了射频微机电系统(MEMS)开关技术的最新进展及其优势

了射频微机电系统(MEMS)开关技术的最新进展及其优势数字测试、仪器和无线通信领域的新兴应用需要高性能的开关产品。未来的应用将延续这一趋势需要更宽的带宽、更低的损耗、更高的电阻可重复性和更高的线性 度。以TeraVicta为代表的开关产品供应商将继续利用MEMS开关技术的优势，推动新一代开关产品的发展，满足最新应用的需求。 关键词： 射频 微机电系统 MEMS本文分析了射频微机电系统(MEMS)开关技术的最新进展，介绍了该技术的优势，并对最新的MEMS产品与传统的机械式和机电式继电器和开关进行了对比。一直以来，消费者对更快的处理器速 度与更高的数据通信速率越来越高的要求促使人们不断提高电子器件的性能。这一推动力遍及各个方面，已经成为电子行业的基本特点从设备供应商到元件制造 商和系统集成商。到目前为止，已有开关技术的性能基本上能够满足开关性能增长的需要，开关制造商在很大程度上没有十分迫切的性能需求。但是，电子行业若干 关键领域中的一些重要应用正要求大幅度提高开关的性能。这些应用包括测试与仪器设备，以及无线手持设备与基础架构等。新的挑战开 关技术面临的新挑战主要来源于测试与仪器领域，其中新一代IC器件的时钟与数据速率已经超过了1Gbps，这是大多数已有自动测试设备(ATE)的最高性 能。由于新一代高性能ATE系统往往价格昂贵，研发时间很长，因此器件制造商不得不充分利用现有的工作通常采用负载板上的开关网络构成“环形”通路， 用待测器件(DUT)进行自我测试(如图1所示)。图1：环路测试原理图。这些应用需要低损耗、高带宽的开关(用于环路)，同时提供较高的可重复性和较低的电阻(用于连接ATE系统内高精度的参数测试电子元件)。随着电子器件I/O引脚数量的增加，负载板上的空间局限性也越来越大，这反过来又要求开关元件必须同时缩小尺寸，提高性能。尽 管新一代ATE系统有望能够满足当前的测试需求，但是随着时钟频率和数据速率的增大、信号电平的下降(在更高的时钟速率下降低功耗)和元件引脚数量的不断 增加，人们对信号完整性的要求越来越高。最终结果是下一代ATE系统所需的开关必须能够处理更高频率的信号，具有更大的带宽、更低的功率损耗、更小巧的尺 寸和大幅度提升的电阻可重复性。同样在无线应用中也需要进一步提升开关的性能。面向手持设备和基站系统的新型便携式射频与 无线应用常常需要在较宽的频率范围内以较低的损耗在多个波段之间进行开关切换。下一代无线数据服务将需要Gbps量级的数据带宽，要求信号通路上的元件具 有几个GHz的带宽。提高功率效率的需求将更加迫切，这归因于基础架构领域更苛刻的功率与热耗限制，以及手持设备对器件尺寸和电池寿命的要求。无线频谱的 噪声越来越大，带宽越来越拥塞，需要更高的灵敏度，从而要求减少开关损耗，提高线性度。对于ATE系统而言，这些趋势要求新的开关技术必须增大带宽，同时 减少损耗、尺寸和面积；更加注提高进功率处理能力和线性度，降低成本。数据速率和带宽各 种设计与应用需求促使我们在数据速率达到几个Gbps的应用中必须选择高带宽的开关。高速数字信号完整性教科书指出，信号通路中任何一个截止频率为3dB 的元件的带宽都不应低于数字信号数据速率的1.8倍即基频的3.6倍(基频是数据速率的一半)。因此，要实现较高的10Gbps信号传输完整性，就需 要带宽为18GHz的传输线。从事高速数据通信的工程师经常采用“眼图”作为衡量信号完整性的一个指标。打开的眼图表明数据通路上的接收器件能够正确分辨时钟边沿和逻辑电平，维持可以接受的误码率水平。图2给出了一个12.5Gbps的信号通过一个26.5GHz的单刀双掷(SPDT)MEMS开关之后的眼图。该图符合上述的1.8x经验法则，其中所需的开关带宽至少为22.5GHz。图2：一个12.5Gbps的信号通过TeraVicta的26.5GHz MEMS SPDT开关TT1244之后的眼图。其 他的数据、时钟和信号格式有可能在更低的带宽下维持较低的误码率。因此，设计在采用开关连接差分数据通路时，通常使用大小只有基频三倍的截止频率(即 1.5x的数据速率)。TeraVicta的7GHz MEMS开关系列(9GHz以上3dB的截止频率)对于差分信号应用具有最高5Gbps的出色性能，从而为高频设计提供了良好的支持。在“模拟”应用中采用这些经验法则时应该特别注意，其中的目标是以最小的失真准确测量数字信号的电压波形。