当前课程知识点：MEMS与微系统 > 第六章 RF MEMS > 第4小节 MEMS开关III > MEMS开关III
对于RF MEMS器件我们需要注意到一点
特别是对于开关器件
通常来讲如果采用单向的偏置电压
会导致器件的介质层处在一个充电的状态
那么会产生一个永久性的静电力
这个永久性的静电力在比较合适的时候
会导致器件的粘连
因此 我们一般会采用一个双极型的
不归零这样的一个静电偏置
以在正相位和反相位的时候
对介质层的充电进行放电
那么由于静电偏置不产生电流
可以使用高阻偏置线
而不必使用这种射频的扼流圈
接下来我们来看一下
RF MEMS开关的制造
通常来讲MEMS的开关会采用
表面微加工的技术
主要的原因是器件本身需要悬空
另外器件本身也是一个可以上下动作的悬空梁
那么这两点都会有利于采用表面微加工技术
我们具体看一下开关的制造流程
首先我们在一个硅衬底上通过热氧的方式
形成一层绝缘层
然后利用沉积和刻蚀来制造驱动器的驱动电容
以及信号传输线的电极
对于防止粘连的部分我们还需要在器件表面
通过PECVD等方式来沉积一层介质层
例如二氧化硅
对二氧化硅进行图形化
然后来沉积一层牺牲层
比如说高分子的材料或者光刻胶
那么在上方接下来来沉积开关的结构层材料
一般的是金属或者是氮化硅
最后把牺牲材料刻蚀去除
我们就得到了一个悬空结构的
一个MEMS开关
MEMS的开关在无线通信里面
有非常多的应用
比如说对于天线的收发开关
可以实现天线接收信号和发送信号的切换
另外可以对天线实行不同频率的
阻抗匹配的调整
还可以实现对于不同工作频段的切换
那么以及对于功率放大器
进行阻抗匹配的切换等等
例如对于4G的LTE天线
4G LTE那么它需要兼容
从700兆到2.7GHz这样的
一个宽频段范围
包括收发的切换
天线的调谐等等我们都需要
用到MEMS的开关
对于阻性的开关和容性的开关
在无线通信领域里是有不同的应用的
我们从这张图可以看出来对于有些应用
我们希望采用直接的接触式开关
而对于有些应用我们希望采用
电容式的耦合开关
那么对于不同的应用
这两者具有不同的优势
因此在选择的时候需要根据开关的特点
和实际应用的场合来决定
衡量MEMS开关的参数有很多
这里边最重要的有几点
一个是插入损耗
一个是隔离度
这是关于器件本身的电学性能
还有是驱动电压 开关速度
那么这是来使器件工作所需要的外部条件
以及信号的传输频率
通常来讲对于RF MEMS的开关
那么它的驱动电压比较高
一般10伏甚至于超过100伏
但是它的插入损耗很低
它的隔离度也很好
那么这是其它常用的电子开关所不具有的特性
但是RF MEMS开关在驱动电压较高的同时
它的开关动作仍旧是比较慢的
这是由于机械动作本身的特点来决定的
我们可以看出来对于RF MEMS开关
通常来讲它的动作时间在微秒的量级
甚至于更高
同时它可以传输的信号频段也是比较高的
那么超出了我们一般常用电子开关的
一些频段范围
RF MEMS的开关有很多的优点
但是它有一些缺点
我们来看一下
最显著的一个缺点就是驱动电压比较高
这是由于想将一个悬空的微结构下拉
与衬底接触的时候我们需要一个
比较大的驱动电压
这个电压通常在10伏以上甚至于上百伏
如果想应用RF MEMS的开关
那么需要信号处理电路能够处理
这么高的一个电压范围
因此我们需要一个高压的电荷泵
同时它的开关动作速度比较慢
那么除此以外RF MEMS开关
需要工作在一个真空的环境下
因此需要一个真空的封装
对于单独的一个器件来实现一个真空的封装
那么它的成本还是比较高的
最后RF MEMS开关
涉及到一个非常广泛的一个可靠性的问题
这里边包括结构反复动作的时候
它的疲劳可靠性
以及接触电学特性的衰退
还有包括粘连的问题
例如介质层的充电
温度的诱导
以及在接合状态下大电流所导致的
微熔焊等等都会产生一些粘连的现象
那么粘连一旦发生就会使
RF MEMS开关彻底失效
我们从这个图可以看出来
常见的应用它对寿命 电阻 隔离度
和开关速度等等的一些要求
那么RF MEMS开关目前已经能
逐渐满足这些要求
并且在实际中得到了一定的应用
下面我们来看几个已经量产的
RF MEMS开关的例子
目前 进入量产状态的RF MEMS
开关的厂家包括ADI Radant
松下 欧姆龙以及Baolab
和Qorvo的
这些公司它们有各自的产品
每个产品所应用的对象也有些不同
我们先来看欧姆龙公司的一个MEMS的
一个单刀双掷电阻式的开关
这是开关的器件结构
我们从结构上可以看出来它分为三层
下面一层是在玻璃衬底上的
信号传入线和控制电极
中间一层是可以动作的一个开关结构
上边一层是另一个玻璃
那么它与下层的玻璃之间
实现一个真空腔的封装
这个表看到的是整个欧姆龙开关的
一些性能参数
我们可以看出来它的驱动电压需要达到34伏
这是一个非常高的电压
另外 它的漏电流很低
接触电阻也很小
但是它需要的开关时间却达到了100个微秒
下面这一个是DelfMEMS公司
所生产的一个电阻式的开关
DelfMEMS公司在2005年成立
但是到2016年已经倒闭了
尽管如此它的开关结构具有一定的特点
我们还是把它作为一个例子向大家介绍一下
首先它和我们前面讲到的开关有一点不同的是
它采用了一个推拉的工作模式
或者我们也可以把它叫做一个推挽的工作模式
它通过内侧两个绿色的电极来吸引
整个开关的上下动作
在两个电极的外侧各有两个支撑点
这两个支撑点使得开关实际接触的位置
通过支撑点做一个杠杆式的变化
那么它的优点是能够将驱动电压
降到比较低的程度
同时动作速度也比较快
我们来看它的参数
在驱动电压12伏的时候
开关时间会小于20个微秒
如果把驱动电压提高到35伏
那么驱动电压会小于一个微秒
这一页我们看到的是
Cavendish Kinetics公司的一个产品
那么这个产品是一个典型的一个电容式的开关
其器件结构与我们前面介绍的没有大的不同
它可以在很多场合应用
2015年有超过10家手机制造厂
超过20个型号的4G手机
采用了这样的一个开关
这幅图给大家看到的是 RadantMEMS公司的
一个产品
那么这是一个非常典型的一个
电阻接触式的一个开关
与我们前面介绍的基本相同
那么这个公司利用这样的一个开关
实现了一个从直流到20GHz的移相器
那么通过开关来切换信号传输的通路
可以来决定信号传输的相位大小
从而实现移相
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--MEMS的定义
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-第2小节 MEMS的应用领域--作业
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