ＭＥＭＳ開關技術的研究與進展

摘 要：開關是信號變換的關鍵元件。隨著MEMS技術的發展，使實現低功耗、隔離度好、工作頻帶寬的MEMS開關成為現實。在MEMS技術的基礎上，分析了MEMS開關技術及其在電路系統中的應用，并著重闡述了射頻MEMS的結構及其相關技術特點。

關鍵詞：MEMS；電源濾波器；電磁兼容;EMI

中圖分類號：TN303 文獻標識碼：A

文章編號：1004373X(2008)0114703

Study and Development of MEMS Switch Technique

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QU Lixin

(Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun，130033，China)

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Abstract：Switch is the key component of signal transition.The MEMS switch of low loss，high isolation and overlarge bandwidth comes true with the development of MEMS technology.The MEMS switch technology and its application is analyzed based on the MEMS technique in the paper.The structure and technique character of RF-MEMS switch are mainly expounded.

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Keywords：MEMS;power filter;electromagnetic compatibility;EMI

20世紀50年代以來微電子技術的巨大成功在許多領域引發了一場微小型化革命，促使了微系統和納系統技術的誕生和蓬勃發展。MEMS屬于多學科交叉的新領域，是融合微電子與精密機械加工的技術，指毫米級下的可控制、可移動微型機電裝置。是集微型機構、傳感器信號處理、控制等功能于一體的，具有信息獲取、處理和執行等多功能的系統。MEMS 的發展正對科學技術和人類生活產生革命性的影響，MEMS開關就是MEMS技術的具體應用。顧名思義，開關就是來控制電路通斷狀況的，高效、快速反應、準確、重復使用頻率、高可靠性是現代電路系統對開關的特殊要求。MEMS 開關的研究始于1979年IBM的K.E.Peterson，隨后經過了二十幾年的發展，由于薄膜的柔軟和變形，MEMS開關始終沒有取得人們預期的成績。隨著通訊頻率的不斷增高，現有的半導體開關因不能滿足頻率的升高而失去開關能力^[1-4]。MEMS開關的出現為高科技電路系統的發展提供了有力的保障，他在各個領域的電路控制方面有廣泛的應用。

1 MEMS及其技術

MEMS(Micro Electro Mechanical Systems，微電子機械系統)始于20 世紀60 年代，加利福尼亞和貝爾實驗室開發出微型硅壓力傳感器，70 年代開發出硅片色譜儀、微型繼電器。70～80 年代利用微機械技術制作出多種微小尺寸的機械零部件。1988年UC-Muller小組制作了硅靜電馬達，1989年NSF召開研討會，提出了“微電子技術應用于電(子)機系統”。微電子機械系統(MEMS)技術是建立在微米/納米技術基礎上的21世紀前沿技術，是指對微米/納米材料進行設計、加工、制造、測量和控制的技術。他可將機械構件、光學系統、驅動部件、電控系統集成為一個整體單元的微型系統。這種微電子機械系統不僅能夠采集、處理與發送信息或指令，還能夠按照所獲取的信息自主地或根據外部的指令采取行動。他用微電子技術和微加工技術(包括硅體微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片鍵合等技術)相結合的制造工藝，制造出各種性能優異、價格低廉、微型化的傳感器、執行器、驅動器和微系統^[1]。微電子機械系統(MEMS)是近年來發展起來的一種新型多學科交叉的技術，該技術將對未來人類生活產生革命性的影響，他涉及機械、電子、化學、物理、光學、生物、材料等多學科。

MEMS 技術的基本特點主要包括：

尺寸在毫米到微米范圍內;

基于硅微加工技術制造;

與微電子芯片類同，可以批量、低成本生產;

MEMS機械一體化代表一切具有能量轉化、傳輸等功能的效應:包括力、熱、聲、光、磁乃至化學、生物等;

MEMS 目標是具有智能化的微系統。

目前對MEMS 的需求產業主要來自于汽車工業、通信網絡信息業、軍事裝備應用、生物醫學工程;而按專業MEMS 分4大類:傳感MEMS技術、生物MEMS技術、光學MEMS技術、射頻MEMS 技術。

2 MEMS開關

2.1 MEMS開關特點

在MEMS開關發明之前，高頻轉換都是由發明于20世紀70年代的機械式或者干簧繼電器來完成的。最近十年，MEMS技術取得了飛速發展，出現了一大批新型傳感器、微機械、微結構和控制元件，有些器件和結構已實現了商業化，而有些即將被推入市場。MEMS技術提高了轉換效率，最早的MEMS開關是Petersen于1979年研制的035 μm厚、金屬包覆的靜電懸臂梁開關。但由于制作工藝的限制，此后的十年里MEMS開關沒有取得太大的進展。直到20世紀90年代，MEMS開關才獲得了巨大發展。1991年，Larson制作了旋轉傳輸線式開關。1995年，Yao采用表面微加工工藝制作懸臂梁開關。1996年，Goldsmith研制出低閾值電壓的膜開關。為了降低開關的閾值電壓，提高開關的開態穩定性和能量處理能力，1998年Pachero設計了螺旋型懸臂式和大激勵極板的MEMS開關結構。

