RF MEMS開關技術分析

摘 要： 從驅動方式和機械結構的角度介紹了不同的RF MEMS開關類型，分析了各類MEMS開關的性能及優缺點，分析了MEMS開關在制作和發展中面臨的犧牲層技術、封裝技術、可靠性問題等關鍵技術和問題，介紹了MEMS開關的發展現狀及其在組件級和系統級的應用，以及對MEMS開關技術的展望。

0 引言

RF MEMS是MEMS（微機電系統）與RF(射頻)技術相結合的一門新技術， MEMS器件具有體積小、易集成、功耗低、可靠性高等優點，可代替傳統無線通信系統中的半導體器件。RF MEMS不僅可以以器件的方式應用于電路，例如MEMS開關、MEMS電容、MEMS諧振器；還可以將單個器件集成到同一芯片組成組件和應用系統，例如濾波器、壓控振蕩器、移相器、相控陣雷達天線等，這大大縮減了傳統器件的體積，降低了功耗，提升了系統的性能。RF MEMS開關作為RF MEMS中的重要器件之一，其性能對微機電系統的影響日益深遠。

1 MEMS開關的分類及現狀

根據MEMS開關機械結構的驅動方式可將開關分為靜電驅動、電磁驅動、電熱驅動和壓電驅動：（1）靜電驅動式開關主要依靠開關上下極板之間的靜電力來控制開關的閉合。優點：制作簡單、易集成；缺點：驅動電壓高、易受環境影響、穩定性差。（2）電磁驅動式開關利用電流產生的磁場力驅動可動構件來實現開關通斷。優點：驅動電壓低、驅動力高、不易受環境影響、不易被擊穿；缺點：穩定性差、不易控制。（3）電熱驅動式開關利用材料通電產生的熱膨脹效應來實現開關動作。熱驅動的優點是制作簡單、驅動電壓低、接觸力大、開關動作幅度大；缺點是開關時間長、功耗高。（4）壓電驅動的開關是利用壓電材料通電產生的逆壓電效應實現開關的通斷。優點：穩定性較強、驅動電壓低、功耗低；缺點：技術尚未成熟、工藝復雜。

靜電驅動方式技術較為成熟，研究最為廣泛，是目前應用最多的驅動機制。根據開關接觸方式可分為電容耦合式和歐姆接觸式，根據開關接入射頻電路的方式可分為串聯式和并聯式。將上述兩類開關組合就形成了串聯電容式、并聯電容式、串聯接觸式、并聯接觸式開關。

1.1 電容式開關

電容式MEMS開關的工藝相對簡單，主要組成部分為可動結構、金屬電極、信號傳輸線、絕緣介質層。通過機械運動調節可動結構與傳輸線之間的空氣間隙來控制開關的通斷，該類開關主要應用于高頻段，是目前研究較為廣泛的MEMS開關。

（1）串聯電容式開關

串聯電容式MEMS開關將電容耦合至傳輸線的輸出端。未加電壓時，輸入輸出端的電容很小，信號無法通過耦合電容，開關呈“開”態；當加入電壓時，可動結構受到靜電力向輸出端移動，輸入輸出之間的電容變大，信號被耦合至輸出端，開關呈“關”態。

串聯電容式開關的研究較少，侯智昊[1]等利用薄膜沉積中產生的內應力使MEMS橋膜向上發生翹曲，提高了開關的隔離度，其插入損耗為-0.88 dB@3 GHz，在-0.5 dB@6 GHz，隔離度為-33.5 dB@900 MHz、-24 dB@3 GHz和-20 dB@5 GHz，適合應用于3~5 GHz頻段。

（2）并聯電容式開關

并聯電容式開關是將電容耦合至地線，工作原理同串聯電容式開關相同，而結構略有不同。當不加電壓時，開關處于“開”態，當加上驅動電壓時，金屬膜與絕緣材料形成的電容最大，高頻信號被耦合至地線，開關實現“關”態。

