RF MEMS开关技术简介

B@10 GHz。

2 MEMS开关的发展现状与优缺点

世界上第一个MEMS开关是由美国IBM的K.E.Peterson[5]研制成功的，受当时MEMS加工工艺的限制，该开关的性能并不稳定；直到20世纪90年代，随着MEMS加工技术发展，MEMS开关才取得了跨越式的进步：如1991年Larson[6]制作的旋转式MEMS开关,1996年Goldsmith[7]等人研制出一种低驱动电压电容式MEMS开关，1998年Pachero[8]设计的螺旋型悬臂式MEMS开关结构等，以上各类开关不同性能都在一定程度上有所提升。进入21世纪以来，深入研究RF MEMS开关的公司、研究机构越来越多，国外的有美国Raytheon公司、Motorola公司、麻省理工大学、哥伦比亚大学、加州大学伯克利分校，韩国三星公司、LG公司、首尔大学，日本三菱株式会社、松下公司等，国外的很多商业公司对MEMS开关的研究已进入产品化阶段。国内的MEMS开关研究起步较晚，相关的科研院所有清华大学、东南大学、北京邮电大学、南京电子器件研究所、石家庄54所等。

MEMS开关与传统开关相比具有损耗低、功耗低、线性度好、隔离度高、尺寸小、易集成等优势，避免了传统FET、pin开关由于P-N结和金属半导体结带来的欧姆损耗、I-V非线性，克服了传统外置分立元件带来的体积大、功耗大和元件连线带来的寄生影响，可代替传统半导体器件应用于微波系统中，例如RF MEMS移相器、RF MEMS 智能天线、T/R模块、雷达预警、战术战略侦察、卫星组网和制导等军事领域，还可应用于手机等移动设备、消费级电子产品和导航系统等民用领域。但是MEMS开关还具有以下的缺点：

（1）驱动电压较高：MEMS开关需要驱动机械结构，故驱动电压通常达到了20~80 V甚至更高，而普通开关一般需要3~5 V。降低驱动电压是MEMS开关的研究热点之一，通过优化开关结构、材料可以有效降低开关驱动电压。

（2）可靠性较差：MEMS开关易受到应力、潮湿、高温高压等内外界因素的影响，发生断裂、粘附、介质击穿等失效现象，导致开关可靠性降低，MEMS开关的寿命很低，通常只有1~100亿次。

（3）开关时间长：MEMS开关的开关速度很慢，开关时间在微秒级，是传统开关的1 000倍。

（4）环境要求高：MEMS开关对于工作环境的要求较高，开关的封装质量对开关的性能影响很大，封装的高成本是开关集成商业化应用的瓶颈。

（5）功率处理能力低：处理大功率的射频信号易导致MEMS开关失效，降低开关的可靠性，这大大限制了MEMS开关在大功率射频领域的应用。

3 MEMS开关技术主要问题

根据MEMS开关不同的结构和功能，相应会有不同的工艺技术和问题。一般面临的主要问题有牺牲层技术、封装技术、可靠性问题等。

3.1 牺牲层技术

在制作RF MEMS开关的过程中，需要借助牺牲层来实现微桥等悬空结构的制作。通常的工艺步骤是在传输线或下电极上沉积牺牲层，再在牺牲层上沉积所要制作的悬空结构，最后将牺牲层去除，释放悬臂、微桥等结构。牺牲层采用的材料主要有正性光刻胶、聚酰亚胺、SiO2等，光刻胶和聚酰亚胺做牺牲层的工艺方法类似，都是经过旋涂、固化、图形化等步骤，最后再将牺牲层去除，两种材料都可以采用湿法腐蚀和干法刻蚀的方法来去除，光刻胶易溶于丙酮故容易释放，但在140 ℃以上的高温易变性，变性后的光刻胶用湿法和干法都难以去除，使用对于后续工艺条件产生很大的限制；聚酰亚胺稳定工作的温度高于光刻胶，在230 ℃以下可以用NaOH溶液腐蚀，也可以采用等离子体刻蚀的方法来去除。SiO2容易生长，表面相对平整，一般使用HF缓冲液去除，长时间的浸泡会影响硅片与金属的黏附性。牺牲层材料的选取应当综合考虑后续工艺条件及释放工艺的可行性。

聚酰亚胺综合考虑牺牲层技术与其他工艺的兼容性及释放的难易来选择材料及工艺，在RF MEMS开关微桥的释放工艺中,主要采用可溶性的聚酰亚胺作为牺牲层。去除牺牲层的方法主要有干法刻蚀和湿法腐蚀。

3.2 封装技术

RF MEMS开关因其本身体积孝重量轻等原因在工作时极易受到外界振动、湿度、温度等环境的影响，对MEMS开关进行封装不仅可以有效隔离外部环境的影响，还为实现与外电路及其他部件的沟通搭建了桥梁，为MEMS开关能够良好地放置、固定提供机械支撑[9]，高质量的封装技术将会大大提升MEMS开关的性能。对不同的MEMS开关设计不同的封装技术，克服封装条件严苛、成本昂贵等难题，使其能够与开关结构良好兼容、匹配，是MEMS开关器件发展过程中的重要一环。MEMS开关在封装过程中应当要解决以下问题：(1)封装材料的选取：据MEMS开关封装起到的坚实基底、实现互连