法國Yole Development公司於2004年6月的預測，全球微機電市場規模於2005年將達54億美元。結合現有IC產品及新的MEMS產品邁向系統整合晶片(System on a Chip, SoC)，已成為最新努力目標...
法國Yole Development公司於2004年6月的預測，全球微機電市場規模於2005年將達54億美元。結合現有IC產品及新的MEMS產品邁向系統整合晶片(System on a Chip, SoC)，已成為最新努力目標。以目前微機電發展最成功之感測器為例，最新趨勢為與偵測電路整合之單體元件，但是仍多屬準系統元件。此外微機電技術已逐漸應用至許多領域，例如生物科技及通訊領域，成為enabling technology。
其中頗被看好可邁向系統整合晶片的是無線通訊產品的整合，這也將是本文介紹重點。
微機電(Micro ElectroMechaical System, MEMS)主要是使用現有半導體製程技術，及特有的面型(surface)微細加工與體型(bulk)微細加工技術，將微機械結構及電子電路整合製作在單一矽晶片之上，以充分利用矽的絕佳機械及電子特性。除了可大幅縮小(次)系統體積及提昇效能，同時亦可利用批次生產特性來降低生產成本。
RF MEMS的發展對於移動通訊產品，特別是手機，可望帶來新的優勢。目前手機用RF晶片的整合度頗高，但是仍有部份組件因製程與使用之材料特性不同，無法被整合於矽基IC晶片內，故體積與成本較難持續下降。而且利用現有元件組成之系統在高頻領域上也有發展上的限制。
目前半導體業者除了積極發展適合高頻用矽基晶片及整合各式主動元件，也嘗試以CMOS技術製作高Q值被動元件，但是受限於半導體平面製程，結果仍不甚理想。另外，傳統被動元件廠商則朝模組整合發展，希望仍能延續其產品商機。展望未來，整合之趨勢不變，但難度越來越高。而目前採微機電技術所製作之被動元件，不但可以提供與傳統分離式元件差不多甚至更佳性能，且具有與半導體相似之製作技術，未來如能結合微電子及微機電技術來製作系統單晶片，不但可以提供更好之性能（如減少寄生效應）及節省能源，且因同採批次生產將可有效地降低成本。
許多RF MEMS發展廠商目前著眼於第三代行動通訊用的手機產品上。第三代手機藉由高頻傳輸、較大頻寬，可以提供更多的服務與內容以吸引使用者創造更高附加價值。但在產品尺寸、成本、省電等項目上，必須與現有產品相類似，就目前技術而言，仍無法達到理想地步，故許多廠商希望藉由RF MEMS技術與各項元件的發展獲得良好成果。
同時採微機電技術所製作之晶片具有體積小、價格低及性能佳等特性，將可促成如軟體無線電(Software Radio)等理想早日實現，未來更可能發展出新的系統架構。目前歐洲、美國甚至韓國的通信大廠等皆投入研發而有不錯之成果，顯見此技術未來之重要性。目前以微機電技術為基礎的產品開發，以安捷倫的薄膜體聲波濾波器最為著名，目前已大量供貨1.9GHz CDMA手機使用之雙工器。另外除了Magfusion的電磁驅動微機械式切換器宣佈問世，意法半導體公司也發佈利用微機電技術與標準CMOS技術整合而成之高性能射頻切換器。Radant MEMS更是號稱其切換器操作次數已超過1011次，已取得美國國防部大量經費支持。
目前RF MEMS雖然有許多廠商競相發展，但除薄膜體聲波濾波器有安捷倫等廠商將其商業化發展外，許多RF MEMS元件仍在驗證測試階段，技術與產品發展上並未成熟。但未來在手機上的應用潛力甚大，根據In-Stat/MDR顧問公司做的調查顯示，2003年 RF MEMS全球市場規模約為3600萬美元，至2007年時可達2.3億美元，2003～2007年間RF MEMS元件出貨數量複合平均成長率高達148.5%，金額別成長率達54.9%，市場成長速度超過其他應用領域。如果根據WTC研究，到2006年，射頻微機電市場預期更可達到10億美元。
無線通訊系統中，RF功能通常與其他功能在實體上分離，RF發射與接收一般是由不同的IC來實現。為減少系統尺寸並降低成本，人們不斷探索將RF與系統其他功能整合的方法。RF元件本身還有其他整合發展趨勢。這些不同的發展趨勢是因為不同系統需要不同的技術來實現所需要的RF功能。例如，在接收訊號傳遞到低雜訊放大器(LNA)之前，有些系統要求對訊號進行有效濾波，這通常採用表面聲波(SAW)濾波器來接收訊號濾波，但這些濾波器都不能整合在接收器IC 中。而低頻和高頻RF無線系統的整合也具有差異性，一般低頻和高頻之過渡頻率在2～5GHz之間，並取決於系統特性，例如發射器輸出功率和接收器靈敏度。
