《電子技術(shù)應(yīng)用》
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發(fā)展中的RF MEMS開關(guān)技術(shù)
2016年電子技術(shù)應(yīng)用第11期
劉 立1,胡 磊1,丑修建1,,2
1.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)重點實驗室,,山西 太原030051; 2.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室,,山西 太原030051
摘要: 從驅(qū)動方式和機(jī)械結(jié)構(gòu)的角度介紹了不同的RF MEMS開關(guān)類型,分析了各類MEMS開關(guān)的性能及優(yōu)缺點,分析了MEMS開關(guān)在制作和發(fā)展中面臨的犧牲層技術(shù),、封裝技術(shù)、可靠性問題等關(guān)鍵技術(shù)和問題,,介紹了MEMS開關(guān)的發(fā)展現(xiàn)狀及其在組件級和系統(tǒng)級的應(yīng)用,,以及對MEMS開關(guān)技術(shù)的展望。
中圖分類號: TN61
文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.11.002
中文引用格式: 劉立,,胡磊,,丑修建. 發(fā)展中的RF MEMS開關(guān)技術(shù)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2016,,42(11):14-17,,21.
英文引用格式: Liu Li,HuLei,,Chou Xiujian. Development of RF MEMS switch technology[J].Application of Electronic Technique,,2016,,42(11):14-17,21.
Development of RF MEMS switch technology
Liu Li1,,Hu Lei1,,Chou Xiujian1,2
1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology,,North University of China,,Taiyuan 030051,China,; 2.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement of Ministry of Education,,Taiyuan 030051,China
Abstract: Introduced different types of MEMS switch from two perspectives:actuation way and mechanical structure, analyzed the performances, advantages and disadvantages of all kinds of MEMS switches, and the key technology in the production of MEMS switch ,the problems faced in the development: sacrificial layer technology, packaging technology and reliability issues. At length, this paper introduced the present situation of MEMS switch ,,the application in component level and system level and the prospect of MEMS switch technology.
Key words : RF MEMS,;switch performance;sacrificial layer,;packaging,;reliability

0 引言

    RF MEMS是MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))與RF(射頻)技術(shù)相結(jié)合的一門新技術(shù), MEMS器件具有體積小,、易集成,、功耗低、可靠性高等優(yōu)點,,可代替?zhèn)鹘y(tǒng)無線通信系統(tǒng)中的半導(dǎo)體器件,。RF MEMS不僅可以以器件的方式應(yīng)用于電路,例如MEMS開關(guān),、MEMS電容,、MEMS諧振器;還可以將單個器件集成到同一芯片組成組件和應(yīng)用系統(tǒng),,例如濾波器,、壓控振蕩器、移相器,、相控陣?yán)走_(dá)天線等,,這大大縮減了傳統(tǒng)器件的體積,降低了功耗,,提升了系統(tǒng)的性能,。RF MEMS開關(guān)作為RF MEMS中的重要器件之一,其性能對微機(jī)電系統(tǒng)的影響日益深遠(yuǎn),。

1 MEMS開關(guān)的分類及現(xiàn)狀

    根據(jù)MEMS開關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)的驅(qū)動方式可將開關(guān)分為靜電驅(qū)動,、電磁驅(qū)動、電熱驅(qū)動和壓電驅(qū)動:(1)靜電驅(qū)動式開關(guān)主要依靠開關(guān)上下極板之間的靜電力來控制開關(guān)的閉合。優(yōu)點:制作簡單,、易集成;缺點:驅(qū)動電壓高,、易受環(huán)境影響,、穩(wěn)定性差。(2)電磁驅(qū)動式開關(guān)利用電流產(chǎn)生的磁場力驅(qū)動可動構(gòu)件來實現(xiàn)開關(guān)通斷,。優(yōu)點:驅(qū)動電壓低,、驅(qū)動力高、不易受環(huán)境影響,、不易被擊穿,;缺點:穩(wěn)定性差、不易控制,。(3)電熱驅(qū)動式開關(guān)利用材料通電產(chǎn)生的熱膨脹效應(yīng)來實現(xiàn)開關(guān)動作,。熱驅(qū)動的優(yōu)點是制作簡單、驅(qū)動電壓低,、接觸力大,、開關(guān)動作幅度大;缺點是開關(guān)時間長,、功耗高,。(4)壓電驅(qū)動的開關(guān)是利用壓電材料通電產(chǎn)生的逆壓電效應(yīng)實現(xiàn)開關(guān)的通斷。優(yōu)點:穩(wěn)定性較強(qiáng),、驅(qū)動電壓低,、功耗低;缺點:技術(shù)尚未成熟,、工藝復(fù)雜,。