人们在设计针对这类测量应用的高速仪器时通常采用最小截止频率至少为目标基频五倍的元件。为何选择MEMS？MEMS开关融机电式继电器和半导体开 关的优势于一身，能够应对开关元件在性能、尺寸和线性度方面所面临的挑战。近来发表的一些文章2已经详细介绍了MEMS开关的设计、性能与可靠性问 题。其主要特点是，采用独特的具有低阻欧姆开关触点的HFDA(高强度磁盘驱动器)实现了高阻可重复性(典型值为2m)和低介入损耗 (40dB1GHz)下的高可靠性。这类开关的全金属结构实现了非 常高的线性度(IP375dBm)和极低的调制间失真(IM3105dBm)。如果利用这类器件的低介入损耗特性，还能够在高射频功率下 (最高15W1GHz)实现连续的无失真操作。 由于MEMS开关是采用半导体制 造工艺制成的，因此它们采用表面安装之类的封装技术能够实现极小的外形尺寸。采用已有的批量制造技术，并且积极改进工艺从而在产量增大时迅速降低器件成 本，MEMS开关的生产可以形成较大的规模。在MEMS开关的制造过程中采用自适应半导体质量控制技术能够实现可与其他半导体器件相媲美的质量(缺陷水平 为ppm量级)，不断提高MEME开关的寿命可靠性。这使得MEMS开关相比其他开关技术具有更显著的优势。相比其他机械式 继电器(机电式和簧片式继电器)，MEMS开关的尺寸更小，介入损耗更低，带宽更大，开关速度更快。相比半导体开关(FET和PIN二极管)，MEMS开 关具有更低的介入损耗、更高的线性度、更大的带宽(完全直流操作)和更强的功率处理性能。最重要的是，人们对MEMS开关的研究与应用才刚刚开始，今后有 望更进一步地提高它的性能和可靠性。新型MEMS解决方案TeraVicta公 司推出了三种新型MEMS开关产品，以应对面临的开关技术挑战。其中包括为已有的7GHz开关系列增加了一种DPDT(双刀双掷)和SP4T开关，以及一 种最新的高性能26.5GHz SPDT开关。DPDT开关在一个封装内集成了两个独立的SPDT开关，减小了整个开关系统的尺寸、成本和复杂性。通过在栅线内(在器件封装内)集成薄膜 电阻进一步压缩了器件尺寸，尤其有利于构建内含数百只开关的ATE应用(例如DUT负载板)。所有三种开关都提供3.85.1mm的mini-BGA芯 片级封装，预植了Pb/Sn和兼容RoHS的焊球。与DPDT开关一样，SP4T开关通过集成栅电阻的方式最大限度地减小了整个开关的尺寸。SP4T采用这种合成结构能够在mini-BGA封装内实现之前只能由同轴机电式继电器实现的相同功能。SP4T支持测试与仪器应用中信号多路复用所需的高性能扇出功能(如图3所示)，还支持无线系统的频带与滤波器开关应用，这类应用通常需要低介入损耗、高线性度和低功耗。SP4T开关采用的紧凑式表面安装封装能够在一块PC板上构建出高性能的44开关矩阵，代替使用同轴开关的机架式系统。图3：7GHz SP4T开关的性能。高 性能26.5GHz SPDT开关大大增强了TeraVicta系列开关产品的性能。如图4中的SEM图所示，这种开关在SPDT开关的每条腿上集成了双HFDA，在栅线中集 成了薄膜电阻，在开关柱(switch beam)上集成了偏压电阻3。采用相同的HFDA技术能够确保这种26.5GHz开关与之前的7GHz系列开关产品具有同样的可靠性、功率处理性能 和线性度。图4：26.5GHz SPDT开关的SEM图。它在SPDT开关的每条腿上集成了双HFDA。图(a)是SPDT的顶部视图，(b)是侧面视图。26.5GHz SPDT开关的射频性 能如图5所示。在从直流到12GHz的频率范围内它的介入损耗低于0.4dB，在最高24GHz频率下的介入损耗小于0.9dB。在从直流到12GHz的 频率范围内它的隔离度大于30dB，在最高26GHz的频率下隔离度大于18dB。在从直流到26.5GHz的整个开关带宽内，其回波损耗优于17dB。 根据上述特性，这款26.5GHz的SPDT开关能够在15Gbps以上带宽的应用中实现信号完整性极高的开关控制，能够支持数据速率达20Gbps以上 的差分信号应用。这一带宽足以满足精确测试新一代高性能处理器、DSP、FPGA和存储子系统的需求，这些器件和系统大多集成了高速互联协议，例如SRIO(serial rapid IO，串行高速IO)、PCIe(PCI Express)和10Gb以太网(10GE/OC-192)。图5：26.5GHz S