開關是微波信號變換的關鍵元件。和傳統的P-I-N二極管開關及FET 開關相比，由于消除了P-N結和金屬半導體結，MEMS開關具有以下優點:

(1) 減小了歐姆接觸中的接觸電阻和擴散電阻，顯著地降低了器件的歐姆損耗，高電導率金屬膜能以極低的損耗傳輸微波信號；

(2) 消除了由于半導體結引起的I-V非線性，顯著減小了開關的諧波分量和互調分量，并且提高了RF MEMS開關的能量處理能力；

(3) RF MEMS開關靜電驅動僅需極低的瞬態能量，其典型值大約是10 nJ。當然，MEMS開關微秒級的開關速度使他們無法應用于高速領域。

由于沒有非線性，減少了開關諧波分量，提高了開關處理能力。因此，MEMS開關線性度佳、隔離度高;驅動功耗低；工作頻帶寬，截止頻率高(一般大于1 000 GHz)。MEMS開關主要采用靜電驅動，從其在電路中的應用，可分成金屬-金屬接觸的電阻接觸串聯開關和金屬-絕緣-金屬接觸的電容耦合并聯開關^[2-3]。

相對于其他的MEMS器件及系統研究，射頻微電子機械系統(RF MEMS)是近年出現的新研究領域，所謂RF MEMS就是利用MEMS技術制作各種用于無線通訊的射頻器件或系統。RF MEMS包括應用于無線通訊領域的各種無源器件如：高Q值諧振器、濾波器、RF MEMS開關、微型天線以及電感、電容等。

微波開關是微波信號和高頻信號變換的關鍵元件。從電路和系統性能的角度出發，在理想的情況下，要求開關在斷開時阻抗無窮大，閉合時阻抗為零。對于實際狀態下的微波開關，通常采用測量S參數的方法來衡量他們的微波特性，MEMS開關的結構形式和工作原理決定了MEMS開關具有優良的高頻特性。因此，開關的機械特性，例如開關的閾值電壓、共振頻率和開關次數，成為阻礙開關實用化的主要原因。在常用的靜電驅動MEMS開關中，靜電吸引力使梁向下偏移。這種梁的變形可用偏移量d(x)來描述。當梁偏移到某一特定位置，通常在初始間距的1/3～1/2之間，力的平衡被打破，梁迅速地偏移到下極板。我們將使梁偏移到這一特定位置所施加的外部電壓稱為MEMS開關的閾值電壓，閾值電壓的大小不僅和開關的材料參數有關，而且和開關的尺寸和結構形式緊密相關。機械結構的共振頻率決定了開關的最大工作速度^[3，4]。

從本質上來說，MEMS開關是常見的切換開關的微型化。一般而言，MEMS 開關可按照以下3種情況進行分類:射頻電路結構;機械結構;接觸方式。

對于單刀單擲(SPST) 的RF MEMS開關，最常見的電路結構是串聯結構和并聯結構;最常用的機械結構是懸臂梁結構和膜結構;最常用的接觸方式是電容式和電阻式。目前的研究主要集中在懸臂梁結構和膜結構開關上。

MEMS開關存在一些問題妨礙了其發展:

開關速度慢;

驅動電壓高;

粘附和介質擊穿問題;開關壽命較短。

2.2 MEMS開關技術

作為RF MEMS的主要器件之一，RF MEMS開關在微波集成電路(Microwave Monolithic Integrated Circuits，MMICs)中有著廣闊的應用前景。射頻MEMS 技術(RF MEMS) 傳統分法為固定的和可動的兩類，固定的MEMS 器件包括本體微機械加工傳輸線、濾波器和耦合器;可動的MEMS 器件包括開關、調諧器和可變電容。按技術層面又分為:由微機械開關、可變電容器、電感諧振器組成的基本器件層面;有移相器、濾波器、VCO等組成的組件層面;由單片接收機、變波束雷達、相控陣雷達天線組成的應用系統層面。

RF MEMS基本器件分固定的高Q值器件、可移動器件。RF MEMS高Q值器件主要有微加工電感、電容、微加工傳輸線;可動結構主要有可調電容和開關。微加工電感，MEMS工藝主要通過降低器件的襯底損耗，提高Q值，如用體硅工藝技術制作懸空膜片使之傳輸無色散的TEM模;用濕法工藝或薄膜工藝技術將電感做成懸空結構等提高Q值。微加工電容用深刻蝕技術做大、高、深比的槽陣列電容，單位面積是100 nF/mm2，只占一般平面電容的1/3，槽陣列電容可制作的最大值為1 μF。而使用MEMS技術制作的微加工傳輸線具有獨特的優勢，如降低損耗色散的傳輸線下襯介質空腔就是微機械工藝的一種。MEMS諧振器具有Q值高、可用頻帶寬、結構材料靈活、驅動類型多樣化的特點，目前達到的技術水平最高值是大于5 000以上，諧振頻率100 MHz，Michigan大學的蝶片結構諧振器，頻率達到156 MHz，Q值9 400。MEMS諧振器的技術難度在于頻率低，僅為幾十MHz。近來研制的薄膜體聲波諧振器，頻率可以達到15～17 GHz，Q值達到1 000(真空狀態)^[5，6]。

