RF MEMS开关技术简介

RF MEMS是MEMS（微机电系统）与RF(射频)技术相结合的一门新技术， MEMS器件具有体积小、易集成、功耗低、可靠性高等优点，可代替传统无线通信系统中的半导体器件。RF MEMS不仅可以以器件的方式应用于电路，例如MEMS开关、MEMS电容、MEMS谐振器；还可以将单个器件集成到同一芯片组成组件和应用系统，例如滤波器、压控振荡器、移相器、相控阵雷达天线等，这大大缩减了传统器件的体积，降低了功耗，提升了系统的性能。RF MEMS开关作为RF MEMS中的重要器件之一，其性能对微机电系统的影响日益深远。

1 MEMS开关的分类及现状

根据MEMS开关机械结构的驱动方式可将开关分为静电驱动、电磁驱动、电热驱动和压电驱动：

（1）静电驱动式开关主要依靠开关上下极板之间的静电力来控制开关的闭合。优点：制作简单、易集成；缺点：驱动电压高、易受环境影响、稳定性差。（2）电磁驱动式开关利用电流产生的磁场力驱动可动构件来实现开关通断。优点：驱动电压低、驱动力高、不易受环境影响、不易被击穿；缺点：稳定性差、不易控制。

（3）电热驱动式开关利用材料通电产生的热膨胀效应来实现开关动作。热驱动的优点是制作简单、驱动电压低、接触力大、开关动作幅度大；缺点是开关时间长、功耗高。

（4）压电驱动的开关是利用压电材料通电产生的逆压电效应实现开关的通断。优点：稳定性较强、驱动电压低、功耗低；缺点：技术尚未成熟、工艺复杂。

静电驱动方式技术较为成熟，研究最为广泛，是目前应用最多的驱动机制。根据开关接触方式可分为电容耦合式和欧姆接触式，根据开关接入射频电路的方式可分为串联式和并联式。将上述两类开关组合就形成了串联电容式、并联电容式、串联接触式、并联接触式开关。

1.1 电容式开关

电容式MEMS开关的工艺相对简单，主要组成部分为可动结构、金属电极、信号传输线、绝缘介质层。通过机械运动调节可动结构与传输线之间的空气间隙来控制开关的通断，该类开关主要应用于高频段，是目前研究较为广泛的MEMS开关。

（1）串联电容式开关

串联电容式MEMS开关将电容耦合至传输线的输出端。未加电压时，输入输出端的电容很小，信号无法通过耦合电容，开关呈"开"态；当加入电压时，可动结构受到静电力向输出端移动，输入输出之间的电容变大，信号被耦合至输出端，开关呈"关"态。

串联电容式开关的研究较少，侯智昊[1]等利用薄膜沉积中产生的内应力使MEMS桥膜向上发生翘曲，提高了开关的隔离度，其插入损耗为-0.88 dB@3 GHz，在-0.5 dB@6 GHz，隔离度为-33.5 dB@900 MHz、-24 dB@3 GHz和-20 dB@5 GHz，适合应用于3~5 GHz频段。

（2）并联电容式开关

并联电容式开关是将电容耦合至地线，工作原理同串联电容式开关相同，而结构略有不同。当不加电压时，开关处于"开"态，当加上驱动电压时，金属膜与绝缘材料形成的电容最大，高频信号被耦合至地线，开关实现"关"态。

Reytheon公司[2]研制的并联开关已达世界顶尖水平，其主要参数为驱动电压30 V，插入损耗<0.2 dB@30 GHz，隔离度>40 dB@30 GHz。

1.2 接触式开关

接触式MEMS开关是利用金属—金属直接接触来形成信号通路，在微波传输的较高频段，金属接触易产生寄生效应，故该类开关常应用于低频段。开关的上下极板在外加电压的驱动下产生静电力，使开关闭合并将信号传输线导通；当撤除外加电压，开关的上电极板通过自身的机械回复力使开关断开。接触式MEMS开关一般分为串联式和并联式，两种开关导通原理相同，区别在于信号传输线的导通方式不同。

（1）串联接触式开关

以悬臂式结构的开关为例，当开关电压加到驱动电压以上时，开关上下接触电极间的静电力将悬臂梁拉下，信号在地线与信号线之间形成微波通路，接触电极以串联的形式将信号线导通。

Yao[3]采用表面微加工工艺制作了一种单刀单掷接触串联式MEMS开关，该开关具有很好的工艺兼容性，驱动电压30 V，开关寿命也相对延长。隔离度>50 dB@<40 GHz，插入损耗<0.12 dB@<40 GHz。

（2）并联接触式开关

接触并联式开关同接触串联式不同的是，当悬臂梁被拉下后，接触电极并未将信号通路接通，而是将信号通路与地线相连，将信号旁路到地线，这类开关在小于20 GHz有较好的插入损耗和隔离度，这类开关的研究还比较少[4]。

台湾大学研制出一种旁路型曲梁欧姆接触式开关。开关的驱动电压约为26~30 V，切换时间约为10 ms，插入损耗为0.5 dB@10 GHz，隔离度为17 d