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早在1979年,微电子机械开关就被用于转换低频电信号。从那时开始,开关设计就采用悬臂、旋转和隔膜的布局来实现RF和微波频率下的良好性能。RF MEMS表现出低损耗、低功耗和没有互调失真。对于有微秒开关速度就足够的应用来说,这些器件用于取代传统FET或p-i-n二极管开关极有吸引力。
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3. 有源RF MEMS元器件
有源RF MEMS器件主要是RF开关。RF MEMS开关可按两种方式分类:起动机制和接触类型。要实现开关动作有多种方式。其中一些起动方法包括:静电、热、磁和铁电。到目前为止最常用的是静电起动,因为它的功耗低,起动时间短。本文讨论的所有开关都用静电起动。但静电起动会降低RF功率处理能力,造成与电压的非线性起动。 RF MEMS开关可有一个欧姆(DC)接触或电容接触。欧姆开关是把两个金属表面拉近,使其相互接触来产生DC接触。电容开关则在这两个表面之间放一RF介质材料。欧姆开关一般用作串联开关,在DC下操作良好,但在60 GHz以上则因寄生串联电容而导致效果较差。电容开关一般用在并联开关结构中,在低频操作(<100 MHz)下有局限。经验证上述每种开关都具有很好的RF性能,并且都制造出了世界级的电路。 4. 欧姆开关 金属接触开关包括了DC-60 GHz范围,有两个设计表现出了突出的性能:Rockwell科学公司的开关和模拟器件/Radant公司的开关。Rockwell串联开关是宽边开关,在接触面积的每边有两个下拉电极。开关隔膜由一层氮化物/金膜组成,悬挂在衬底上方2.5μm处。下拉电极为75 μm2,起动电压是70-80V。在每个接触面积上都有两个3 μm2的接触点。在此需要小接触点来降低金属-金属粘附,增加接触压力。产生的接触力为100μN每接触,金-合金接触的总开关电阻不到1.5Ω。这使开关插入损失在50GHz以下时为0.1-0.2dB。开关向上状态(upstate)的电容只有1.75 fF,因此在4 GHz(45dB)甚至40 GHz(25dB)以内有很高的绝缘性。Rockwell科学公司的开关已经用于现代化X带和Ka带移相器,被视为目前最佳性能的金属接触开关之一,特别是在10-50 GHz操作时。 Radant MEMS/模拟器件公司的串联列式(inline)开关用7-8μm厚的金悬臂制造,悬挂在衬底上方1μm处。现在已制造的有2接触、4接触和8接触几种设计。主要的权衡选择是在向上状态电容的上升(和更差的绝缘性)与N接触开关(N>2)的低开关电阻(和功率处理能力的上升)之间。2接触开关非常紧密,尺寸为75 x 30 μm2。2接触开关的弹性系数为60-80 N/m,因此其起动电压为70-80V,开关时间为2μs。接触力约为100μn,Pt类接触金属的开关电阻为2.5 Ω(8接触设计的电阻下降到0.7 Ω左右)。2接触和8接触设计的向上状态电容分别为13 fF和40 fF。在4 GHz下的绝缘测量值分别为28 dB和20 dB。 Radant MEMS/模拟器件是采用顶层硅圆片和450℃的玻璃-玻璃密封进行气密性封装。MEMS开关是悬臂设计,因此可承受这一温度。封装后的8接触开关经过>10亿循环的100mW RF功率试验(冷开关)没有出现问题。 5. 电容开关 最为人所知的电容开关是雷声公司的电容隔膜开关。它是由一个铝薄膜(~0.5 μm)组成,悬挂在一金电极薄膜(~0.5μm)上4μm,该电极薄膜以氮化硅层覆盖。当在隔膜和电极之间施加电压(~30V)时,隔膜跳下到介质上,形成高值电容器。实际上它是数字可调的电容器,断开电容为35 fF,接通电容为3 pF。和大多数静电MEMS开关一样,开关吸引的功率很少,起动隔膜所需能量不到10 nJ,开关时间不到10μs。CPW开关的RF功率处理能力在CW RF应用中为500 mW,在脉冲RF应用中为4 W,因为开关的起动和保持电压不相等。但最近的数据表明,微型带式开关的功率处理能力几乎是CPW开关的两倍,因为他们的场分布不同。 雷声的电容隔膜开关在40 GHz内表现出很好的性能。到40GHz的插入损失小于0.1 dB,绝缘性在35 GHz时大于35dB。目前已有大量的工作在验证这一开关的可*性。RF功率水平500 mW以内已可获得超过10亿循环的寿命。最近有有限数量的样品在施加100mW CW RF功率时表现出>100亿起动的寿命。 Lincoln实验室开发的小型电容列式串联开关,其接触面积约为50 x 100μm2,断开状态电容为1.5 pF。这一开关是以围绕在开通状态位置的悬臂为基础,采用三层淀积工艺形成,包括200 nm的压缩PECVD SiO2,500 nm的溅射铝,和200 nm可拉伸PECVD SiO2的封盖层。聚酰亚胺释放层也经过图案形成,以便在悬臂表面形成皱褶。该皱褶用于调整臂的硬度和接触区。悬臂的卷缩运动可带来大的断开态分离距离(8-12 μm),从而带来非常低的向上态电容(8-10 fF)。经过验证电容率达150-200:1,是到目前为止可实现的最高值。下拉电极有一部分在开关下面,开关端部则是电容接触区。下拉电压是30-40 V,使用的保持电压是10 V。开关时间为15-20 μs,这要视起动电压而定。对8个开关进行10 GHz的可*性试验,表现出在10 mW下>200亿的热开关循环,功率处理能力>5W而没有出现烧坏(高频没有提供长期可*性数据)。Lincoln实验室开关有非常高的下拉力(因为开关内存在残余应力坡度),因此在高功率应用中有很大的潜力。 |
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