由於工作在高頻段的發射器較少，因此高頻率系統(>2.4GHz)可以實現高頻寬和適中的接收器選擇特性。同樣，接收器的訊息訊噪比(S/N)很高，因而發射器的輸出功率可以較低。例如，802.11b在2.4GHz時具有11Mbps的頻寬，802.11a在5GHz下可以高達54Mbps。
在高頻段，由於CMOS製程能實現的頻寬高於雙載子(Bipolar)製程，因而是RF電路首選製程。如果選擇CMOS製程，標準數位CMOS將是發展趨勢，由於這些數位CMOS本身已經採用了多層光罩製程且將佔據最大的晶片面積，因此主要的成本將產生在這些數位功能部份。故通常RF-CMOS不會與數位 CMOS整合在同一個晶片上。
在低頻段最重要的系統是蜂巢式通訊系統，其具有嚴格的性能和成本等要求，所使用的零組件種類很多。其RF功能整合的重點在於被動元件的整合。蜂巢式系統的接收器端需要高靈敏度和選擇性，一般採用表面聲波接收濾波器來實現選擇性；實現大的訊息訊噪比低雜訊放大器可整合在單晶片收發器IC上。同時，多頻帶系統整合也在不斷發展。早期射頻半導體幾乎全部都是分離式元件，後來逐漸整合成積體電路，而在不同部分中還包含許多的主動元件、被動元件、功能元件與機構元件等。
隨著設計架構的改變與元件數降低以提升性能及降低成本的需求，手機內部所使用的元件逐步朝向集積化與模組化發展，使得手機內部元件用量(含離散元件與IC)，逐漸由早期類比手機的500多顆，大幅減少至不到100顆的用量。
隨著直接轉換(Direct Conversion)技術發展成熟，射頻頻率已可直接降為基頻，中頻元件已可省卻，大幅降低晶片成本與空間，達到零中頻的目標。以目前採用直接轉換架構設計的GSM手機為例，逐漸形成由射頻收發器、功率放大器、基頻、應用處理器、記憶體等幾顆IC所組成的晶片組架構，未來再逐漸加入RF MEMS元件後，零組件數量不但可以再減少，各項功能及特性可以再次提升。
如前所述，目前微機電技術在無線通信領域方面已逐漸受到重視(可取代元件，參見圖1)，尤其是微機電的整合能力將使得無信通信系統成為單一晶片的可能性大增。如果我們重新檢視以往通信系統使用的被動元件，我們可以發現，機械原理是部分重要元件的主要運作方式，例如早期低頻常用的機械式濾波器就是利用機械的共振原理。
能源損耗、整合能力及所需體積將是未來系統廠商選擇零組件時之主要考慮。檢視現有之技術，似乎無一能夠滿足上述所有需求。但是如果我們思考微機電技術之特性，答案可能已呼之欲出。以微機電技術製作之微機械式切換器為例，我們發現它可以的優點包含可微小化(可小於100x100mm2)。
由於是被動元件而非以往電子式微切換器採主動方式製作被動元件，能源耗損上大為改善(手機中，PIN二極體微切換器中所需偏壓電流是主要能源耗損主要因素之一)；具有與IC製程相容之可能性；由於採機械式結構，介入損失(在40GHz可小於0.2dB)及隔絕性表現皆較電子式為佳；目前信號操作頻率可從 DC到100GHz遠較電子式為佳；也由於機械結構無半導體接面，因此可以降低元件之I-V的非線性化及功率承受，不會產生相互調變之非線性現象。
當然，微機電技術製作之元件也並非全然完美，以微機械式切換器為例，其壽命（約可達1,010 cycles）及操作速度（最快約5s）皆遠較電子式為差，使用時必須特別注意。
另外，可整合其他功能，亦是微機電技術吸引人之處，例如Infineon就打算將麥克風及指紋辨識等功能，以微機電技術整合至其未來無線通訊終端，當然這些附加功能也會增加其系統複雜性及功率耗損。歐洲(Nexus)目前對微機電技術在手機方面的相關應用規劃如表1所列。
在動作速度上與半導體方式比較仍然嫌慢(如微切換器等)；受到材料與製作方式的限制，產品在使用壽命與可靠度上仍有待加強(特別在power handling上的應用)；各項設計與測試技術上經驗不足，如果在產品可靠度上無法超越傳統零組件，將無法被大量應用。另外構裝成本降低亦是發展重點。
