高速MEMS 開關長時間實時監測系統設計

程亞昊，王志斌，王耀利，景 寧

（1.中北大學 儀器與電子學院，山西太原 030051；2.中北大學微系統集成研究中心，山西太原 030051；3.中北大學信息與通信工程學院，山西太原 030051）

微機電系統(Micro Electro Mechanical System,MEMS)是一種具有體積小[1]、重量輕[2]、功耗低[3]、成本低[4]等特點的新型射頻器件，成為現代電子系統智能化、微型化和輕量化的核心系統之一。基于MEMS技術的射頻開關在相控陣雷達、便攜通信設備、微衛星通信系統、智能化導彈、多頻段相控陣天線等領域發揮著重要應用[5]。射頻MEMS的開關工作狀態對整個系統的運行具有決定性影響，因此，對射頻MEMS開關的工作狀態進行長時間監測具有重要價值。

目前大多數研究機構均采用安捷倫B1500A 半導體參數測試儀和cascade 探針臺對未封裝的射頻MEMS 器件的各種性能參數進行測試[6]。電流不可設置過大，否則會產生不必要的熱量，影響開關壽命[7]。但是電流也不可設置過小，否則雜質污染會影響測試結果[8]。由于金屬的特性，未封裝的裸芯片在進行探針臺直接測試時，測試結果會受環境影響[9]。此外，由于MEMS 器件本身尺寸極小，極易受到所處周圍電磁環境的影響[10]，在測試射頻MEMS 開關的壽命時，目前仍然采用示波器、信號源等設備搭建而成的測試系統，這種方式具有操作復雜、壽命計數不智能等缺點。

針對目前測試射頻MEMS 開關壽命系統設備復雜、不能實時細化監控且器件損壞使得得出數據不正確等問題，文中采用FPGA 經升壓電路輸出高低電壓控制射頻MEMS 開關的電極，高頻信號經過射頻MEMS 開關的輸出信號通過包絡檢波、運算放大器電路后調整為方波，A/D 采集該信號并復原，觀測方波邊沿的上升時間以及方波的占空比，若占空比滿足合理閾值要求則為有效開合。實時監測該信號邊沿并進行存儲，獲取射頻MEMS 開關的工作狀態。

1 總體方案設計

在測試開關壽命時，常用的方法為探針臺直接夾住未封裝的芯片或者通過打線將信號線引出的方式進行測試，使用這種方式測試完成后芯片會有損壞。下拉電極需要高壓來控制開合，需要較多儀器提供高壓條件。測試結果根據示波器沒有波形的時間計算，造成數據誤差比較大。系統分為驅動電路、夾具測試板和測試電路，其中驅動電路由FPGA 主控模塊控制升壓芯片高壓信號驅動射頻MEMS 開關下拉電極；夾具測試板由夾具、ACF(各向異性導電膜)[11]射頻MEMS 開關測試板構成，可以很好地保護芯片，且由于ACF 的各向異性，可以保證芯片與測試板的完全貼合；測試電路由包絡檢波、A/D 轉換、FPGA 和LED 顯示構成。系統的CPU 為EP4CE10 系列的FPGA，總體設計如圖1 所示。

圖1 總體設計設計方案

2 硬件方案設計

系統硬件設計主要由驅動信號產生、夾具測試板以及開關信號監測三部分組成。

2.1 驅動信號產生

驅動電路采用Alter 的EP4CE10E22C8N 芯片作為主控芯片，實現對高壓偏置電路的控制，輸出實現高電壓110 V、偏置55 V 的方波信號。

驅動電路5 V 供電，模塊供電電壓3.3 V、2.5 V和1.2 V，選擇AMS1117 作為電平轉化芯片，該芯片電流最高支持1.6 A，可以滿足所有器件正常工作，PCB 布局需注意電層的劃分。其中的高壓偏置電路采用PWM 升壓轉化器MAX-5026 加上電容和二極管組成一種高壓電路。其中MAX-5026 低噪聲升壓變換器可以低壓產生高壓，具有簡單穩定、40～110 V輸出電壓可調的優點。因該升壓芯片放大通過外部的電容充放電來放大幅值，在控制不放大時，通過控制三極管將電容快速放電有效減短下降時間。驅動電路產生的高壓方波信號滿足了射頻MEMS 開關下拉電極的電壓需求。普通信號源的輸出電壓一般只有5 V，需要放大電壓放大器幅值，才能對射頻MEMS開關進行正常開合。

