摘 要：開關(guān)是信號(hào)變換的關(guān)鍵元件。隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，使實(shí)現(xiàn)低功耗、隔離度好、工作頻帶寬的MEMS開關(guān)成為現(xiàn)實(shí)。在MEMS技術(shù)的基礎(chǔ)上，分析了MEMS開關(guān)技術(shù)及其在電路系統(tǒng)中的應(yīng)用，并著重闡述了射頻MEMS的結(jié)構(gòu)及其相關(guān)技術(shù)特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：MEMS；電源濾波器；電磁兼容;EMI

中圖分類號(hào)：TN303 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004373X(2008)0114703

Study and Development of MEMS Switch Technique



QU Lixin

(Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun，130033，China)



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.



Keywords：MEMS;power filter;electromagnetic compatibility;EMI

20世紀(jì)50年代以來(lái)微電子技術(shù)的巨大成功在許多領(lǐng)域引發(fā)了一場(chǎng)微小型化革命，促使了微系統(tǒng)和納系統(tǒng)技術(shù)的誕生和蓬勃發(fā)展。MEMS屬于多學(xué)科交叉的新領(lǐng)域，是融合微電子與精密機(jī)械加工的技術(shù)，指毫米級(jí)下的可控制、可移動(dòng)微型機(jī)電裝置。是集微型機(jī)構(gòu)、傳感器信號(hào)處理、控制等功能于一體的，具有信息獲取、處理和執(zhí)行等多功能的系統(tǒng)。MEMS 的發(fā)展正對(duì)科學(xué)技術(shù)和人類生活產(chǎn)生革命性的影響，MEMS開關(guān)就是MEMS技術(shù)的具體應(yīng)用。顧名思義，開關(guān)就是來(lái)控制電路通斷狀況的，高效、快速反應(yīng)、準(zhǔn)確、重復(fù)使用頻率、高可靠性是現(xiàn)代電路系統(tǒng)對(duì)開關(guān)的特殊要求。MEMS 開關(guān)的研究始于1979年IBM的K.E.Peterson，隨后經(jīng)過(guò)了二十幾年的發(fā)展，由于薄膜的柔軟和變形，MEMS開關(guān)始終沒(méi)有取得人們預(yù)期的成績(jī)。隨著通訊頻率的不斷增高，現(xiàn)有的半導(dǎo)體開關(guān)因不能滿足頻率的升高而失去開關(guān)能力^[1-4]。MEMS開關(guān)的出現(xiàn)為高科技電路系統(tǒng)的發(fā)展提供了有力的保障，他在各個(gè)領(lǐng)域的電路控制方面有廣泛的應(yīng)用。

1 MEMS及其技術(shù)

MEMS(Micro Electro Mechanical Systems，微電子機(jī)械系統(tǒng))始于20 世紀(jì)60 年代，加利福尼亞和貝爾實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出微型硅壓力傳感器，70 年代開發(fā)出硅片色譜儀、微型繼電器。70～80 年代利用微機(jī)械技術(shù)制作出多種微小尺寸的機(jī)械零部件。1988年UC-Muller小組制作了硅靜電馬達(dá)，1989年NSF召開研討會(huì)，提出了“微電子技術(shù)應(yīng)用于電(子)機(jī)系統(tǒng)”。微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)是建立在微米/納米技術(shù)基礎(chǔ)上的21世紀(jì)前沿技術(shù)，是指對(duì)微米/納米材料進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工、制造、測(cè)量和控制的技術(shù)。他可將機(jī)械構(gòu)件、光學(xué)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)部件、電控系統(tǒng)集成為一個(gè)整體單元的微型系統(tǒng)。這種微電子機(jī)械系統(tǒng)不僅能夠采集、處理與發(fā)送信息或指令，還能夠按照所獲取的信息自主地或根據(jù)外部的指令采取行動(dòng)。他用微電子技術(shù)和微加工技術(shù)(包括硅體微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片鍵合等技術(shù))相結(jié)合的制造工藝，制造出各種性能優(yōu)異、價(jià)格低廉、微型化的傳感器、執(zhí)行器、驅(qū)動(dòng)器和微系統(tǒng)^[1]。微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型多學(xué)科交叉的技術(shù)，該技術(shù)將對(duì)未來(lái)人類生活產(chǎn)生革命性的影響，他涉及機(jī)械、電子、化學(xué)、物理、光學(xué)、生物、材料等多學(xué)科。

