程亞昊，王志斌，王耀利，景 寧

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

微機(jī)電系統(tǒng)(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(diǎn)的新型射頻器件，成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)智能化、微型化和輕量化的核心系統(tǒng)之一?；贛EMS技術(shù)的射頻開關(guān)在相控陣?yán)走_(dá)、便攜通信設(shè)備、微衛(wèi)星通信系統(tǒng)、智能化導(dǎo)彈、多頻段相控陣天線等領(lǐng)域發(fā)揮著重要應(yīng)用[5]。射頻MEMS的開關(guān)工作狀態(tài)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行具有決定性影響，因此，對(duì)射頻MEMS開關(guān)的工作狀態(tài)進(jìn)行長時(shí)間監(jiān)測具有重要價(jià)值。

目前大多數(shù)研究機(jī)構(gòu)均采用安捷倫B1500A 半導(dǎo)體參數(shù)測試儀和cascade 探針臺(tái)對(duì)未封裝的射頻MEMS 器件的各種性能參數(shù)進(jìn)行測試[6]。電流不可設(shè)置過大，否則會(huì)產(chǎn)生不必要的熱量，影響開關(guān)壽命[7]。但是電流也不可設(shè)置過小，否則雜質(zhì)污染會(huì)影響測試結(jié)果[8]。由于金屬的特性，未封裝的裸芯片在進(jìn)行探針臺(tái)直接測試時(shí)，測試結(jié)果會(huì)受環(huán)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(huán)境的影響[10]，在測試射頻MEMS 開關(guān)的壽命時(shí)，目前仍然采用示波器、信號(hào)源等設(shè)備搭建而成的測試系統(tǒng)，這種方式具有操作復(fù)雜、壽命計(jì)數(shù)不智能等缺點(diǎn)。

針對(duì)目前測試射頻MEMS 開關(guān)壽命系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜、不能實(shí)時(shí)細(xì)化監(jiān)控且器件損壞使得得出數(shù)據(jù)不正確等問題，文中采用FPGA 經(jīng)升壓電路輸出高低電壓控制射頻MEMS 開關(guān)的電極，高頻信號(hào)經(jīng)過射頻MEMS 開關(guān)的輸出信號(hào)通過包絡(luò)檢波、運(yùn)算放大器電路后調(diào)整為方波，A/D 采集該信號(hào)并復(fù)原，觀測方波邊沿的上升時(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)測該信號(hào)邊沿并進(jìn)行存儲(chǔ)，獲取射頻MEMS 開關(guān)的工作狀態(tài)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

在測試開關(guān)壽命時(shí)，常用的方法為探針臺(tái)直接夾住未封裝的芯片或者通過打線將信號(hào)線引出的方式進(jìn)行測試，使用這種方式測試完成后芯片會(huì)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(jié)果根據(jù)示波器沒有波形的時(shí)間計(jì)算，造成數(shù)據(jù)誤差比較大。系統(tǒng)分為驅(qū)動(dòng)電路、夾具測試板和測試電路，其中驅(qū)動(dòng)電路由FPGA 主控模塊控制升壓芯片高壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)射頻MEMS 開關(guān)下拉電極；夾具測試板由夾具、ACF(各向異性導(dǎo)電膜)[11]射頻MEMS 開關(guān)測試板構(gòu)成，可以很好地保護(hù)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(luò)檢波、A/D 轉(zhuǎn)換、FPGA 和LED 顯示構(gòu)成。系統(tǒng)的CPU 為EP4CE10 系列的FPGA，總體設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)方案

2 硬件方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要由驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生、夾具測試板以及開關(guān)信號(hào)監(jiān)測三部分組成。

2.1 驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生

驅(qū)動(dòng)電路采用Alter 的EP4CE10E22C8N 芯片作為主控芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓偏置電路的控制，輸出實(shí)現(xiàn)高電壓110 V、偏置55 V 的方波信號(hào)。

驅(qū)動(dòng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)生高壓，具有簡單穩(wěn)定、40～110 V輸出電壓可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)。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(shí)，通過控制三極管將電容快速放電有效減短下降時(shí)間。驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生的高壓方波信號(hào)滿足了射頻MEMS 開關(guān)下拉電極的電壓需求。普通信號(hào)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(duì)射頻MEMS開關(guān)進(jìn)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(dǎo)電膜（ACF）和測試板構(gòu)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(dǎo)電膜充分連接測試板，同時(shí)夾具也保護(hù)芯片，無需焊接便可以完成測試。利用導(dǎo)電膜僅在垂直方向[12]（z方向）導(dǎo)通的特性，再利用夾具的可按壓過程實(shí)現(xiàn)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(dǎo)電膠夾具各部分關(guān)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(nèi)，扭動(dòng)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(dǎo)電膜緊密接觸。導(dǎo)電膜置于導(dǎo)電膜限位塊內(nèi)，芯片置于導(dǎo)框內(nèi)，在按壓芯片與導(dǎo)電膜緊密貼合的同時(shí)，導(dǎo)電膜與PCB Pad 也一并實(shí)現(xiàn)緊密貼合。

