当前课程知识点:MEMS与微系统 > 第六章 RF MEMS > 第2小节 MEMS开关I > MEMS开关I
下面我们首先来看MEMS的开关
MEMS的开关之所以有非常广泛的应用
是由于移动通信它的频段非常的复杂
那么不同的国家他们所采用的通信制式不一样
频段也是不一样的
同时多个通信制式也在共同存在着
比如说
我们在广泛使用4G作为网络传输的时候
也在使用2G作为语音传输
那么这些不同的制式
不同的频段需要在一部电话里面
尽可能的包括进来
因此我们需要大量的和复杂的选频开关
同时我们从这幅图可以看到
从2009年到2013年
无线通信系统里面的多模制式发展非常快速
而单模的制式迅速的衰减
那么进入到2015年多模已经
完成统治了无线通信体系
这些的发展趋势都要求我们能够实现
高性能和更多数量的开关
我们前面提到 由于多频段共存对开关
有非常强烈的需求
我们需要用开关来切换天线的收发
和不同频率的波段
因此 开关的数量在不断的增加
从这幅图我们看出来
从2007年发展到2013年
那么每一个无线通信体系下面
所需要的开关数量
随着波段的增加和频率的增加在迅速的增加
那么我们为什么要用MEMS的开关呢
首先 MEMS开关具有很好的性能
它包括比较高的隔离度
比较低的插入损耗
以及比较高的谐波抑制比
另外我们利用大量的MEMS的开关
可以提高芯片的集成度
这样就能够大幅降低系统的复杂度
同时 我们还可以通过MEMS的开关
来进行复杂的通道选择
从而实现可调和可重构这样的一个目的
下面我们来看一下开关的具体结构形式
通常来讲我们按照开关的连接方式
可以把它分为串联开关和并联开关
按照导通的方式可以分为金属接触开关
或者电容耦合开关
所谓的串联开关是指开关在信号传递的通道上
因此开关的闭合会导致信号传输
开关的断开会导致信号的中断
那么并联开关呢是指在信号传输的通路
与另一个信号通路通常是地之间
施加一个并联开关
由于并联开关具有信号耦合的作用
它能使通过这样一个开关的信号引导到
另一条传输通道上去
所以 我们有的时候也把它称为旁路开关
金属接触开关是指采用一个金属直接把
输入和输出端连接起来
那么作为信号导通的通道
电容耦合开关是指通过电容将满足一定频率的
信号耦合过去这样的一个传输方式
一般的情况下
我们串联开关所应用的多是金属接触式的
而并联开关用到的多是电容耦合式的
这种组合具有一定的稳定性
也就是说 针对于不同的应用 由信号的
频率高低和开关的功能决定了信号的导通方式
我们用这两个图分别来看一下金属接触开关
也就是串联开关和电容耦合开关
也就是并联开关或者旁路开关
在一个电路系统中的应用
在一个传输线中间设置一个串联开关
那么这个开关的开和断直接决定了传输线上
是否有信号可以通过
而对于一个传输线与地之间增加一个旁路开关
就可以使旁路开关的开和闭来决定
符合旁路开关能够耦合的频率
从信号线旁路到地上去
下面我们来看一下电容耦合开关的结构
电容耦合开关的结构通常是一个
双端支撑的一个桥式结构
也就是一个简单的平板在双端固支起来
它的结构可以用这个图来表示一下
这是一个双端支撑的桥
下端是衬底
衬底上方是一层绝缘层
绝缘层上方是一个信号的传输线
那么信号传输线上方还有一层绝缘层
当在支撑的平板和驱动的电极之间
施加一个驱动电压的时候
我们可以使电压的大小超过
我们前面提到的临界电压
就会使平板与下电极彻底的结合
在结合的过程中原来的电容它的介质层
是一层空气加一层介质层
而现在转变为只有一层介质层
因此它的电容减小了
电容减小的后果是导致不同频段的信号
能够从原来的电容耦合变为
另一个频段的信号才能通过电容的耦合
因此 电容的开与关会导致不同频率的
交流信号通过电容耦合过来
这两张照片给大家看到的是电容式开关的
处于断开的状态和闭合状态时候的照片
我们能够看出来闭合以后
由于电容的平板与下电极的接触
因此相接触的区域它的颜色和悬空时
都有明显的差别
对于电容耦合式的开关我们可以用一个
简化的双端固支梁的模型来进行描述
这个双端固支梁既可以以一个集中力
来作为简化
也可以以一个分布力作为简化
当然不同的分析方式
它们基本的微分方程是一样的
不同点只是在于平衡关系和边界条件有所不同
这些内容我们在基本力学里面讲过了
在这儿只做一个简单的复习
下面我们来介绍一下金属接触式的开关
从这个图我们能够看出来金属接触式的开关
通常有一个悬空的悬臂梁也就是一端支撑
另一端悬空来构成
那么在悬臂梁的中间和所对应的衬底位置上
各有一个上电极和一个下电极
这两个电极可以通过施加静电力使悬臂梁产生弯曲
悬臂梁弯曲以后