MEMS 技術(shù)的基本特點(diǎn)主要包括：

尺寸在毫米到微米范圍內(nèi);

基于硅微加工技術(shù)制造;

與微電子芯片類同，可以批量、低成本生產(chǎn);

MEMS機(jī)械一體化代表一切具有能量轉(zhuǎn)化、傳輸?shù)裙δ艿男?yīng):包括力、熱、聲、光、磁乃至化學(xué)、生物等;

MEMS 目標(biāo)是具有智能化的微系統(tǒng)。

目前對(duì)MEMS 的需求產(chǎn)業(yè)主要來(lái)自于汽車工業(yè)、通信網(wǎng)絡(luò)信息業(yè)、軍事裝備應(yīng)用、生物醫(yī)學(xué)工程;而按專業(yè)MEMS 分4大類:傳感MEMS技術(shù)、生物MEMS技術(shù)、光學(xué)MEMS技術(shù)、射頻MEMS 技術(shù)。

2 MEMS開關(guān)

2.1 MEMS開關(guān)特點(diǎn)

在MEMS開關(guān)發(fā)明之前，高頻轉(zhuǎn)換都是由發(fā)明于20世紀(jì)70年代的機(jī)械式或者干簧繼電器來(lái)完成的。最近十年，MEMS技術(shù)取得了飛速發(fā)展，出現(xiàn)了一大批新型傳感器、微機(jī)械、微結(jié)構(gòu)和控制元件，有些器件和結(jié)構(gòu)已實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化，而有些即將被推入市場(chǎng)。MEMS技術(shù)提高了轉(zhuǎn)換效率，最早的MEMS開關(guān)是Petersen于1979年研制的035 μm厚、金屬包覆的靜電懸臂梁開關(guān)。但由于制作工藝的限制，此后的十年里MEMS開關(guān)沒(méi)有取得太大的進(jìn)展。直到20世紀(jì)90年代，MEMS開關(guān)才獲得了巨大發(fā)展。1991年，Larson制作了旋轉(zhuǎn)傳輸線式開關(guān)。1995年，Yao采用表面微加工工藝制作懸臂梁開關(guān)。1996年，Goldsmith研制出低閾值電壓的膜開關(guān)。為了降低開關(guān)的閾值電壓，提高開關(guān)的開態(tài)穩(wěn)定性和能量處理能力，1998年P(guān)achero設(shè)計(jì)了螺旋型懸臂式和大激勵(lì)極板的MEMS開關(guān)結(jié)構(gòu)。

開關(guān)是微波信號(hào)變換的關(guān)鍵元件。和傳統(tǒng)的P-I-N二極管開關(guān)及FET 開關(guān)相比，由于消除了P-N結(jié)和金屬半導(dǎo)體結(jié)，MEMS開關(guān)具有以下優(yōu)點(diǎn):

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

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

(3) RF MEMS開關(guān)靜電驅(qū)動(dòng)僅需極低的瞬態(tài)能量，其典型值大約是10 nJ。當(dāng)然，MEMS開關(guān)微秒級(jí)的開關(guān)速度使他們無(wú)法應(yīng)用于高速領(lǐng)域。

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

相對(duì)于其他的MEMS器件及系統(tǒng)研究，射頻微電子機(jī)械系統(tǒng)(RF MEMS)是近年出現(xiàn)的新研究領(lǐng)域，所謂RF MEMS就是利用MEMS技術(shù)制作各種用于無(wú)線通訊的射頻器件或系統(tǒng)。RF MEMS包括應(yīng)用于無(wú)線通訊領(lǐng)域的各種無(wú)源器件如：高Q值諧振器、濾波器、RF MEMS開關(guān)、微型天線以及電感、電容等。

微波開關(guān)是微波信號(hào)和高頻信號(hào)變換的關(guān)鍵元件。從電路和系統(tǒng)性能的角度出發(fā)，在理想的情況下，要求開關(guān)在斷開時(shí)阻抗無(wú)窮大，閉合時(shí)阻抗為零。對(duì)于實(shí)際狀態(tài)下的微波開關(guān)，通常采用測(cè)量S參數(shù)的方法來(lái)衡量他們的微波特性，MEMS開關(guān)的結(jié)構(gòu)形式和工作原理決定了MEMS開關(guān)具有優(yōu)良的高頻特性。因此，開關(guān)的機(jī)械特性，例如開關(guān)的閾值電壓、共振頻率和開關(guān)次數(shù)，成為阻礙開關(guān)實(shí)用化的主要原因。在常用的靜電驅(qū)動(dòng)MEMS開關(guān)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(lái)描述。當(dāng)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(guān)的閾值電壓，閾值電壓的大小不僅和開關(guān)的材料參數(shù)有關(guān)，而且和開關(guān)的尺寸和結(jié)構(gòu)形式緊密相關(guān)。機(jī)械結(jié)構(gòu)的共振頻率決定了開關(guān)的最大工作速度^[3，4]。