RF MEMS元件須與其他元件共同整合成為模組或是大量使用，才能發揮被期待之效果，例如封裝上的整合成SIP(System in Package)形態，或與其他IC整合為SoC形態，如此才能增加RF MEMS元件之附加價值，利於與現有元件競爭。目前RF MEMS元件大都仍在單一元件的發展階段中，距離整合性產品且能被大量應用之理想仍有相當時間。
就RF MEMS應用的途徑而言，以手機為例，首先去取代現有手機晶片組以外獨立的元件，第2步再將RF MEMS元件整合在晶片組內，以求提升功能降低成本。分別敘述如下：
手機中部份需要高Q值的元件無法被整合於現有IC製程晶片組內，主要包含天線開關、帶通濾波器、T/R開關、RF濾波器、IF濾波器、諧振器等，這些元件或利用砷化鎵材料及製程，或利用石英材料等，可改利用MEMS技術發展之元件逐次加以取代，初期以個別元件為主，下一階段再將不同元件整合。除上述元件外，傳輸線、微天線、MEMS電感等也將逐步被發展應用。
目前手機用主機板上獨立元件數量多，仍佔據主要面積。將各個獨立MEMS元件逐次整合，如在接收器端，將頻道選擇功能之可切換式MEMS濾波器整合為一組；或將可切換型共振器(MEMS resonators)整合為一組；混頻器(mixer-filter)部份也整合成為一組(可節省電力)。
安捷倫(Agilent)科技從2001年Q4推出第一組薄膜體聲波(Film Bulk Accustic Resonator, FBAR)雙工器，面積僅有傳統陶瓷雙工器的10%，至2003年7月宣稱已銷售出1,000萬顆相關產品，安捷倫目前每月出貨量皆有百萬顆以上。
雙工器在CDMA手機中所扮演的角色可說是相當重要，它可以提供同步的雙向語音或數據傳輸。安捷倫第一和第二代FBAR雙工器的高度，分別為2mm與1.4mm，是唯一符合CDMA資料卡高度上限的雙工器。
就效能來說，它提供相較於表面聲波元件更強的電源管理、插入損耗及選擇性等特性。其在PCS FEM 也有整合性產品出現，如圖2所示，其型號AFEM 7731(包含FBAR雙工器及PA)，大小約5x 8mm2，預計於2004第4季量產。
安捷倫也推出適合美國PCS頻帶的FBAR全頻帶發射濾波器，體積僅約3x3mm。其他廠商如Infineon也已推出類似功能體聲波濾波器產品(圖3)。
Infineon也嘗試整合濾波器及低雜訊放大器為單一產品，如圖4所示。其採用Bipolar/BiCMOS製程，目前大小僅約1.4x0.7mm2。但是由於IC與體聲波元件製程差異造成良率不高。同時使用兩種不同金屬亦造成製程成本上沒有太大好處。但是此元件由於超小體積，非常適合作GPS接收器或生物感測器使用。
意法半導體（STMicroelectronics，ST），2003年7月發表採用Above-IC策略，試製成功的MEMS切換器，如圖5所示。產品為三維結構，希望能提高手機的性能，包含因省電而延長的通話時間等。ST以3G手機系統在2GHz頻帶下做的測試顯示，插入損失為0.18dB、隔離度為 57dB。
試製的RF切換器的可動部分為兩端固定之氮化矽橫梁體結構。初期狀態橫梁與作為底板的RF信號線間相距約3μm，此時呈斷路狀態，當給加熱電阻施加2V的電壓後，不同材料間的熱膨脹差別會引起變形，橫樑將與RF信號線上的銅突起物接觸而閉合，一旦閉合後產生1個靜電應力，使橫梁保持在適合位置，並允許加熱電流切斷。這種方式兼有熱驅動帶來的可靠性以及靜電鉗位的低功耗等優點。
據ST表示產品可達到具可靠性、低功耗、低驅動電壓和與IC製程技術相容等特色。在可靠性方面，測試証實反複開關次數可達1億次以上。其他廠商包含Microlab、Radant MEMS、Teravicta等也推出不同樣式之RF MEMS切換器等。
美國密西根大學的無線整合微系統工程中心也於日前宣稱，成功製作單晶片無線收發器所需的最後所需元件。Clark Nguyen教授開發出碟狀的機械共振器，如圖6所示，可以取代一般分離式石英晶體。這種共振器之共振頻率嚴格固定在60MHz。
本文除了介紹了一些可以微機電技術製作較重要的無線通信元件之外，也討論可能之整合趨勢。以目前發展看來，尚有一段長路要走，但是未來不管在能源有效運用、多頻段、多膜態乃至多功能發展趨勢方面整合難度越來越大，但卻是無法避免之需求。
未來如果能夠結合目前台灣在IC設計以及在無線通訊產品的經驗與優勢及早切入，可望在微射頻單晶片設計整合方面領先世界取得龐大商機。