中國電子科技集團公司第五十四研究所 姜海玲

1.引言

RF MEMS 器件與傳統(tǒng)的射頻元器件相比，具有低插損、線性、寬帶、低功耗、體積小等優(yōu)點。目前，國際上已經(jīng)對RF MEMS器件進行了二十多年的研究，技術(shù)和工藝相對成熟，開關(guān)等成熟的產(chǎn)品已推向市場。國內(nèi)從90年代以來，也開展了十幾年的研究，然而，開關(guān)和濾波器等可動RF MEMS產(chǎn)品一直處于樣品和實驗室階段。

許多資料和文獻展示了RF MEMS器件的廣闊的應(yīng)用場合和前景，然而，RF MEMS器件的實際工程應(yīng)用現(xiàn)狀與報道中指出的前景還有很大的差距。至今，RF MEMS器件在國內(nèi)的應(yīng)用范圍很少，幾乎沒有具體的應(yīng)用實例，本文通過對RF MEMS器件應(yīng)用的特性分析，淺談具體應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)。

2.射頻性能

RF-MEMS應(yīng)用的射頻性能最引人注目的優(yōu)點即是損耗小，此前的文獻[1，2]中有詳細的對比，將不同形式的開關(guān)特性比較如表1所示。

根據(jù)表1的損耗結(jié)果，在頻率為70GHz時，RF MEMS開關(guān)的損耗僅0.25dB，如此優(yōu)良的射頻指標在微波射頻領(lǐng)域曾一度引起轟動，然而該指標的實際應(yīng)用卻讓微波設(shè)計師們可望而不可及，表1的指標對比是建立在RF MEMS開關(guān)理論值的基礎(chǔ)上，給出的損耗指標是凈化間或?qū)嶒炇业臏y試或推算結(jié)果，與實際產(chǎn)品的工程使用還有很遠的距離。

表1 不同類型開關(guān)特性的比較

由于RF MEMS產(chǎn)品容易受周圍環(huán)境的影響，RF MEMS產(chǎn)品都必須經(jīng)過氣密封裝才能長期可靠工作，所以制約RF MEMS開關(guān)工程應(yīng)用的挑戰(zhàn)之一即是要考慮封裝帶來的射頻性能的惡化。

2.1 封裝的必要性

RF MEMS開關(guān)的立體三維結(jié)構(gòu)示意圖可以參照如圖1所示的封裝內(nèi)部。裸露的RF MEMS開關(guān)芯片只能應(yīng)用在空氣凈化的試驗室中。因為空氣中的灰塵和水氣，以及潮濕等因素的影響，足以使開關(guān)的梁污染，造成下拉時梁的損壞或者回復(fù)斷開時梁的失效，從而導(dǎo)致開關(guān)的壽命降低，在工程中的應(yīng)用也必然大打折扣。

另外，由于RF MEMS開關(guān)是一種易損的MEMS器件，具有可動的梁的部件，因此需要機械支撐來保護開關(guān)在運輸、存儲和工作時，避免熱、機械沖擊、振動、高的加速度、灰塵以及其它物理環(huán)境的破壞等。

封裝的RF MEMS開關(guān)才能長期可靠的工作，封裝外殼是RF MEMS開關(guān)與系統(tǒng)或外界的主要接口，外殼必須能夠完成電源和射頻信號與外界的電連接。因此RF MEMS開關(guān)的性能很大程度上取決于它的封裝質(zhì)量，考慮封裝帶來的射頻影響，RF MEMS開關(guān)的低損耗優(yōu)勢就不那么顯著了。

這是一直以來困擾著RF-MEMS工程師的棘手問題，也是國內(nèi)RF-MEMS發(fā)展比較緩慢的原因之一，這成為RF MEMS工程應(yīng)用中的瓶頸。

2.2 圓片級封裝

國外MEMS開關(guān)最典型的封裝形式為圓片級封裝，如圖1所示。圓片級封裝是指RF MEMS開關(guān)的封裝是在圓片階段完成的，封裝后才劃片分割。圓片級封裝中廣泛應(yīng)用陽極鍵合技術(shù)，可將硅與玻璃、金屬及合金在靜電作用下鍵合。然而對鍵合位置的誤差和表面的粗糙度方面要求較高。

布氣管上部填充加強型活性生物土壤濾料，生物濾池表面種植草坪，每套生物土壤濾池安裝1套草坪噴灑系統(tǒng)，用于草坪養(yǎng)護。草坪噴灑水系統(tǒng)包括噴灑頭、電磁閥、噴灑時間控制器和PPR管及元件。日常運行中可根據(jù)季節(jié)、天氣等狀況，修改設(shè)定草坪噴水頻次和時長。