2.3 開關(guān)信號(hào)監(jiān)測

測試電路將輸入射頻MEMS 開關(guān)的射頻信號(hào)通過周期性通斷的MEMS 開關(guān)后，變?yōu)橐徽{(diào)幅信號(hào)，二極管包絡(luò)檢波器對(duì)初期故障以及信噪比較低的故障信號(hào)識(shí)別能力強(qiáng)。將一段時(shí)間長度的高頻信號(hào)的峰值點(diǎn)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(hào)經(jīng)低噪聲集成運(yùn)放OP37GS放大后，進(jìn)入采集電路進(jìn)行采集。高精度數(shù)據(jù)采集電路選擇ADI 公司生產(chǎn)的AD7865[13]。該芯片可以將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為14 位數(shù)字信號(hào)，采用5 V 單電源供電，雙極性輸入。單通道最高吞吐率達(dá)350 ksps，44引腳小型PQFP 封裝，轉(zhuǎn)換速度快，精度高，可滿足小型高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求。該器件包含2.5 V基準(zhǔn)電壓源，內(nèi)部集成時(shí)鐘，可并行輸出。

模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)間為2.4 μs，滿足測試要求，供電5 μV，從A/D 中取一次數(shù)據(jù)時(shí)間為20 μs，數(shù)據(jù)進(jìn)入FPGA芯片進(jìn)行處理。控制FPGA 使能驅(qū)動(dòng)射頻MEMS 開關(guān)芯片下拉電極以周期10 ms 進(jìn)行開合開關(guān)芯片，經(jīng)包絡(luò)檢波電路輸出后，得到一個(gè)周期與下拉電壓控制芯片開合周期一致的方波包絡(luò)。由A/D 對(duì)該包絡(luò)信號(hào)進(jìn)行采樣，完成MEMS 開關(guān)每次開合狀態(tài)的采集。其中包絡(luò)的500 個(gè)采樣值理想狀態(tài)有250 個(gè)“高”值，250 個(gè)“低”值，但是在測試過程中開關(guān)動(dòng)作的完成需要一定的時(shí)間，而且開關(guān)斷開時(shí)間少于開關(guān)下拉閉合時(shí)間，所以500 個(gè)采樣值中低電平將略多于高電平。在誤差范圍內(nèi)，“高”、“低”略偏離250也視為正常通斷，然后計(jì)數(shù)存儲(chǔ)+1，通過“加3 移位法”[14]，數(shù)碼管以十進(jìn)制進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

3 信號(hào)恢復(fù)

信號(hào)恢復(fù)主要包括A/D 轉(zhuǎn)化控制和信號(hào)調(diào)理部分。驅(qū)動(dòng)電極模塊使開關(guān)下拉電極按占空比50%的頻率進(jìn)行開閉合，開關(guān)輸出信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理，然后FPGA 控制A/D 芯片轉(zhuǎn)化，通過A/D 轉(zhuǎn)化之后500 個(gè)采樣值所構(gòu)成的波形，實(shí)時(shí)監(jiān)測觀測到MEMS 開關(guān)電極的工作狀態(tài)，并將這500 個(gè)數(shù)據(jù)歸類，數(shù)據(jù)為小值時(shí)，“低”計(jì)數(shù)加1；數(shù)據(jù)為大值時(shí)，“高”計(jì)數(shù)加1。“高”“低”計(jì)數(shù)值相差小于2 時(shí)，進(jìn)行壽命計(jì)數(shù)值加1，然后數(shù)碼管[15-16]顯示；在“高”“低”計(jì)數(shù)值相差大于2 時(shí)，MEMS 芯片開始失效。