Reytheon公司[2]研制的并聯開關已達世界頂尖水平，其主要參數為驅動電壓30 V，插入損耗<0.2 dB@30 GHz，隔離度>40 dB@30 GHz。

1.2 接觸式開關

接觸式MEMS開關是利用金屬—金屬直接接觸來形成信號通路，在微波傳輸的較高頻段，金屬接觸易產生寄生效應，故該類開關常應用于低頻段。開關的上下極板在外加電壓的驅動下產生靜電力，使開關閉合并將信號傳輸線導通；當撤除外加電壓，開關的上電極板通過自身的機械回復力使開關斷開。接觸式MEMS開關一般分為串聯式和并聯式，兩種開關導通原理相同，區別在于信號傳輸線的導通方式不同。

（1）串聯接觸式開關

以懸臂式結構的開關為例，當開關電壓加到驅動電壓以上時，開關上下接觸電極間的靜電力將懸臂梁拉下，信號在地線與信號線之間形成微波通路，接觸電極以串聯的形式將信號線導通。

Yao[3]采用表面微加工工藝制作了一種單刀單擲接觸串聯式MEMS開關，該開關具有很好的工藝兼容性，驅動電壓30 V，開關壽命也相對延長。隔離度>50 dB@<40 GHz，插入損耗<0.12 dB@<40 GHz。

（2）并聯接觸式開關

接觸并聯式開關同接觸串聯式不同的是，當懸臂梁被拉下后，接觸電極并未將信號通路接通，而是將信號通路與地線相連，將信號旁路到地線，這類開關在小于20 GHz有較好的插入損耗和隔離度，這類開關的研究還比較少[4]。

臺灣大學研制出一種旁路型曲梁歐姆接觸式開關。開關的驅動電壓約為26~30 V，切換時間約為10 ms，插入損耗為0.5 dB@10 GHz，隔離度為17 dB@10 GHz。

2 MEMS開關的發展現狀與優缺點

世界上第一個MEMS開關是由美國IBM的K.E.Peterson[5]研制成功的，受當時MEMS加工工藝的限制，該開關的性能并不穩定；直到20世紀90年代，隨著MEMS加工技術發展，MEMS開關才取得了跨越式的進步：如1991年Larson[6]制作的旋轉式MEMS開關,1996年Goldsmith[7]等人研制出一種低驅動電壓電容式MEMS開關，1998年Pachero[8]設計的螺旋型懸臂式MEMS開關結構等，以上各類開關不同性能都在一定程度上有所提升。進入21世紀以來，深入研究RF MEMS開關的公司、研究機構越來越多，國外的有美國Raytheon公司、Motorola公司、麻省理工大學、哥倫比亞大學、加州大學伯克利分校，韓國三星公司、LG公司、首爾大學，日本三菱株式會社、松下公司等，國外的很多商業公司對MEMS開關的研究已進入產品化階段。國內的MEMS開關研究起步較晚，相關的科研院所有清華大學、東南大學、北京郵電大學、南京電子器件研究所、石家莊54所等。

MEMS開關與傳統開關相比具有損耗低、功耗低、線性度好、隔離度高、尺寸小、易集成等優勢，避免了傳統FET、pin開關由于P-N結和金屬半導體結帶來的歐姆損耗、I-V非線性，克服了傳統外置分立元件帶來的體積大、功耗大和元件連線帶來的寄生影響，可代替傳統半導體器件應用于微波系統中，例如RF MEMS移相器、RF MEMS 智能天線、T/R模塊、雷達預警、戰術戰略偵察、衛星組網和制導等軍事領域，還可應用于手機等移動設備、消費級電子產品和導航系統等民用領域。但是MEMS開關還具有以下的缺點：

（1）驅動電壓較高：MEMS開關需要驅動機械結構，故驅動電壓通常達到了2080 V甚至更高，而普通開關一般需要35 V。降低驅動電壓是MEMS開關的研究熱點之一，通過優化開關結構、材料可以有效降低開關驅動電壓。