    靜電驅(qū)動方式技術(shù)較為成熟,研究最為廣泛,,是目前應(yīng)用最多的驅(qū)動機(jī)制,。根據(jù)開關(guān)接觸方式可分為電容耦合式和歐姆接觸式,根據(jù)開關(guān)接入射頻電路的方式可分為串聯(lián)式和并聯(lián)式,。將上述兩類開關(guān)組合就形成了串聯(lián)電容式,、并聯(lián)電容式、串聯(lián)接觸式,、并聯(lián)接觸式開關(guān),。

1.1 電容式開關(guān)

    電容式MEMS開關(guān)的工藝相對簡單,主要組成部分為可動結(jié)構(gòu),、金屬電極,、信號傳輸線、絕緣介質(zhì)層,。通過機(jī)械運動調(diào)節(jié)可動結(jié)構(gòu)與傳輸線之間的空氣間隙來控制開關(guān)的通斷,,該類開關(guān)主要應(yīng)用于高頻段,,是目前研究較為廣泛的MEMS開關(guān)。

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    (1)串聯(lián)電容式開關(guān)

    串聯(lián)電容式MEMS開關(guān)將電容耦合至傳輸線的輸出端,。未加電壓時,,輸入輸出端的電容很小,信號無法通過耦合電容,,開關(guān)呈“開”態(tài),;當(dāng)加入電壓時,可動結(jié)構(gòu)受到靜電力向輸出端移動,,輸入輸出之間的電容變大,,信號被耦合至輸出端,開關(guān)呈“關(guān)”態(tài),。

    串聯(lián)電容式開關(guān)的研究較少,,侯智昊[1]等利用薄膜沉積中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力使MEMS橋膜向上發(fā)生翹曲,提高了開關(guān)的隔離度,,其插入損耗為-0.88 dB@3 GHz,,在-0.5 dB@6 GHz,隔離度為-33.5 dB@900 MHz,、-24 dB@3 GHz和-20 dB@5 GHz,,適合應(yīng)用于3~5 GHz頻段。

    (2)并聯(lián)電容式開關(guān)

    并聯(lián)電容式開關(guān)是將電容耦合至地線,,工作原理同串聯(lián)電容式開關(guān)相同,,而結(jié)構(gòu)略有不同。當(dāng)不加電壓時,,開關(guān)處于“開”態(tài),,當(dāng)加上驅(qū)動電壓時,金屬膜與絕緣材料形成的電容最大,,高頻信號被耦合至地線,,開關(guān)實現(xiàn)“關(guān)”態(tài)。

    Reytheon公司[2]研制的并聯(lián)開關(guān)已達(dá)世界頂尖水平,,其主要參數(shù)為驅(qū)動電壓30 V,,插入損耗<0.2 dB@30 GHz,隔離度>40 dB@30 GHz,。

1.2 接觸式開關(guān)

