RF MEMS開關(guān)技術(shù)分析

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。

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)。

（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。

（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2080 V甚至更高，而普通開關(guān)一般需要35 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)封裝材料的選取：據(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。