2.2 夾具測試板

夾具測試板主要由夾具、各向異性導電膜（ACF）和測試板構成，夾具主要為了限定芯片的位置。按壓芯片，使之通過各向異性導電膜充分連接測試板，同時夾具也保護芯片，無需焊接便可以完成測試。利用導電膜僅在垂直方向[12]（z方向）導通的特性，再利用夾具的可按壓過程實現芯片與測試板的互連。ACF 連接圖如圖2 所示。

圖2 ACF連接圖

導電膠夾具各部分關系如下：將夾具通過底座螺絲孔固定于PCB 板上，夾具蓋與夾具底座蓋合，芯片置于芯片限位塊內，扭動固定旋鈕使得按壓塊緩緩下降按壓芯片，以使芯片可以和導電膜緊密接觸。導電膜置于導電膜限位塊內，芯片置于導框內，在按壓芯片與導電膜緊密貼合的同時，導電膜與PCB Pad 也一并實現緊密貼合。

2.3 開關信號監測

測試電路將輸入射頻MEMS 開關的射頻信號通過周期性通斷的MEMS 開關后，變為一調幅信號，二極管包絡檢波器對初期故障以及信噪比較低的故障信號識別能力強。將一段時間長度的高頻信號的峰值點連線，就可以得到上方（高電平）一條線和下方（低電平）一條線。信號經低噪聲集成運放OP37GS放大后，進入采集電路進行采集。高精度數據采集電路選擇ADI 公司生產的AD7865[13]。該芯片可以將模擬信號轉換為14 位數字信號，采用5 V 單電源供電，雙極性輸入。單通道最高吞吐率達350 ksps，44引腳小型PQFP 封裝，轉換速度快，精度高，可滿足小型高精度數據采集系統的要求。該器件包含2.5 V基準電壓源，內部集成時鐘，可并行輸出。

模數轉換時間為2.4 μs，滿足測試要求，供電5 μV，從A/D 中取一次數據時間為20 μs，數據進入FPGA芯片進行處理。控制FPGA 使能驅動射頻MEMS 開關芯片下拉電極以周期10 ms 進行開合開關芯片，經包絡檢波電路輸出后，得到一個周期與下拉電壓控制芯片開合周期一致的方波包絡。由A/D 對該包絡信號進行采樣，完成MEMS 開關每次開合狀態的采集。其中包絡的500 個采樣值理想狀態有250 個“高”值，250 個“低”值，但是在測試過程中開關動作的完成需要一定的時間，而且開關斷開時間少于開關下拉閉合時間，所以500 個采樣值中低電平將略多于高電平。在誤差范圍內，“高”、“低”略偏離250也視為正常通斷，然后計數存儲+1，通過“加3 移位法”[14]，數碼管以十進制進行實時顯示。

3 信號恢復

信號恢復主要包括A/D 轉化控制和信號調理部分。驅動電極模塊使開關下拉電極按占空比50%的頻率進行開閉合，開關輸出信號經過信號調理，然后FPGA 控制A/D 芯片轉化，通過A/D 轉化之后500 個采樣值所構成的波形，實時監測觀測到MEMS 開關電極的工作狀態，并將這500 個數據歸類，數據為小值時，“低”計數加1；數據為大值時，“高”計數加1。“高”“低”計數值相差小于2 時，進行壽命計數值加1，然后數碼管[15-16]顯示；在“高”“低”計數值相差大于2 時，MEMS 芯片開始失效。

