEMS开关，该MEMS开关可用于5G无线通信网络。与晶体管和其它半导体器件一样，MEMS元器件已可在包括砷化镓（GaAs）和氮化镓（GaN）衬底在内的非硅衬底材料上进行制造。

图1 美国ADI公司生产的MEMS开关，是以高电阻硅（Si）为衬底，其技术与制造半导体器件的技术非常相似

MMICs制造

相比之下，MMICs本质上是微型化的射频（RF）和微波电路，其设计和制造使用了诸多不同的半导体工艺及不同程度的集成。MMICs可能有数以千计的、单片式的、有源/无源的电路元件和元器件，衬底只有几平方毫米。

模拟电路的功能可能是有源的（例如：放大），也可能是无源的（例如：衰减），其功能控制是通过施加能量的方法来实现的。MMICs技术允许如接收端前端等系统中高度集成的部分，来利用已经过验证的高频半导体工艺进行大规模生产，例如那些基于SiGe、Si、GaAs和GaN衬底的半导体器件。

在多个MMIC设计中，MMIC电路可与50欧姆输入和输出端口阻抗相匹配，以方便串联。虽然射频（RF）/微波MMICs可从许多供应商中获得单颗芯片，但它们可能更常见于封装形式，以便在使用表面封装技术（SMT）的元器件中，直接将其嵌入印刷电路板（PCB）的设计中。

目前，单颗芯片或封装后的MMIC可取代曾经由一堆离散元器件和匹配元件组成的接收器前端。单颗芯片或封装后的MMIC包含了频率混合器、滤波器、振荡器、放大器和衰减器以及连接器件所需的传输线路。

虽然大多MMIC器件本质上是有源的（例如放大器、接收器和接收器），但此项技术本身也可用于低成本、可重复性高的无源元器件的生产（如滤波器和倍频器）。例如，Custom MMIC公司已成为有源和无源MMIC的可靠供应商，拥有无源MMIC倍频器的生产线。该公司最新样品-CMD226N3倍频器（如图2）可将7GH~11GHz的输入信号转换为14GH~22GHz的输出信号。

CMD226N3倍频器是无源的，信号功率从输入到输出会有损耗，为9dB典型转换损失。由于已将该元器件制作成单颗MMIC，因此也可将其封装于微型QFN型SMT中，以节省电路板空间；同时它的输入和输出端口匹配为50 Ω，省去了在电路板上匹配电路元件或传输线的需求。

相较于有源倍频器的放大率会增加相位噪声，倍频器的无源特性也最大程度减少了系统相位噪声。MMIC倍频器凭借其尺寸小，还可处理相当大功率的输入信号，约0.5 W（+27 dBm），这使其可用于包括商业卫星通信（卫星通信）系统和军用雷达系统在内的各类不同应用中。

图2 CMD226N3倍频器

毫米微波MMICs

MEMS和MMICs均依赖半导体工艺，在不同类型的半导体晶圆上形成小尺寸的器件特性。制造这两类元器件的初衷其实是相同的，即减少执行电路功能的尺寸、重量和成本，MMICs的投资可追溯至通过ARPA（现在已发展为DARPA）建立防御系统的需求，用于高度集成电路，以便嵌入如单人可携带收音机等低功率级别的便携式应用。

MEMS和MMICs的国防和航空航天需求仍然很强大，但是一些新兴商业应用正在为光谱范围内的这两类器件创造需求，这些器件在毫米波区域使用频率较低（与低频率器件相比）。而毫米波雷达器件在汽车防撞系统中使用频率的不断增加，以及批量生产毫米波无线电MMICs和用于5G无线通信网络短距离连接的MEMS开关的预期需要，这些因素均鼓励着MEMS和半导体公司追求高频器件，以满足毫米波元器件大容量需求的预期。

例如，Plextek RFI公司长期致力于GaAs MMIC技术领域的创新，目前正在探索5G系统中有源元器件的可能机会。该公司指出：在全球所有的5G系统中，由于不同的频谱分配由不同监管组织来管理，没有单一的毫米波频带能够满足短距离连接的需要，因此美国联邦通信委员会（FCC）已指定频谱在37 GHz（37.0到38.6 GHz）和39 GHz（38.6到40.0 GHz）作为5G系统的测试频谱。

当然，这些频段通信链路的实践经验是基于此类频率拥有可用元器件来假定的，这意味着诸如GaAs MMIC技术等大规模生产器件技术的发展机会。Plextek RFI公司的设计团队已对包括独立放大器和单个可覆盖两频段的宽带放大器在内的两种频段的设计解决方案进行了研究，但GaAs MMIC作为可切换两个频段的组合放大器，才是小尺寸、高性能和低成本的最佳组合。

可切换的GaAs MMIC放大器芯片是以量产0.15µm GaAs pHEMT工艺制造的，封装方式为SMT兼容的空气腔QFN塑封。这一创新设计只是该公司为5G应用开发的GaAs MMIC器件其中之一，在未来几年，该器件与汽车电子安全系统一起将推动射频（RF）MEMS和射频（RF）/微波MMICs需求的增长。

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