AD7865 有四個(gè)14 位的通道，因此必須四個(gè)通道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束后才能進(jìn)行下一次的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。CONVST 利 用FPGA 分頻產(chǎn)生的周期為20 μs 的時(shí)鐘來控制A/D 數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換功能。BUSY 為A/D 輸出引腳，標(biāo)志著數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的結(jié)束。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)，BUSY 輸出一直為高電平，單通道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間最小為2.4 μs，四個(gè)通道全部轉(zhuǎn)換完成持續(xù)時(shí)間為2.4μs×4。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成后，在下一個(gè)CONVST 信號(hào)到來之前，BUSY 輸出一直處于低電平狀態(tài)。EOC 是輸出引腳，標(biāo)志著這個(gè)通道的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束，若其為低電平，則表示當(dāng)前該通道轉(zhuǎn)換完成。因此四個(gè)通道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束會(huì)出現(xiàn)四個(gè)EOC 的低電平。讀操作的使能引腳為CS 和RD，兩個(gè)信號(hào)都為低電平時(shí)，14 個(gè)輸出引腳不再為高阻態(tài)，可以將轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)輸入到FPGA 內(nèi)，四個(gè)通道需要完成四個(gè)CS 和RD 脈沖，按讀出順序?qū)/D 轉(zhuǎn)化出的數(shù)據(jù)存入FPGA 的DATA 寄存器中的VIN1-VIN4中。A/D 芯片在第一通道的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成后，便可直接將數(shù)據(jù)讀出。FPGA 程序控制采集一個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)是在A/D 芯片的所有通道的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束才完成，即BUSY 電平由高電平變?yōu)榈碗娖胶螅砰_始數(shù)據(jù)的讀取。因?yàn)樾枰獙⑺膫€(gè)通道數(shù)據(jù)都讀取完成，且必須將數(shù)據(jù)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(gè)RD 和CS 脈沖歸位保證下一次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)與所讀的通道數(shù)據(jù)保持對(duì)應(yīng)。圖3 所示為AD7865 工作的時(shí)序圖。

圖3 AD7865時(shí)序圖

對(duì)AD7865控制時(shí)序進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖4 所示。在仿真文件中，將A/D 的輸出通道設(shè)定為00～11四個(gè)通道（AD7865 的四個(gè)通道），信號(hào)輸入1、2、3、4四個(gè)通道，輸出為高兩位通道標(biāo)號(hào)的16 位數(shù)據(jù)。通過仿真驗(yàn)證，讀控制時(shí)序可以實(shí)現(xiàn)其功能。

圖4 AD7865仿真結(jié)果圖

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 測試平臺(tái)

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(zhǔn)確與測試板連接。

4.2 高壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)驗(yàn)證

因示波器的量程最大只有50 V，所以將信號(hào)放大至50 V，圖5 所示為實(shí)現(xiàn)的50 V 方波。對(duì)射頻MEMS 器件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)為幅值50 V、頻率100 Hz、占空比50%、偏置25 V 的方波信號(hào)。

圖5 50 V方波

因示波器量程的原因，對(duì)幅值為110 V 的高壓方波無法測試，因此FPGA 控制持續(xù)使能變?yōu)?10 V 高電平信號(hào)，直接用萬用表測試。

4.3 波形重構(gòu)

在高壓脈沖驅(qū)動(dòng)下，射頻MEMS 開關(guān)將反復(fù)進(jìn)行通斷操作，輸入射頻信號(hào)經(jīng)過不斷通斷的MEMS開關(guān)，在斷開時(shí)，A/D 采集的是一個(gè)恒定的值；在閉合時(shí)，信號(hào)變?yōu)樯漕l信號(hào)。經(jīng)過包絡(luò)檢波電路對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行濾波，信號(hào)變?yōu)榈皖l信號(hào)。該信號(hào)與開關(guān)通斷頻率一致，經(jīng)過精密運(yùn)放放大為幅值為1.2 V的信號(hào)。

由A/D 采集到的數(shù)據(jù)可以通過QuartusⅡ中的邏輯分析儀反映射頻MEMS開關(guān)的工作狀態(tài)，每成功進(jìn)行一次開關(guān)操作，測試系統(tǒng)將對(duì)MEMS 開關(guān)的開合次數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)計(jì)數(shù)。圖6 所示為實(shí)時(shí)監(jiān)測計(jì)數(shù)結(jié)果。

圖6 實(shí)時(shí)監(jiān)測計(jì)數(shù)

取RMSW101 單刀雙擲開關(guān)進(jìn)行壽命測試，在射頻輸入30 dBm 信號(hào)時(shí)，開關(guān)壽命達(dá)到1 億多次。實(shí)驗(yàn)對(duì)三個(gè)芯片的開合次數(shù)進(jìn)行測試，壽命會(huì)有差別，這是因?yàn)椴煌_關(guān)的性能不同。圖7 所示為幾個(gè)測試開關(guān)的壽命測試數(shù)碼管顯示圖。

圖7 壽命測試數(shù)碼管顯示圖

5 結(jié)束語

文中針對(duì)射頻MEMS 開關(guān)的壽命測試，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于FPGA 復(fù)原波形計(jì)數(shù)技術(shù)的長時(shí)間工作狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。利用FPGA 的邏輯特性、ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換以及升壓電路，完成了射頻MEMS 開關(guān)重復(fù)開合的壽命測試，該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測開關(guān)的工作狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)計(jì)數(shù)，為開關(guān)壽命測試提供了一種具體、細(xì)致的數(shù)據(jù)分析方法，也為壽命測試提供了一種更加簡單的測試方法。