RF MEMS開關是一個極有前途的研究課題，他通常采用電容式、懸臂式或隔膜(旋轉) 結構，具有頻帶寬、插入損耗小、功耗低、線性度好、隔離度高、體積小等優點，比固態開關(FET、二極管)具有更優越的高頻特性，且可與常規CMOS工藝兼容，能與微波電路集成，廣泛用于微波元件和系統、信號路徑、阻抗匹配網絡和可調增益放大器中，是微波、毫米波無線通信系統收、發部件中的關鍵元器件。然而用于無線通信的開關要求在高頻帶中“開”、“關”態阻抗之間具有大的動態范圍，“開”態具有盡可能小的閾值電壓和接觸電阻，“關”態時具有低的寄生耦合電容。國內已有RF MEMS電容式開關的文獻報道，這些開關通常以并聯方式結合在微波電路中。本文描述了在低阻硅襯底上，三明治結構或電鍍金懸臂式RF MEMS開關的設計和制造，他的工作頻段可以從直流到高頻，他與微波電路的結合方式更靈活，既可串聯，也可并聯。本文用有限元分析軟件ANSYS進行開關的電學、力學及耦合特性的模擬，以獲得較低的閾值電壓^[6]。

3 MEMS開關的發展及現狀

表1 給出了傳統半導體開關和近二十多年開發出來的MEMS開關的比較，現在在高頻通訊中大量使用的就是PIN和FET半導體開關，對于這種現有的半導體開關，從表中比較可以看出，隨著頻率的不斷升高，其開關特性越來越低。如FET開關，40~100 GHz頻率段，幾乎失去了開關作用。PIN二極管開關也發生類似的劣化。

與此相反，有實質性狹縫和金屬接點的MEMS開關卻能通過實質性金屬接點的開合，在高頻段維持很高的絕緣指標。這就是機械式開關在高頻通訊中復活并被人們寄予厚望的原因。并且，狹縫機距離的增高，開關的高頻絕緣還可設計得更高。

在日本，歐姆龍公司首先開發上市MEMS開關產品，隨后有日本村田制作所，松下網絡開發本部及日本三菱電機公司都相繼開發了高頻RF MEMS的開關^[7]。

我國在MEMS方面也進行了大量的工作，文獻[2]對懸臂式RF MEMS開關進行了設計和研制。文獻[3]對RF MEMS開關驅動電壓進行了分析和研究。

MEMS開關制造商TeraVicta Technologies公司將推出號稱世界上最快的MEMS開關。這種265 GHz的單極雙擲開關尺寸為325×45×125 mm，適用于數字電視、衛星通信和定向雷達等領域。在此之前，該公司曾在去年推出7 GHz的MEMS開關，用于自動測試設備(ATE)和RF無線領域。

MEMS是使用半導體技術制作三維結構的細微可動元件的技術。Above IC中在CMOS LSI上嵌入有基于MEMS的RF開關，該公司打算將Above IC配備到手機等便攜終端上使用，目的是提高手機的基本性能，其中包括通話時間的延長等。

意法合資的意法半導體(STMicroelec-tronics，ST)目前發表了運用基于MEMS的“Above IC”技術試制成功的RF開關樣品。

參 考 文 獻

［1］金鈴.MEMS技術研究及應用[J].現代雷達，2004，26(12):26-29.

［2］鄭惟彬，黃慶安，李拂曉.微波電路的MEMS開關進展[J].微波學報，2001，17(3):87-93.

［3］張立憲.射頻(RF)MEMS開關的模擬、制備和力學分析[D].北京:中國科學院力學研究所，2003.

［4］孫建海，崔大付，蘇波，等.寬帶RF-MEMS開關驅動電壓的分析研究[J].微納電子技術，2004，41(9):37-40，48.

［5］郭方敏，賴宗聲，朱自強，等.懸臂式RF MEMS開關的設計與研制[J].半導體學報，2003，24(11):1 190-1 195.

［6］喬大勇，苑偉政.RF MEMS開關[J].微納電子技術，2002，39(5):28-30.

［7］景玉鵬，黃欽文，石莎莉，等.日本近年RF MEMS 開關研究的進展[J].電子工業專用設備，2006，35(1):43-45.

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作者簡介 曲利新 男，1966年出生，吉林人，研究員。主要從事電子電路方面的研究。

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文?！?/p>