RF-MEMS开关的应用技术浅析

中国电子科技集团公司第五十四研究所 姜海玲

1.引言

RF MEMS 器件与传统的射频元器件相比，具有低插损、线性、宽带、低功耗、体积小等优点。目前，国际上已经对RF MEMS器件进行了二十多年的研究，技术和工艺相对成熟，开关等成熟的产品已推向市场。国内从90年代以来，也开展了十几年的研究，然而，开关和滤波器等可动RF MEMS产品一直处于样品和实验室阶段。

许多资料和文献展示了RF MEMS器件的广阔的应用场合和前景，然而，RF MEMS器件的实际工程应用现状与报道中指出的前景还有很大的差距。至今，RF MEMS器件在国内的应用范围很少，几乎没有具体的应用实例，本文通过对RF MEMS器件应用的特性分析，浅谈具体应用中面临的挑战。

2.射频性能

RF-MEMS应用的射频性能最引人注目的优点即是损耗小，此前的文献[1，2]中有详细的对比，将不同形式的开关特性比较如表1所示。

根据表1的损耗结果，在频率为70GHz时，RF MEMS开关的损耗仅0.25dB，如此优良的射频指标在微波射频领域曾一度引起轰动，然而该指标的实际应用却让微波设计师们可望而不可及，表1的指标对比是建立在RF MEMS开关理论值的基础上，给出的损耗指标是净化间或实验室的测试或推算结果，与实际产品的工程使用还有很远的距离。

表1 不同类型开关特性的比较

由于RF MEMS产品容易受周围环境的影响，RF MEMS产品都必须经过气密封装才能长期可靠工作，所以制约RF MEMS开关工程应用的挑战之一即是要考虑封装带来的射频性能的恶化。

2.1 封装的必要性

RF MEMS开关的立体三维结构示意图可以参照如图1所示的封装内部。裸露的RF MEMS开关芯片只能应用在空气净化的试验室中。因为空气中的灰尘和水气，以及潮湿等因素的影响，足以使开关的梁污染，造成下拉时梁的损坏或者回复断开时梁的失效，从而导致开关的寿命降低，在工程中的应用也必然大打折扣。

另外，由于RF MEMS开关是一种易损的MEMS器件，具有可动的梁的部件，因此需要机械支撑来保护开关在运输、存储和工作时，避免热、机械冲击、振动、高的加速度、灰尘以及其它物理环境的破坏等。

封装的RF MEMS开关才能长期可靠的工作，封装外壳是RF MEMS开关与系统或外界的主要接口，外壳必须能够完成电源和射频信号与外界的电连接。因此RF MEMS开关的性能很大程度上取决于它的封装质量，考虑封装带来的射频影响，RF MEMS开关的低损耗优势就不那么显著了。

这是一直以来困扰着RF-MEMS工程师的棘手问题，也是国内RF-MEMS发展比较缓慢的原因之一，这成为RF MEMS工程应用中的瓶颈。

2.2 圆片级封装

国外MEMS开关最典型的封装形式为圆片级封装，如图1所示。圆片级封装是指RF MEMS开关的封装是在圆片阶段完成的，封装后才划片分割。圆片级封装中广泛应用阳极键合技术，可将硅与玻璃、金属及合金在静电作用下键合。然而对键合位置的误差和表面的粗糙度方面要求较高。

布气管上部填充加强型活性生物土壤滤料，生物滤池表面种植草坪，每套生物土壤滤池安装1套草坪喷洒系统，用于草坪养护。草坪喷洒水系统包括喷洒头、电磁阀、喷洒时间控制器和PPR管及元件。日常运行中可根据季节、天气等状况，修改设定草坪喷水频次和时长。

圆片级封装对灵敏易碎的RFMEMS开关进行特殊保护，使其免受有害工作介质和潮气侵蚀，不受或少受其他无关因素的干扰，在划片前，完成MEMS芯片与基座（或管壳）的焊接和键合。

图1 圆片级封装

2.3 圆片级封装后的射频性能

圆片级封装是RF MEMS开关的典型封装，相关的成熟产品也已经推向市场，以Radant MEMS公司的开关产品为例，比较封装过后的RF-MEMS开关与macom公司的PIN单片开关的技术指标对比如表2所示。当然采用不同的设计形式，其他指标如隔离度和功率承受能力等也是不同的，此处仅比较损耗的性能。

表2 二选一开关的性能比较

PIN HMIC形式的开关可以直接裸片的形式贴片焊接使用，与MEMS的立体结构相比，HMIC芯片毕竟只是二维平面结构，芯片的表面有一层薄膜，有一定的防护作用，可以直接使用。当然，在环境苛刻的要求条件下，芯片组成功能模块部件后，整体可以气密密封。

由表2看来，封装后RF-MEMS开关的损耗指标已经不具备表1中所列的明显优势了。

2.4 单片级封装的优势

独立的MEMS的开关、开关电容和可调电容等较小的器件可以采用圆片级的封装方式。较大的RF MEMS滤波器、移相器和可调匹配网络等最好采用单片级的封装方式。单片级封装用于圆片划片后，使用预置陶瓷的方式进行气密腔的密封，通过焊接、键合和堵塞的方式达到密封和射频引出的作用。如图3所示。