（2）可靠性較差：MEMS開關易受到應力、潮濕、高溫高壓等內外界因素的影響，發生斷裂、粘附、介質擊穿等失效現象，導致開關可靠性降低，MEMS開關的壽命很低，通常只有1~100億次。

（3）開關時間長：MEMS開關的開關速度很慢，開關時間在微秒級，是傳統開關的1 000倍。

（4）環境要求高：MEMS開關對于工作環境的要求較高，開關的封裝質量對開關的性能影響很大，封裝的高成本是開關集成商業化應用的瓶頸。

（5）功率處理能力低：處理大功率的射頻信號易導致MEMS開關失效，降低開關的可靠性，這大大限制了MEMS開關在大功率射頻領域的應用。

3 MEMS開關技術主要問題

根據MEMS開關不同的結構和功能，相應會有不同的工藝技術和問題。一般面臨的主要問題有犧牲層技術、封裝技術、可靠性問題等。

3.1 犧牲層技術

在制作RF MEMS開關的過程中，需要借助犧牲層來實現微橋等懸空結構的制作。通常的工藝步驟是在傳輸線或下電極上沉積犧牲層，再在犧牲層上沉積所要制作的懸空結構，最后將犧牲層去除，釋放懸臂、微橋等結構。犧牲層采用的材料主要有正性光刻膠、聚酰亞胺、SiO2等，光刻膠和聚酰亞胺做犧牲層的工藝方法類似，都是經過旋涂、固化、圖形化等步驟，最后再將犧牲層去除，兩種材料都可以采用濕法腐蝕和干法刻蝕的方法來去除，光刻膠易溶于丙酮故容易釋放，但在140 ℃以上的高溫易變性，變性后的光刻膠用濕法和干法都難以去除，使用對于后續工藝條件產生很大的限制；聚酰亞胺穩定工作的溫度高于光刻膠，在230 ℃以下可以用NaOH溶液腐蝕，也可以采用等離子體刻蝕的方法來去除。SiO2容易生長，表面相對平整，一般使用HF緩沖液去除，長時間的浸泡會影響硅片與金屬的黏附性。犧牲層材料的選取應當綜合考慮后續工藝條件及釋放工藝的可行性。

聚酰亞胺綜合考慮犧牲層技術與其他工藝的兼容性及釋放的難易來選擇材料及工藝，在RF MEMS開關微橋的釋放工藝中,主要采用可溶性的聚酰亞胺作為犧牲層。去除犧牲層的方法主要有干法刻蝕和濕法腐蝕。

3.2 封裝技術

RF MEMS開關因其本身體積小、重量輕等原因在工作時極易受到外界振動、濕度、溫度等環境的影響，對MEMS開關進行封裝不僅可以有效隔離外部環境的影響，還為實現與外電路及其他部件的溝通搭建了橋梁，為MEMS開關能夠良好地放置、固定提供機械支撐[9]，高質量的封裝技術將會大大提升MEMS開關的性能。對不同的MEMS開關設計不同的封裝技術，克服封裝條件嚴苛、成本昂貴等難題，使其能夠與開關結構良好兼容、匹配，是MEMS開關器件發展過程中的重要一環。MEMS開關在封裝過程中應當要解決以下問題：(1)封裝材料的選?。簱﨧EMS開關封裝起到的堅實基底、實現互連、保護開關結構的作用，分別選取相應的材料。封裝材料的熱膨脹系數、介電常數等應當與開關材料匹配，避免MEMS開關由于與封裝材料參數不兼容產生的脫離，或內部應力過大、介電影響等產生的開關性能降低。(2)降低封裝環境的影響：MEMS開關對于工作環境的要求很高，振動、應力、潮濕、腐蝕、溫度等都會影響MEMS開關的正常工作。所以在封裝的過程中應當采取一定措施來避免上述等因素的介入，例如降低封裝載荷、嚴格控制氣密性封裝氣氛中的濕度、控制封裝環境的溫度、壓力等因素，并進行散熱結構的設計以降低熱環境產生的開關結構失效，盡可能地降低封裝對于MEMS開關性能的影響。