    接觸式MEMS開關(guān)是利用金屬—金屬直接接觸來形成信號通路,,在微波傳輸?shù)妮^高頻段,金屬接觸易產(chǎn)生寄生效應(yīng),,故該類開關(guān)常應(yīng)用于低頻段,。開關(guān)的上下極板在外加電壓的驅(qū)動下產(chǎn)生靜電力,使開關(guān)閉合并將信號傳輸線導(dǎo)通;當(dāng)撤除外加電壓,,開關(guān)的上電極板通過自身的機(jī)械回復(fù)力使開關(guān)斷開,。接觸式MEMS開關(guān)一般分為串聯(lián)式和并聯(lián)式,兩種開關(guān)導(dǎo)通原理相同,,區(qū)別在于信號傳輸線的導(dǎo)通方式不同,。

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    (1)串聯(lián)接觸式開關(guān)

    以懸臂式結(jié)構(gòu)的開關(guān)為例,當(dāng)開關(guān)電壓加到驅(qū)動電壓以上時,,開關(guān)上下接觸電極間的靜電力將懸臂梁拉下,信號在地線與信號線之間形成微波通路,,接觸電極以串聯(lián)的形式將信號線導(dǎo)通,。

    Yao[3]采用表面微加工工藝制作了一種單刀單擲接觸串聯(lián)式MEMS開關(guān),該開關(guān)具有很好的工藝兼容性,,驅(qū)動電壓30 V,,開關(guān)壽命也相對延長。隔離度>50 dB@<40 GHz,,插入損耗<0.12 dB@<40 GHz,。

    (2)并聯(lián)接觸式開關(guān)

    接觸并聯(lián)式開關(guān)同接觸串聯(lián)式不同的是,當(dāng)懸臂梁被拉下后,,接觸電極并未將信號通路接通,,而是將信號通路與地線相連,將信號旁路到地線,,這類開關(guān)在小于20 GHz有較好的插入損耗和隔離度,,這類開關(guān)的研究還比較少[4]

    臺灣大學(xué)研制出一種旁路型曲梁歐姆接觸式開關(guān),。開關(guān)的驅(qū)動電壓約為26~30 V,,切換時間約為10 ms,插入損耗為0.5 dB@10 GHz,,隔離度為17 dB@10 GHz,。

2 MEMS開關(guān)的發(fā)展現(xiàn)狀與優(yōu)缺點

    世界上第一個MEMS開關(guān)是由美國IBM的K.E.Peterson[5]研制成功的,受當(dāng)時MEMS加工工藝的限制,,該開關(guān)的性能并不穩(wěn)定,;直到20世紀(jì)90年代,隨著MEMS加工技術(shù)發(fā)展,,MEMS開關(guān)才取得了跨越式的進(jìn)步:如1991年Larson[6]制作的旋轉(zhuǎn)式MEMS開關(guān),1996年Goldsmith[7]等人研制出一種低驅(qū)動電壓電容式MEMS開關(guān),,1998年P(guān)achero[8]設(shè)計的螺旋型懸臂式MEMS開關(guān)結(jié)構(gòu)等,以上各類開關(guān)不同性能都在一定程度上有所提升,。進(jìn)入21世紀(jì)以來,,深入研究RF MEMS開關(guān)的公司、研究機(jī)構(gòu)越來越多,國外的有美國Raytheon公司,、Motorola公司,、麻省理工大學(xué)、哥倫比亞大學(xué),、加州大學(xué)伯克利分校,,韓國三星公司、LG公司,、首爾大學(xué),,日本三菱株式會社、松下公司等,,國外的很多商業(yè)公司對MEMS開關(guān)的研究已進(jìn)入產(chǎn)品化階段,。國內(nèi)的MEMS開關(guān)研究起步較晚,相關(guān)的科研院所有清華大學(xué),、東南大學(xué),、北京郵電大學(xué)、南京電子器件研究所,、石家莊54所等,。