從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，MEMS開關(guān)是常見(jiàn)的切換開關(guān)的微型化。一般而言，MEMS 開關(guān)可按照以下3種情況進(jìn)行分類:射頻電路結(jié)構(gòu);機(jī)械結(jié)構(gòu);接觸方式。

對(duì)于單刀單擲(SPST) 的RF MEMS開關(guān)，最常見(jiàn)的電路結(jié)構(gòu)是串聯(lián)結(jié)構(gòu)和并聯(lián)結(jié)構(gòu);最常用的機(jī)械結(jié)構(gòu)是懸臂梁結(jié)構(gòu)和膜結(jié)構(gòu);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(jié)構(gòu)和膜結(jié)構(gòu)開關(guān)上。

MEMS開關(guān)存在一些問(wèn)題妨礙了其發(fā)展:

開關(guān)速度慢;

驅(qū)動(dòng)電壓高;

粘附和介質(zhì)擊穿問(wèn)題;開關(guān)壽命較短。

2.2 MEMS開關(guān)技術(shù)

作為RF MEMS的主要器件之一，RF MEMS開關(guān)在微波集成電路(Microwave Monolithic Integrated Circuits，MMICs)中有著廣闊的應(yīng)用前景。射頻MEMS 技術(shù)(RF MEMS) 傳統(tǒng)分法為固定的和可動(dòng)的兩類，固定的MEMS 器件包括本體微機(jī)械加工傳輸線、濾波器和耦合器;可動(dòng)的MEMS 器件包括開關(guān)、調(diào)諧器和可變電容。按技術(shù)層面又分為:由微機(jī)械開關(guān)、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(jī)、變波束雷達(dá)、相控陣?yán)走_(dá)天線組成的應(yīng)用系統(tǒng)層面。

RF MEMS基本器件分固定的高Q值器件、可移動(dòng)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(dòng)結(jié)構(gòu)主要有可調(diào)電容和開關(guān)。微加工電感，MEMS工藝主要通過(guò)降低器件的襯底損耗，提高Q值，如用體硅工藝技術(shù)制作懸空膜片使之傳輸無(wú)色散的TEM模;用濕法工藝或薄膜工藝技術(shù)將電感做成懸空結(jié)構(gòu)等提高Q值。微加工電容用深刻蝕技術(shù)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(shù)制作的微加工傳輸線具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如降低損耗色散的傳輸線下襯介質(zhì)空腔就是微機(jī)械工藝的一種。MEMS諧振器具有Q值高、可用頻帶寬、結(jié)構(gòu)材料靈活、驅(qū)動(dòng)類型多樣化的特點(diǎn)，目前達(dá)到的技術(shù)水平最高值是大于5 000以上，諧振頻率100 MHz，Michigan大學(xué)的蝶片結(jié)構(gòu)諧振器，頻率達(dá)到156 MHz，Q值9 400。MEMS諧振器的技術(shù)難度在于頻率低，僅為幾十MHz。近來(lái)研制的薄膜體聲波諧振器，頻率可以達(dá)到15～17 GHz，Q值達(dá)到1 000(真空狀態(tài))^[5，6]。

RF MEMS開關(guān)是一個(gè)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(zhuǎn)) 結(jié)構(gòu)，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(yōu)點(diǎn)，比固態(tài)開關(guān)(FET、二極管)具有更優(yōu)越的高頻特性，且可與常規(guī)CMOS工藝兼容，能與微波電路集成，廣泛用于微波元件和系統(tǒng)、信號(hào)路徑、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和可調(diào)增益放大器中，是微波、毫米波無(wú)線通信系統(tǒng)收、發(fā)部件中的關(guān)鍵元器件。然而用于無(wú)線通信的開關(guān)要求在高頻帶中“開”、“關(guān)”態(tài)阻抗之間具有大的動(dòng)態(tài)范圍，“開”態(tài)具有盡可能小的閾值電壓和接觸電阻，“關(guān)”態(tài)時(shí)具有低的寄生耦合電容。國(guó)內(nèi)已有RF MEMS電容式開關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道，這些開關(guān)通常以并聯(lián)方式結(jié)合在微波電路中。本文描述了在低阻硅襯底上，三明治結(jié)構(gòu)或電鍍金懸臂式RF MEMS開關(guān)的設(shè)計(jì)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(jié)合方式更靈活，既可串聯(lián)，也可并聯(lián)。本文用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行開關(guān)的電學(xué)、力學(xué)及耦合特性的模擬，以獲得較低的閾值電壓^[6]。