3.3 可靠性問題

要加快MEMS開關的商業化步伐，必須提高MEMS開關的可靠性，使其在應用系統中壽命更長、更加可靠。開關失效主要有開關本身機械結構的蠕變、斷裂、疲勞，接觸結構的磨損、粘附、介電層的損壞，還有外部環境導致的上述失效。目前對于MEMS開關可靠性的研究還處于初級階段，應從結構設計、材料選取、工藝設計等各方面入手來解決可靠性的問題。對于接觸式MEMS開關失效主要由接觸材料失效引起，如材料觸點接觸電阻變化、接觸表面材料的磨損、遷移，一般來說接觸材料會選擇硬度低的金屬例如Au，它接觸面積大，接觸電阻穩定，但也因硬度不高導致結構穩定性差，通過摻雜其他金屬離子可以提升金屬作為接觸材料的可靠性[10]。另外通過對MEMS開關器件的結構進行優化設計，盡可能彌補選用材料本身對于器件性能的降低。而對于電容式MEMS開關，由于介質層充電時電荷注入和陷阱存在，使得累積電荷影響驅動電壓或發生粘附作用，彌補這種缺陷可從介質材料和驅動電壓的優化方面入手，可選用陷阱密度低或者能夠自身復合陷阱電荷的介質材料[11]來延長開關壽命，選用優化的驅動電壓以降低介質層的充電時間[12]或者釋放掉陷阱俘獲的電荷[13]，也能夠使得開關的可靠性得到提升。

4 MEMS開關技術的應用

MEMS開關不僅可以單獨應用于電路，也可以組成各類組件和應用系統來使用，這不僅可以改善單個開關的性能，而且因與其他組件的結合，可使MEMS開關實現更多的功能，這大大拓寬了MEMS開關的應用范圍。

4.1 RF MEMS移相器

根據MEMS開關不同的特性，將多個開關進行串聯或并聯所形成的開關組往往具有更高的可靠性和性能，例如將電容式開關并聯組成開關組可以提高隔離度[14]。將開關級聯可以形成各類移相器，通過設計開關數量可以改變相移步進，通過控制開關通斷來實現相移[15]。

4.2 RF MEMS 濾波器

隨著通信技術的發展，應用于高要求的雷達、接收器、混頻器等當中的RF MEMS濾波器受到了極大的關注，通過利用MEMS開關控制信號傳輸的通斷可實現濾波器的模擬和數字可調[16-19]。

4.3 RF MEMS可調電容/電感

MEMS電容/電感具有尺寸小、Q值高等優點，利用 MEMS開關的通斷，控制可調電容/電感機械結構的運動，從而實現電容值/電感值的可調[20-21]。

4.4 系統級可重構天線

可重構天線是由天線陣列和MEMS開關組合形成的，通過控制開關網絡可使天線實現不同工作頻帶和不同工作模式的切換[22]，故可重構天線可以應用對于頻率、模式需求多樣化的系統中，例如對應不同通信模式的自動導航系統、覆蓋不同通信頻率的無線局域網和寬帶電視接收機。

4.5 微波收發系統

微波收發系統[23]集合了包括MEMS開關在內的多種RF MEMS元件、組件,形成了由放大器、混頻器、鎖相環電路等組成的接收電路。MEMS接收機具有高Q值、尺寸小、易集成等優點。

5 結語

RF MEMS開關極大影響了MEMS的進一步發展，為實現MEMS開關產品化、突破MEMS開關發展的局限性，還需解決驅動電壓、響應時間、封裝質量的問題，對新結構進行優化設計和仿真，改良工藝方案，解決封裝和可靠性難題，是提升MEMS開關性能的關鍵。