    MEMS開關(guān)與傳統(tǒng)開關(guān)相比具有損耗低、功耗低,、線性度好,、隔離度高、尺寸小,、易集成等優(yōu)勢,,避免了傳統(tǒng)FET、pin開關(guān)由于P-N結(jié)和金屬半導(dǎo)體結(jié)帶來的歐姆損耗,、I-V非線性,,克服了傳統(tǒng)外置分立元件帶來的體積大、功耗大和元件連線帶來的寄生影響,,可代替?zhèn)鹘y(tǒng)半導(dǎo)體器件應(yīng)用于微波系統(tǒng)中,,例如RF MEMS移相器、RF MEMS 智能天線,、T/R模塊,、雷達(dá)預(yù)警、戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)略偵察,、衛(wèi)星組網(wǎng)和制導(dǎo)等軍事領(lǐng)域,,還可應(yīng)用于手機(jī)等移動設(shè)備、消費級電子產(chǎn)品和導(dǎo)航系統(tǒng)等民用領(lǐng)域,。但是MEMS開關(guān)還具有以下的缺點:

    (1)驅(qū)動電壓較高:MEMS開關(guān)需要驅(qū)動機(jī)械結(jié)構(gòu),,故驅(qū)動電壓通常達(dá)到了20~80 V甚至更高,,而普通開關(guān)一般需要3~5 V。降低驅(qū)動電壓是MEMS開關(guān)的研究熱點之一,,通過優(yōu)化開關(guān)結(jié)構(gòu),、材料可以有效降低開關(guān)驅(qū)動電壓。

    (2)可靠性較差:MEMS開關(guān)易受到應(yīng)力,、潮濕,、高溫高壓等內(nèi)外界因素的影響,發(fā)生斷裂,、粘附,、介質(zhì)擊穿等失效現(xiàn)象,導(dǎo)致開關(guān)可靠性降低,,MEMS開關(guān)的壽命很低,,通常只有1~100億次。

    (3)開關(guān)時間長:MEMS開關(guān)的開關(guān)速度很慢,,開關(guān)時間在微秒級,是傳統(tǒng)開關(guān)的1 000倍,。

    (4)環(huán)境要求高:MEMS開關(guān)對于工作環(huán)境的要求較高,,開關(guān)的封裝質(zhì)量對開關(guān)的性能影響很大,封裝的高成本是開關(guān)集成商業(yè)化應(yīng)用的瓶頸,。

    (5)功率處理能力低:處理大功率的射頻信號易導(dǎo)致MEMS開關(guān)失效,,降低開關(guān)的可靠性,這大大限制了MEMS開關(guān)在大功率射頻領(lǐng)域的應(yīng)用,。

3 MEMS開關(guān)技術(shù)主要問題

    根據(jù)MEMS開關(guān)不同的結(jié)構(gòu)和功能,,相應(yīng)會有不同的工藝技術(shù)和問題。一般面臨的主要問題有犧牲層技術(shù),、封裝技術(shù),、可靠性問題等。

3.1 犧牲層技術(shù)

    在制作RF MEMS開關(guān)的過程中,,需要借助犧牲層來實現(xiàn)微橋等懸空結(jié)構(gòu)的制作,。通常的工藝步驟是在傳輸線或下電極上沉積犧牲層,再在犧牲層上沉積所要制作的懸空結(jié)構(gòu),,最后將犧牲層去除,,釋放懸臂、微橋等結(jié)構(gòu),。犧牲層采用的材料主要有正性光刻膠,、聚酰亞胺、SiO2等,,光刻膠和聚酰亞胺做犧牲層的工藝方法類似,,都是經(jīng)過旋涂,、固化、圖形化等步驟,,最后再將犧牲層去除,,兩種材料都可以采用濕法腐蝕和干法刻蝕的方法來去除,光刻膠易溶于丙酮故容易釋放,,但在140 ℃以上的高溫易變性,,變性后的光刻膠用濕法和干法都難以去除,使用對于后續(xù)工藝條件產(chǎn)生很大的限制,;聚酰亞胺穩(wěn)定工作的溫度高于光刻膠,,在230 ℃以下可以用NaOH溶液腐蝕,也可以采用等離子體刻蝕的方法來去除,。SiO2容易生長,,表面相對平整,一般使用HF緩沖液去除,,長時間的浸泡會影響硅片與金屬的黏附性,。犧牲層材料的選取應(yīng)當(dāng)綜合考慮后續(xù)工藝條件及釋放工藝的可行性。