封装的布局可以往功能模块的方式发展，对于多功能模块可以多级集成，净化间里装配调试组件，然后整体外封，这也是一种单片级的封装方式。单片全集成级封装要对一个集成在同一衬底上的微结构和微电路进行密封，使之成为一个可供应用的完整系统产品，尺寸小，内部互连长度短，电气特性好，输出／人接点密度高，是集成度高的MEMS封装发展的较理想方案，可以定义成SIP（System In a Package系统级封装）。

图3 单片级封装

3.使用寿命

RF MEMS开关是机械开关，常常会出现的失效问题有：梁结构断裂、薄膜结构的磨损、可动结构工作性能下降或失效等。导致开关失效的因素也很复杂，包括电压、电流、电荷、介质层、高温、辐射、振动、冲击、恶劣环境等因素。

3.1 不用的使用条件决定不同的使用寿命

RF-MEMS开关的使用寿命一直不容乐观，随着技术的进步，开关的切换次数逐步提高，根据表1中所列，RF-MEMS开关的使用次数可以达到108次数以上。然而详细分析该参数的测试方法，就可以发现该切换次数的达到是有前提条件的。

根据表3的结果，在冷切换的情况下，RF-MEMS开关的使用寿命可以达到109次的切换次数；然而在热切换的条件下，随着信号功率的增大，使用寿命大打折扣，当信号功率为0.1w（20dBm）时，开关的寿命即变为103次。

作为技术指标，如果在最大信号电平下采用冷切换而非热切换，那么开关寿命将会从103次开关次数延长至1011次开关次数。

RF-MEMS开关以低损耗的优势，主要应用前景定位在射频前端，定位在多射频信号通路的切换中，那究竟属于冷切换还是热切换呢？详细探讨一下冷切换和热切换的概念。

3.2 冷切换和热切换

术语“冷切换”表示开关是在为施加电压时被触动的，因此当开关闭合时没有电流通过，在开关开路时也没有电流被中断。而在进行“热切换”时，有电压存在，在触点闭合的瞬间将有电流通过，当开关开路时，该电流将被中断，并且可能会引起电弧。

简单来理解：开关切换时有无电流(current)通过来表征热切换还是冷切换。

射频领域冷切换和热切换中的表征参数定义为信号(signal)，也即开关切换动作的瞬间有无信号通过来对应热切换或冷切换。定义中的信号就是射频信号。

冷切换时信号需要外加切断装置，信号断开时，开关才能动作。信号与开关动作之间的时间间隔需满足图2所示的条件[3]。RFMEMS开关断开要落后于信号断开至少1uS，开关闭合完毕后至少5uS以后，才能够允许信号通过。满足这样的条件下，才属于冷切换，然后再考察功率容量和切换寿命的对应关系。

在接收侦察系统中，由于外界的未知信号一直随机的存在，并且通用的广播和其他电台信号电平都比较大，开关的应用场合处于热切换的场合，所以应用中需要关注热切换的寿命指标。需要合理的滤除可能存在的大信号，使RF MEMS开关处于合理的工作模式，否则，RF MEMS开关的热切换次数远不能满足工程的需求。

图2 冷切换中射频信号切换方式与开关的动作时间关系

3.3 使用寿命延长的方式

首先尽量让开关工作在如图2所示的冷切换状态下。在许多没有办法冷切换的场合，可以通过合理的设计尽量使开关切换时工作在较低的信号电平上。

在侦收系统中，为了使RFMEMS开关工作在较小信号的热切换状态，可以按图2所示的时间要求，在开关的动作5uS之前，给射频前端的低噪声放大器断电，这样可以有效的降低信号的通过功率，从而延长开关的使用寿命。

RF-MEMS开关的切换时间一般在20uS左右，考虑上述预置的5uS断电时间，以及控制电路的反应时间，因此，可以计算系统总切换时间在30uS以内。

当然，随着工艺的进步，开关的热切换次数也在不断的延长。据报道[4]EADS的标准RF-MEMS开关在信号频率为14GHz，信号功率为9.8W的热切换的模式下，开关的切换次数已经达到105次。

表3 RF MEMS开关使用寿命的限制条件

4.结束语

RF-MEMS开关最引人注目的优点在于射频性能，这也是把MEMS技术应用到射频领域的主要原因。然而，RF-MEMS开关的封装技术对射频性能有不可忽视的恶化，导致工程应用中受阻。单片级的封装对功能化模块来讲，具有集成和性能双方面的优势，有助于进一步促进RF-MEMS开关的技术应用。

RF-MEMS开关切换次数总有一定的限制，为了更好的满足系统对使用寿命的需求，在不可避免的热切换方式下，通过合理的设计和整体的系统控制，尽量让RF-MEMS开关工作在较低的热切换功率下，从而延长其使用寿命。

目前，基于现有的条件，改进设计和应用方案，扬长避短的尽量发挥RF-MEMS开关的优势，对推动RF-MEMS开关在系统中的应用具有重要的作用。

[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.