MEMS開關

MEMS開關就是MEMS技術的具體套用。顧名思義，開關就是來控制電路通斷狀況的，高效、快速反應、準確、重複使用頻率、高可靠性是現代電路系統對開關的特殊要求。

基本介紹

• 中文名：MEMS開關
• MEMS開關：是MEMS技術的具體套用
• 顧名思義：開關就是來控制電路通斷狀況的
• 高可靠性：電路系統對開關的特殊要求
• 電容比：40-500

產生

我們今天所知道的MEMS開關的概念是在20世紀80年代末期90年代初期被提出的。第一份公開發表的論文只是提出了MEMS器件的概念，同時指出了器件設計面臨的一些挑戰以及它的潛在套用(Koester et al. 1996)。尤其是MEMS開關對射頻工程師具有巨大的吸引力，它們的潛力包括減少晶片的總面積、功耗和器件成本。一個RF MEMS開關的照片如圖1中所示。MEMS器件最初被唯一的製作在矽襯底上是因為積體電路也是被製造在矽上。矽材料的屬性和矽上的製造工藝已經為我們所熟知。

MEMS開關

比較

MEMS器件很快在射頻性能上超過固態電子器件，即使早期的MEMS器件在20GHz時的開態插入損耗也只有0.15dB，在相同頻率下的一個典型GaAs-FET或PIN二極體的插入損耗接近1dB。

在低於1GHz頻率的套用情況中，固態電子開關仍然是首選。它們很便宜、低損耗、易於集成，套用廣泛。固態電子開關在千兆赫茲以上時，損耗開始增加，並變得難於集成進開關。這時候MEMS開關的優勢就變得明顯起來。它們既沒有固態電子開關快，可靠性也不高，但它們在電氣性能上比固態電子開關更勝一籌。MEMS開關即使在40GHz時，插入損耗也很容易達到0.1dB。開關時間一般在幾十微秒，循環次數達到幾十億次。近年來，處理功率達到幾瓦的開關也已被報導。

比較參數	RF MEMS開關	PIN二極體	FET電晶體
電壓(V)	20-80		3-5
電流(mA)	0	0-20	0
功耗(mW)	<0.5	5-100	-0.5-0.1
開關時間	1-300微秒	1-100納秒	1-100納秒
串聯電容(fF)	1-6	40-80	70-140
串聯電阻(Ω)	0.5-2	2-4	4-6
		10	N/A
開關頻率(THz)	20-80	1-4	0.5-2
隔離度(1-10GHz)	非常高	高	中等
隔離度(10-40GHz)	非常高	中等	低
隔離度(60-100GHz)	高	中等	無
插入損耗(1-100GHz)(dB)	0.05-0.2	0.3-1.2	0.4-2.5
功率處理(W)	<1	<10	<10
三階交調截取(dBm)	+66-80	+27-45	+27-45

技術

MEMS(Micro Electro Mechanical Systems，微電子機械系統)始於20世紀60年代，加利福尼亞和貝爾實驗室開發出微型矽壓力感測器，70年代開發出矽片色譜儀、微型繼電器。70～80 年代利用微機械技術製作出多種微小尺寸的機械零部件。1988年UC-Muller小組製作了矽靜電馬達，1989年NSF召開研討會，提出了“微電子技術套用於電(子)機系統”。微電子機械系統(MEMS)技術是建立在微米/納米技術基礎上的21世紀前沿技術，是指對微米/納米材料進行設計、加工、製造、測量和控制的技術。他可將機械構件、光學系統、驅動部件、電控系統集成為一個整體單元的微型系統。這種微電子機械系統不僅能夠採集、處理與傳送信息或指令，還能夠按照所獲取的信息自主地或根據外部的指令採取行動。他用微電子技術和微加工技術(包括矽體微加工、矽表面微加工、LIGA和晶片鍵合等技術)相結合的製造工藝，製造出各種性能優異、價格低廉、微型化的感測器、執行器、驅動器和微系統。微電子機械系統(MEMS)是近年來發展起來的一種新型多學科交叉的技術，該技術將對未來人類生活產生革命性的影響，他涉及機械、電子、化學、物理、光學、生物、材料等多學科。

MEMS開關

技術的基本特點主要包括：

尺寸在毫米到微米範圍內；

基於矽微加工技術製造；

與微電子晶片類同,可以批量、低成本生產；

MEMS機械一體化代表一切具有能量轉化、傳輸等功能的效應:包括力、熱、聲、光、磁乃至化學、生物等；

MEMS 目標是具有智慧型化的微系統。

目前對MEMS 的需求產業主要來自於汽車工業、通信網路信息業、軍事裝備套用、生物醫學工程；而按專業MEMS 分4大類：感測MEMS技術、生物MEMS技術、光學MEMS技術、射頻MEMS技術。