    聚酰亞胺綜合考慮犧牲層技術(shù)與其他工藝的兼容性及釋放的難易來選擇材料及工藝,,在RF MEMS開關(guān)微橋的釋放工藝中,主要采用可溶性的聚酰亞胺作為犧牲層,。去除犧牲層的方法主要有干法刻蝕和濕法腐蝕。

3.2 封裝技術(shù)

    RF MEMS開關(guān)因其本身體積小,、重量輕等原因在工作時極易受到外界振動,、濕度、溫度等環(huán)境的影響,,對MEMS開關(guān)進(jìn)行封裝不僅可以有效隔離外部環(huán)境的影響,,還為實現(xiàn)與外電路及其他部件的溝通搭建了橋梁,為MEMS開關(guān)能夠良好地放置,、固定提供機(jī)械支撐[9],,高質(zhì)量的封裝技術(shù)將會大大提升MEMS開關(guān)的性能。對不同的MEMS開關(guān)設(shè)計不同的封裝技術(shù),,克服封裝條件嚴(yán)苛,、成本昂貴等難題,使其能夠與開關(guān)結(jié)構(gòu)良好兼容,、匹配,,是MEMS開關(guān)器件發(fā)展過程中的重要一環(huán)。MEMS開關(guān)在封裝過程中應(yīng)當(dāng)要解決以下問題:(1)封裝材料的選?。簱?jù)MEMS開關(guān)封裝起到的堅實基底,、實現(xiàn)互連、保護(hù)開關(guān)結(jié)構(gòu)的作用,,分別選取相應(yīng)的材料,。封裝材料的熱膨脹系數(shù),、介電常數(shù)等應(yīng)當(dāng)與開關(guān)材料匹配,避免MEMS開關(guān)由于與封裝材料參數(shù)不兼容產(chǎn)生的脫離,,或內(nèi)部應(yīng)力過大,、介電影響等產(chǎn)生的開關(guān)性能降低。(2)降低封裝環(huán)境的影響:MEMS開關(guān)對于工作環(huán)境的要求很高,,振動,、應(yīng)力、潮濕,、腐蝕,、溫度等都會影響MEMS開關(guān)的正常工作。所以在封裝的過程中應(yīng)當(dāng)采取一定措施來避免上述等因素的介入,,例如降低封裝載荷,、嚴(yán)格控制氣密性封裝氣氛中的濕度、控制封裝環(huán)境的溫度,、壓力等因素,,并進(jìn)行散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計以降低熱環(huán)境產(chǎn)生的開關(guān)結(jié)構(gòu)失效,盡可能地降低封裝對于MEMS開關(guān)性能的影響,。

3.3 可靠性問題

    要加快MEMS開關(guān)的商業(yè)化步伐,,必須提高M(jìn)EMS開關(guān)的可靠性,使其在應(yīng)用系統(tǒng)中壽命更長,、更加可靠。開關(guān)失效主要有開關(guān)本身機(jī)械結(jié)構(gòu)的蠕變,、斷裂,、疲勞,接觸結(jié)構(gòu)的磨損,、粘附,、介電層的損壞,還有外部環(huán)境導(dǎo)致的上述失效,。目前對于MEMS開關(guān)可靠性的研究還處于初級階段,,應(yīng)從結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選取,、工藝設(shè)計等各方面入手來解決可靠性的問題,。對于接觸式MEMS開關(guān)失效主要由接觸材料失效引起,如材料觸點接觸電阻變化,、接觸表面材料的磨損,、遷移,一般來說接觸材料會選擇硬度低的金屬例如Au,,它接觸面積大,,接觸電阻穩(wěn)定,,但也因硬度不高導(dǎo)致結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差,通過摻雜其他金屬離子可以提升金屬作為接觸材料的可靠性[10],。另外通過對MEMS開關(guān)器件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,,盡可能彌補(bǔ)選用材料本身對于器件性能的降低。而對于電容式MEMS開關(guān),,由于介質(zhì)層充電時電荷注入和陷阱存在,,使得累積電荷影響驅(qū)動電壓或發(fā)生粘附作用,彌補(bǔ)這種缺陷可從介質(zhì)材料和驅(qū)動電壓的優(yōu)化方面入手,,可選用陷阱密度低或者能夠自身復(fù)合陷阱電荷的介質(zhì)材料[11]來延長開關(guān)壽命,,選用優(yōu)化的驅(qū)動電壓以降低介質(zhì)層的充電時間[12]或者釋放掉陷阱俘獲的電荷[13],也能夠使得開關(guān)的可靠性得到提升,。