导致悬臂梁前端的绿色的信号线与衬底上的黄色的信号线直接接触
使原来断开的两个黄色信号线被绿色的信号线连接起来
从而实现电信号的导通
下面这一个照片给大家看到的就是一个
实际的金属接触开关
它在尾端是支撑结构
在前端是一个悬空结构
那么这个悬空结构当它闭合以后会把原来的
输入和输出的信号线直接连接起来
从而形成一个信号传递的通道
同样 金属接触式的开关我们可以把它简化为
一个悬臂梁式的模型
通过微分方程和边界条件的关系
我们也可以来计算它的静态特性
由于开关的梁是一个动作的状态
无论是电阻式的悬臂梁或者是电容式的
双端支撑桥那么都需要它产生一定的动作
驱动这个动作需要一个驱动器
一般的情况下我们可以采用下面的几个原理
第一个是一个电磁的原理
也就是在衬底和驱动结构上施加一个磁场
那么在开关表面上通以一定的电流
那么由此产生电磁力来驱动结构变形
那么第二种呢是一种热驱动的形式
我们可以在可动的这个梁表面上
制造一个加热的电阻
那么利用双膜片的结构或者利用冷热壁等等
来实现一个由加热驱动的悬臂梁
或者桥式的弯曲
同样我们也可以采用压电式的结构
或者采用电容式静电力的驱动
这里边广泛采用的是电热式和电容式的驱动
那么对于电容式的驱动我们要求它能够
使整个悬空的梁产生一个下拉的效应
无论是对于金属接触式的开关
或者是电容耦合式的开关
都需要使驱动电压能够
把上极板下拉到下极板的表面
-第1小节 MEMS的定义
--MEMS的定义
-第1小节 MEMS的定义--作业
-第2小节 MEMS的应用领域
-第2小节 MEMS的应用领域--作业
-第3小节 MEMS的发展
--MSMS的发展
-第3小节 MEMS的发展--作业
-第4小节 MEMS的发展(续)
-第4小节 MEMS的发展(续)--作业
-第1小节 应力和应变
--应力与应变
-第1小节 应力和应变--作业
-第2小节 弹性梁
--弹性梁
-第2小节 弹性梁--作业
-第3小节 弹性梁(续)
--弹性梁(续)
-第3小节 弹性梁(续)--作业
-第4小节 薄板与流体的基本概念
-第4小节 薄板与流体的基本概念--作业
-第5小节 流体的基本概念(续)
-第5小节 流体的基本概念(续)--作业
-第6小节 静电力
--静电力
-第6小节 静电力--作业
-第7小节 尺寸效应
--尺寸效应
-第7小节 尺寸效应--作业
-第1小节 MEMS光刻技术
--MEMS光刻技术
-第1小节 MEMS光刻技术--作业
-第2小节 体微加工技术—各向同性湿法刻蚀
-第2小节 体微加工技术—各向同性湿法刻蚀--作业
-第3小节 体微加工技术—各向异性湿法刻蚀
-第3小节 体微加工技术—各向异性湿法刻蚀--作业
-第4小节 体微加工技术—各向异性湿法刻蚀(续)
-第4小节 体微加工技术—各向异性湿法刻蚀(续)--作业
-第5小节 体微加工技术—干法刻蚀
-第5小节 体微加工技术—干法刻蚀--作业
-第6小节 体微加工技术—时分复用深刻蚀
-第6小节 体微加工技术—时分复用深刻蚀--作业
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-第8小节 体微加工技术—稳态深刻蚀
-- 体微加工技术—稳态深刻蚀
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-第9小节 体微加工技术—干法刻蚀设备与应用
-第9小节 体微加工技术—干法刻蚀设备与应用--作业
-第1小节 表面微加工技术概述
-- 表面微加工技术概述
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-第2小节 表面微加工技术的几个问题
-第2小节 表面微加工技术的几个问题--作业
-第3小节 表面微加工代工工艺
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-第4小节 表面微加工的应用
--表面微加工的应用
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-第5小节 厚结构层技术
-- 厚结构层技术
-第5小节 厚结构层技术--作业
-第1小节 键合概述与直接键合
-- 键合概述与直接键合
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-第2小节 阳极键合与聚合物键合
-第2小节 阳极键合与聚合物键合--作业
-第3小节 金属键合与键合设备
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-第1小节 工艺集成