圓片級封裝對靈敏易碎的RFMEMS開關(guān)進行特殊保護，使其免受有害工作介質(zhì)和潮氣侵蝕，不受或少受其他無關(guān)因素的干擾，在劃片前，完成MEMS芯片與基座（或管殼）的焊接和鍵合。

圖1 圓片級封裝

2.3 圓片級封裝后的射頻性能

圓片級封裝是RF MEMS開關(guān)的典型封裝，相關(guān)的成熟產(chǎn)品也已經(jīng)推向市場，以Radant MEMS公司的開關(guān)產(chǎn)品為例，比較封裝過后的RF-MEMS開關(guān)與macom公司的PIN單片開關(guān)的技術(shù)指標對比如表2所示。當然采用不同的設(shè)計形式，其他指標如隔離度和功率承受能力等也是不同的，此處僅比較損耗的性能。

表2 二選一開關(guān)的性能比較

PIN HMIC形式的開關(guān)可以直接裸片的形式貼片焊接使用，與MEMS的立體結(jié)構(gòu)相比，HMIC芯片畢竟只是二維平面結(jié)構(gòu)，芯片的表面有一層薄膜，有一定的防護作用，可以直接使用。當然，在環(huán)境苛刻的要求條件下，芯片組成功能模塊部件后，整體可以氣密密封。

由表2看來，封裝后RF-MEMS開關(guān)的損耗指標已經(jīng)不具備表1中所列的明顯優(yōu)勢了。

2.4 單片級封裝的優(yōu)勢

獨立的MEMS的開關(guān)、開關(guān)電容和可調(diào)電容等較小的器件可以采用圓片級的封裝方式。較大的RF MEMS濾波器、移相器和可調(diào)匹配網(wǎng)絡(luò)等最好采用單片級的封裝方式。單片級封裝用于圓片劃片后，使用預(yù)置陶瓷的方式進行氣密腔的密封，通過焊接、鍵合和堵塞的方式達到密封和射頻引出的作用。如圖3所示。

封裝的布局可以往功能模塊的方式發(fā)展，對于多功能模塊可以多級集成，凈化間里裝配調(diào)試組件，然后整體外封，這也是一種單片級的封裝方式。單片全集成級封裝要對一個集成在同一襯底上的微結(jié)構(gòu)和微電路進行密封，使之成為一個可供應(yīng)用的完整系統(tǒng)產(chǎn)品，尺寸小，內(nèi)部互連長度短，電氣特性好，輸出／人接點密度高，是集成度高的MEMS封裝發(fā)展的較理想方案，可以定義成SIP（System In a Package系統(tǒng)級封裝）。

圖3 單片級封裝

3.使用壽命

RF MEMS開關(guān)是機械開關(guān)，常常會出現(xiàn)的失效問題有：梁結(jié)構(gòu)斷裂、薄膜結(jié)構(gòu)的磨損、可動結(jié)構(gòu)工作性能下降或失效等。導(dǎo)致開關(guān)失效的因素也很復(fù)雜，包括電壓、電流、電荷、介質(zhì)層、高溫、輻射、振動、沖擊、惡劣環(huán)境等因素。

3.1 不用的使用條件決定不同的使用壽命

RF-MEMS開關(guān)的使用壽命一直不容樂觀，隨著技術(shù)的進步，開關(guān)的切換次數(shù)逐步提高，根據(jù)表1中所列，RF-MEMS開關(guān)的使用次數(shù)可以達到108次數(shù)以上。然而詳細分析該參數(shù)的測試方法，就可以發(fā)現(xiàn)該切換次數(shù)的達到是有前提條件的。

根據(jù)表3的結(jié)果，在冷切換的情況下，RF-MEMS開關(guān)的使用壽命可以達到109次的切換次數(shù)；然而在熱切換的條件下，隨著信號功率的增大，使用壽命大打折扣，當信號功率為0.1w（20dBm）時，開關(guān)的壽命即變?yōu)?03次。

作為技術(shù)指標，如果在最大信號電平下采用冷切換而非熱切換，那么開關(guān)壽命將會從103次開關(guān)次數(shù)延長至1011次開關(guān)次數(shù)。

RF-MEMS開關(guān)以低損耗的優(yōu)勢，主要應(yīng)用前景定位在射頻前端，定位在多射頻信號通路的切換中，那究竟屬于冷切換還是熱切換呢？詳細探討一下冷切換和熱切換的概念。