AD7865 有四個14 位的通道，因此必須四個通道數據轉換結束后才能進行下一次的數據轉換。CONVST 利 用FPGA 分頻產生的周期為20 μs 的時鐘來控制A/D 數據的轉換功能。BUSY 為A/D 輸出引腳，標志著數據轉換的結束。在數據轉換時，BUSY 輸出一直為高電平，單通道數據轉換時間最小為2.4 μs，四個通道全部轉換完成持續時間為2.4μs×4。數據轉換完成后，在下一個CONVST 信號到來之前，BUSY 輸出一直處于低電平狀態。EOC 是輸出引腳，標志著這個通道的數據轉換結束，若其為低電平，則表示當前該通道轉換完成。因此四個通道數據轉換結束會出現四個EOC 的低電平。讀操作的使能引腳為CS 和RD，兩個信號都為低電平時，14 個輸出引腳不再為高阻態，可以將轉換完成的數據輸入到FPGA 內，四個通道需要完成四個CS 和RD 脈沖，按讀出順序將A/D 轉化出的數據存入FPGA 的DATA 寄存器中的VIN1-VIN4中。A/D 芯片在第一通道的數據轉換完成后，便可直接將數據讀出。FPGA 程序控制采集一個點數據是在A/D 芯片的所有通道的數據轉換結束才完成，即BUSY 電平由高電平變為低電平后，才開始數據的讀取。因為需要將四個通道數據都讀取完成，且必須將數據寄存器選址地址指針重新回到1 通道，即起始位置，需要一個RD 和CS 脈沖歸位保證下一次數據轉換后的數據與所讀的通道數據保持對應。圖3 所示為AD7865 工作的時序圖。

圖3 AD7865時序圖

對AD7865控制時序進行仿真，仿真結果如圖4 所示。在仿真文件中，將A/D 的輸出通道設定為00～11四個通道（AD7865 的四個通道），信號輸入1、2、3、4四個通道，輸出為高兩位通道標號的16 位數據。通過仿真驗證，讀控制時序可以實現其功能。

圖4 AD7865仿真結果圖

4 實驗驗證

4.1 測試平臺

首先將ACF 和夾具固定在測試板上，然后將控制下拉電極模塊、壽命測試模塊連接。將所測的芯片放入夾具中，保證ACF 準確與測試板連接。

4.2 高壓驅動信號驗證

因示波器的量程最大只有50 V，所以將信號放大至50 V，圖5 所示為實現的50 V 方波。對射頻MEMS 器件進行驅動，驅動信號為幅值50 V、頻率100 Hz、占空比50%、偏置25 V 的方波信號。

圖5 50 V方波

因示波器量程的原因，對幅值為110 V 的高壓方波無法測試，因此FPGA 控制持續使能變為110 V 高電平信號，直接用萬用表測試。

4.3 波形重構

在高壓脈沖驅動下，射頻MEMS 開關將反復進行通斷操作，輸入射頻信號經過不斷通斷的MEMS開關，在斷開時，A/D 采集的是一個恒定的值；在閉合時，信號變為射頻信號。經過包絡檢波電路對射頻信號進行濾波，信號變為低頻信號。該信號與開關通斷頻率一致，經過精密運放放大為幅值為1.2 V的信號。

由A/D 采集到的數據可以通過QuartusⅡ中的邏輯分析儀反映射頻MEMS開關的工作狀態，每成功進行一次開關操作，測試系統將對MEMS 開關的開合次數進行存儲計數。圖6 所示為實時監測計數結果。

圖6 實時監測計數

取RMSW101 單刀雙擲開關進行壽命測試，在射頻輸入30 dBm 信號時，開關壽命達到1 億多次。實驗對三個芯片的開合次數進行測試，壽命會有差別，這是因為不同開關的性能不同。圖7 所示為幾個測試開關的壽命測試數碼管顯示圖。

圖7 壽命測試數碼管顯示圖

5 結束語

文中針對射頻MEMS 開關的壽命測試，設計了一個基于FPGA 復原波形計數技術的長時間工作狀態監測系統。利用FPGA 的邏輯特性、ADC 模數轉換以及升壓電路，完成了射頻MEMS 開關重復開合的壽命測試，該系統可以實時監測開關的工作狀態，并將數據進行存儲計數，為開關壽命測試提供了一種具體、細致的數據分析方法，也為壽命測試提供了一種更加簡單的測試方法。