-- 工艺集成
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-第2小节 系统集成
--系统集成
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-第3小节 单芯片集成与多芯片集成
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-第4小节 三维集成
--三维集成
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-第5小节 MEMS封装
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-第3小节 电容传感器与压电传感器
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-第4小节 谐振传感器与遂穿传感器
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-第1小节 压力传感器
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-第5小节 硅微麦克风
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-第7小节 模态解耦合
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--执行器概述
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-第5小节 热执行器
--热执行器
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-第6小节 压电执行器和磁执行器
-- 压电执行器和磁执行器
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-第1小节 RF MEMS概述
-- RF MEMS概述
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-第5小节 MEMS谐振器—梳状谐振器
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-第7小节 MEMS谐振器的制造
-第7小节 MEMS谐振器的制造--作业
-第1小节 光学MEMS概述
-- 光学MEMS概述
-第1小节 光学MEMS概述--作业
-第2小节 MEMS光开关I
--MEMS光开关I
-第2小节 MEMS光开关I--作业
-第3小节 MEMS光开关II
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-第3小节 MEMS光开关II--作业
-第4小节 影像再现I—反射器件
-- 影像再现I—反射器件
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-第5小节 影像再现II—衍射器件
-第5小节 影像再现II—衍射器件--作业
-第6小节 影像再现III—干涉器件
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-第1小节 概述
-- 概述
-第1小节 概述--作业
-第2小节 软光刻技术
--软光刻技术
-第2小节 软光刻技术--作业
-第3小节 微流体输运
--微流体输运
-第3小节 微流体输运--作业
-第4小节 微流体输运(续)
--微流体输运(续)
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-第5小节 试样处理
--试样处理
-第5小节 试样处理--作业
-第6小节 试样处理(续)
--试样处理(续)
-第7小节 检测技术
--检测技术
-第8小节 微流体应用
--微流体应用
-第8小节 微流体应用--作业
-第9小节 微流体应用(续)
--微流体应用(续)
-第9小节 微流体应用(续)--作业
-第1小节 概述
--概述
-第1小节 概述--作业
-第2小节 药物释放 神经探针 生物传感器
-第2小节 药物释放 神经探针 生物传感器--作业
-第3小节 可穿戴与可植入微系统
-第3小节 可穿戴与可植入微系统--作业