3 MEMS開關(guān)的發(fā)展及現(xiàn)狀

表1 給出了傳統(tǒng)半導(dǎo)體開關(guān)和近二十多年開發(fā)出來(lái)的MEMS開關(guān)的比較，現(xiàn)在在高頻通訊中大量使用的就是PIN和FET半導(dǎo)體開關(guān)，對(duì)于這種現(xiàn)有的半導(dǎo)體開關(guān)，從表中比較可以看出，隨著頻率的不斷升高，其開關(guān)特性越來(lái)越低。如FET開關(guān)，40~100 GHz頻率段，幾乎失去了開關(guān)作用。PIN二極管開關(guān)也發(fā)生類似的劣化。

與此相反，有實(shí)質(zhì)性狹縫和金屬接點(diǎn)的MEMS開關(guān)卻能通過(guò)實(shí)質(zhì)性金屬接點(diǎn)的開合，在高頻段維持很高的絕緣指標(biāo)。這就是機(jī)械式開關(guān)在高頻通訊中復(fù)活并被人們寄予厚望的原因。并且，狹縫機(jī)距離的增高，開關(guān)的高頻絕緣還可設(shè)計(jì)得更高。

在日本，歐姆龍公司首先開發(fā)上市MEMS開關(guān)產(chǎn)品，隨后有日本村田制作所，松下網(wǎng)絡(luò)開發(fā)本部及日本三菱電機(jī)公司都相繼開發(fā)了高頻RF MEMS的開關(guān)^[7]。

我國(guó)在MEMS方面也進(jìn)行了大量的工作，文獻(xiàn)[2]對(duì)懸臂式RF MEMS開關(guān)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研制。文獻(xiàn)[3]對(duì)RF MEMS開關(guān)驅(qū)動(dòng)電壓進(jìn)行了分析和研究。

MEMS開關(guān)制造商TeraVicta Technologies公司將推出號(hào)稱世界上最快的MEMS開關(guān)。這種265 GHz的單極雙擲開關(guān)尺寸為325×45×125 mm，適用于數(shù)字電視、衛(wèi)星通信和定向雷達(dá)等領(lǐng)域。在此之前，該公司曾在去年推出7 GHz的MEMS開關(guān)，用于自動(dòng)測(cè)試設(shè)備(ATE)和RF無(wú)線領(lǐng)域。

MEMS是使用半導(dǎo)體技術(shù)制作三維結(jié)構(gòu)的細(xì)微可動(dòng)元件的技術(shù)。Above IC中在CMOS LSI上嵌入有基于MEMS的RF開關(guān)，該公司打算將Above IC配備到手機(jī)等便攜終端上使用，目的是提高手機(jī)的基本性能，其中包括通話時(shí)間的延長(zhǎng)等。

意法合資的意法半導(dǎo)體(STMicroelec-tronics，ST)目前發(fā)表了運(yùn)用基于MEMS的“Above IC”技術(shù)試制成功的RF開關(guān)樣品。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］金鈴.MEMS技術(shù)研究及應(yīng)用[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2004，26(12):26-29.

［2］鄭惟彬，黃慶安，李拂曉.微波電路的MEMS開關(guān)進(jìn)展[J].微波學(xué)報(bào)，2001，17(3):87-93.

［3］張立憲.射頻(RF)MEMS開關(guān)的模擬、制備和力學(xué)分析[D].北京:中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所，2003.

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

［5］郭方敏，賴宗聲，朱自強(qiáng)，等.懸臂式RF MEMS開關(guān)的設(shè)計(jì)與研制[J].半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，2003，24(11):1 190-1 195.

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

［7］景玉鵬，黃欽文，石莎莉，等.日本近年RF MEMS 開關(guān)研究的進(jìn)展[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2006，35(1):43-45.



作者簡(jiǎn)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(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。”