4 MEMS開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用

    MEMS開關(guān)不僅可以單獨應(yīng)用于電路,,也可以組成各類組件和應(yīng)用系統(tǒng)來使用,這不僅可以改善單個開關(guān)的性能,,而且因與其他組件的結(jié)合,,可使MEMS開關(guān)實現(xiàn)更多的功能,這大大拓寬了MEMS開關(guān)的應(yīng)用范圍,。

4.1 RF MEMS移相器

    根據(jù)MEMS開關(guān)不同的特性,,將多個開關(guān)進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)所形成的開關(guān)組往往具有更高的可靠性和性能,例如將電容式開關(guān)并聯(lián)組成開關(guān)組可以提高隔離度[14],。將開關(guān)級聯(lián)可以形成各類移相器,,通過設(shè)計開關(guān)數(shù)量可以改變相移步進(jìn),通過控制開關(guān)通斷來實現(xiàn)相移[15],。

4.2 RF MEMS 濾波器

    隨著通信技術(shù)的發(fā)展,,應(yīng)用于高要求的雷達(dá)、接收器,、混頻器等當(dāng)中的RF MEMS濾波器受到了極大的關(guān)注,,通過利用MEMS開關(guān)控制信號傳輸?shù)耐〝嗫蓪崿F(xiàn)濾波器的模擬和數(shù)字可調(diào)[16-19]

4.3 RF MEMS可調(diào)電容/電感

    MEMS電容/電感具有尺寸小,、Q值高等優(yōu)點,,利用 MEMS開關(guān)的通斷,控制可調(diào)電容/電感機(jī)械結(jié)構(gòu)的運動,,從而實現(xiàn)電容值/電感值的可調(diào)[20-21],。

4.4 系統(tǒng)級可重構(gòu)天線

    可重構(gòu)天線是由天線陣列和MEMS開關(guān)組合形成的,通過控制開關(guān)網(wǎng)絡(luò)可使天線實現(xiàn)不同工作頻帶和不同工作模式的切換[22],,故可重構(gòu)天線可以應(yīng)用對于頻率,、模式需求多樣化的系統(tǒng)中,例如對應(yīng)不同通信模式的自動導(dǎo)航系統(tǒng),、覆蓋不同通信頻率的無線局域網(wǎng)和寬帶電視接收機(jī),。

4.5 微波收發(fā)系統(tǒng)

    微波收發(fā)系統(tǒng)[23]集合了包括MEMS開關(guān)在內(nèi)的多種RF MEMS元件,、組件,形成了由放大器、混頻器,、鎖相環(huán)電路等組成的接收電路,。MEMS接收機(jī)具有高Q值、尺寸小,、易集成等優(yōu)點,。

5 結(jié)語

    RF MEMS開關(guān)極大影響了MEMS的進(jìn)一步發(fā)展,為實現(xiàn)MEMS開關(guān)產(chǎn)品化,、突破MEMS開關(guān)發(fā)展的局限性,,還需解決驅(qū)動電壓、響應(yīng)時間,、封裝質(zhì)量的問題,,對新結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計和仿真,改良工藝方案,,解決封裝和可靠性難題,,是提升MEMS開關(guān)性能的關(guān)鍵。

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