3.2 冷切換和熱切換

術(shù)語“冷切換”表示開關(guān)是在為施加電壓時被觸動的，因此當開關(guān)閉合時沒有電流通過，在開關(guān)開路時也沒有電流被中斷。而在進行“熱切換”時，有電壓存在，在觸點閉合的瞬間將有電流通過，當開關(guān)開路時，該電流將被中斷，并且可能會引起電弧。

簡單來理解：開關(guān)切換時有無電流(current)通過來表征熱切換還是冷切換。

射頻領(lǐng)域冷切換和熱切換中的表征參數(shù)定義為信號(signal)，也即開關(guān)切換動作的瞬間有無信號通過來對應(yīng)熱切換或冷切換。定義中的信號就是射頻信號。

冷切換時信號需要外加切斷裝置，信號斷開時，開關(guān)才能動作。信號與開關(guān)動作之間的時間間隔需滿足圖2所示的條件[3]。RFMEMS開關(guān)斷開要落后于信號斷開至少1uS，開關(guān)閉合完畢后至少5uS以后，才能夠允許信號通過。滿足這樣的條件下，才屬于冷切換，然后再考察功率容量和切換壽命的對應(yīng)關(guān)系。

在接收偵察系統(tǒng)中，由于外界的未知信號一直隨機的存在，并且通用的廣播和其他電臺信號電平都比較大，開關(guān)的應(yīng)用場合處于熱切換的場合，所以應(yīng)用中需要關(guān)注熱切換的壽命指標。需要合理的濾除可能存在的大信號，使RF MEMS開關(guān)處于合理的工作模式，否則，RF MEMS開關(guān)的熱切換次數(shù)遠不能滿足工程的需求。

圖2 冷切換中射頻信號切換方式與開關(guān)的動作時間關(guān)系

3.3 使用壽命延長的方式

首先盡量讓開關(guān)工作在如圖2所示的冷切換狀態(tài)下。在許多沒有辦法冷切換的場合，可以通過合理的設(shè)計盡量使開關(guān)切換時工作在較低的信號電平上。

在偵收系統(tǒng)中，為了使RFMEMS開關(guān)工作在較小信號的熱切換狀態(tài)，可以按圖2所示的時間要求，在開關(guān)的動作5uS之前，給射頻前端的低噪聲放大器斷電，這樣可以有效的降低信號的通過功率，從而延長開關(guān)的使用壽命。

RF-MEMS開關(guān)的切換時間一般在20uS左右，考慮上述預(yù)置的5uS斷電時間，以及控制電路的反應(yīng)時間，因此，可以計算系統(tǒng)總切換時間在30uS以內(nèi)。

當然，隨著工藝的進步，開關(guān)的熱切換次數(shù)也在不斷的延長。據(jù)報道[4]EADS的標準RF-MEMS開關(guān)在信號頻率為14GHz，信號功率為9.8W的熱切換的模式下，開關(guān)的切換次數(shù)已經(jīng)達到105次。

表3 RF MEMS開關(guān)使用壽命的限制條件

4.結(jié)束語

RF-MEMS開關(guān)最引人注目的優(yōu)點在于射頻性能，這也是把MEMS技術(shù)應(yīng)用到射頻領(lǐng)域的主要原因。然而，RF-MEMS開關(guān)的封裝技術(shù)對射頻性能有不可忽視的惡化，導(dǎo)致工程應(yīng)用中受阻。單片級的封裝對功能化模塊來講，具有集成和性能雙方面的優(yōu)勢，有助于進一步促進RF-MEMS開關(guān)的技術(shù)應(yīng)用。

RF-MEMS開關(guān)切換次數(shù)總有一定的限制，為了更好的滿足系統(tǒng)對使用壽命的需求，在不可避免的熱切換方式下，通過合理的設(shè)計和整體的系統(tǒng)控制，盡量讓RF-MEMS開關(guān)工作在較低的熱切換功率下，從而延長其使用壽命。

目前，基于現(xiàn)有的條件，改進設(shè)計和應(yīng)用方案，揚長避短的盡量發(fā)揮RF-MEMS開關(guān)的優(yōu)勢，對推動RF-MEMS開關(guān)在系統(tǒng)中的應(yīng)用具有重要的作用。

[1]Koen Van Caekenberghe.RF MEMS on the radar[J].IEEE microwave magazine,2009(9):99-116.

[2]Rebeiz,G.M.,Muldavin,J.B.,RF MEMS switches and switch circuits[J].IEEE microwave magazine,2001(12):59-71.

[3]Application note for test and handling of SPST RF-MEMS Switches[S].2010.

[4]V.Ziegler,W.Gautier,A.Stehle,B.Schoenlinner,U.Prechtel.Challenges and opportunities for RF-MEMS in aeronautics and space-The EADS perspective[S].SiRF 2010:200-203.