特點

在MEMS開關發明之前，高頻轉換都是由發明於20世紀70年代的機械式或者乾簧繼電器來完成的。最近十年，MEMS技術取得了飛速發展，出現了一大批新型感測器、微機械、微結構和控制元件，有些器件和結構已實現了商業化，而有些即將被推入市場。MEMS技術提高了轉換效率，最早的MEMS開關是Petersen於1979年研製的0.35 μm厚、金屬包覆的靜電懸臂樑開關。但由於製作工藝的限制，此後的十年里MEMS開關沒有取得太大的進展。直到20世紀90年代，MEMS開關才獲得了巨大發展。1991年，Larson製作了旋轉傳輸線式開關。1995年，Yao採用表面微加工工藝製作懸臂樑開關。1996年，Goldsmith研製出低閾值電壓的膜開關。為了降低開關的閾值電壓，提高開關的開態穩定性和能量處理能力，1998年Pachero設計了螺旋型懸臂式和大激勵極板的MEMS開關結構。開關是微波信號變換的關鍵元件。和傳統的P-I-N二極體開關及FET 開關相比，由於消除了P-N結和金屬半導體結，MEMS開關具有以下優點：

結構圖片

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

(2) 消除了由於半導體結引起的?I-V?非線性，顯著減小了開關的諧波分量和互調分量，並且提高了RF MEMS開關的能量處理能力；

(3) RF MEMS開關靜電驅動僅需極低的瞬態能量，其典型值大約是10 nJ。當然，MEMS開關微秒級的開關速度使他們無法套用於高速領域。

由於沒有非線性，減少了開關諧波分量，提高了開關處理能力。因此，MEMS開關線性度佳、隔離度高;驅動功耗低；工作頻頻寬，截止頻率高(一般大於1 000 GHz)。MEMS開關主要採用靜電驅動，從其在電路中的套用，可分成金屬-金屬接觸的電阻接觸串聯開關和金屬-絕緣-金屬接觸的電容耦合並聯開關。

相對於其他的MEMS器件及系統研究，射頻微電子機械系統(RF MEMS)是近年出現的新研究領域，所謂RF MEMS就是利用MEMS技術製作各種用於無線通訊的射頻器件或系統。RF MEMS包括套用於無線通訊領域的各種無源器件如：高Q值諧振器、濾波器、RF MEMS開關、微型天線以及電感、電容等。

發展及現狀

給出了傳統半導體開關和近二十多年開發出來的MEMS開關的比較，現在在高頻通訊中大量使用的就是PIN和FET半導體開關，對於這種現有的半導體開關，從表中比較可以看出，隨著頻率的不斷升高，其開關特性越來越低。如FET開關，40~100 GHz頻率段，幾乎失去了開關作用。PIN二極體開關也發生類似的劣化。?

與此相反，有實質性狹縫和金屬接點的MEMS開關卻能通過實質性金屬接點的開合，在高頻段維持很高的絕緣指標。這就是機械式開關在高頻通訊中復活並被人們寄予厚望的原因。並且，狹縫機距離的增高，開關的高頻絕緣還可設計得更高。MEMS是使用半導體技術製作三維結構的細微可動元件的技術。Above IC中在CMOS LSI上嵌入有基於MEMS的RF開關,該公司打算將Above IC配備到手機等便攜終端上使用,目的是提高手機的基本性能，其中包括通話時間的延長等。意法合資的意法半導體(STMicroelec-tronics，ST)目前發表了運用基於MEMS的“Above IC”技術試製成功的RF開關樣品。

研究與進展

目前，國內的RF MEMS開關研究已經有很大的進步，很多已報導的開關都具有很優良的性能，但與國外的研究相比，在性能和可靠性上還有一定差距，並且在結構上還有些簡單，可靠性也有待提高，還有很多方面需要提高：

( 1) 由於電磁驅動的RF MEMS開關結構的特殊性，使得磁場分布不均勻，漏磁比較多，必須研究最佳化電磁系統的結構的方法以減小功耗和提高驅動力。

( 2) 為了能滿足射頻器件集成化和微型化的要求，電磁驅動RF MEMS開關需要製作更小尺寸線圈。

( 3) 加快RF MEMS開關可靠性研究，金屬接觸以及開關失效原因的研究是提高開關壽命有效途徑。

( 4) 封裝問題是MEMS產品實現商品化的前提，因為MEM S產品容易受周圍環境的影響，RF MEMS電路正常工作很大程度上取決於由封裝所提供的內部環境與保護。而目前有關MEMS封裝的研究還處於初級階段，MEMS器件的多樣性和非密封性往往需要為每種器件單獨開發相應的封裝技術，需要在不影響MEMS器件性能的前提下，為設計者提供一系列標準化的封裝技術。

開關的套用

對很多MEMS設計者來說，手機市場是巨大的誘惑。全球的無線市場在2005年時已經達到了5550億美元，而且預計到2010年時會增長到8000億美元(Reuters 2006)。對那些能把RF MEMS集成進手機中的公司來說，這代表著一個巨大的資金來源。通過使用RF MEMS開關、電容器、電感等一系列元件，手機可以實現極好的可重構性能。手機毫無疑問可以工作在任何頻率，或者是任何頻道，符合任何標準，在任何地點使用。漏接電話的事情將不會在發生。使用固態電子器件去實現這些作用時，很多性能限制將會出現。