射頻MEMS開關(guān)技術(shù)的最新進(jìn)展解析

中心議題：

介紹新型MEMS解決方案

總結(jié)MEMS開關(guān)技術(shù)的發(fā)展優(yōu)勢與趨勢

解決方案：

DPDT開關(guān)在封裝內(nèi)集成兩個獨立的SPDT開關(guān)，減小整個開關(guān)系統(tǒng)的尺寸、成本和復(fù)雜性

SP4T開關(guān)通過集成柵電阻的方式最大限度地減小整個開關(guān)的尺寸

26.5GHz的SPDT開關(guān)實現(xiàn)信號完整性極高的開關(guān)控制，支持?jǐn)?shù)據(jù)速率達(dá)20Gbps以上的差分信號應(yīng)用

由于MEMS開關(guān)是采用半導(dǎo)體制造工藝制成的，因此它們采用表面安裝之類的封裝技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)極小的外形尺寸。采用已有的批量制造技術(shù)，并且積極改進(jìn)工藝從而在產(chǎn)量增大時迅速降低器件成本，MEMS開關(guān)的生產(chǎn)可以形成較大的規(guī)模。在MEMS開關(guān)的制造過程中采用自適應(yīng)半導(dǎo)體質(zhì)量控制技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)可與其他半導(dǎo)體器件相媲美的質(zhì)量（缺陷水平為ppm量級），不斷提高M(jìn)EME開關(guān)的壽命可靠性。

這使得MEMS開關(guān)相比其他開關(guān)技術(shù)具有更顯著的優(yōu)勢。相比其他機(jī)械式繼電器（機(jī)電式和簧片式繼電器），MEMS開關(guān)的尺寸更小，介入損耗更低，帶寬更大，開關(guān)速度更快。相比半導(dǎo)體開關(guān)（FET和PIN二極管），MEMS開關(guān)具有更低的介入損耗、更高的線性度、更大的帶寬（完全直流操作）和更強(qiáng)的功率處理性能。最重要的是，人們對MEMS開關(guān)的研究與應(yīng)用才剛剛開始，今后有望更進(jìn)一步地提高它的性能和可靠性。

新型MEMS解決方案

TeraVicta公司推出了三種新型MEMS開關(guān)產(chǎn)品，以應(yīng)對面臨的開關(guān)技術(shù)挑戰(zhàn)。其中包括為已有的7GHz開關(guān)系列增加了一種DPDT（雙刀雙擲）和SP4T開關(guān)，以及一種最新的高性能26.5GHz SPDT開關(guān)。DPDT開關(guān)在一個封裝內(nèi)集成了兩個獨立的SPDT開關(guān)，減小了整個開關(guān)系統(tǒng)的尺寸、成本和復(fù)雜性。通過在柵線內(nèi)（在器件封裝內(nèi)）集成薄膜電阻進(jìn)一步壓縮了器件尺寸，尤其有利于構(gòu)建內(nèi)含數(shù)百只開關(guān)的ATE應(yīng)用（例如DUT負(fù)載板）。所有三種開關(guān)都提供3.8×5.1mm的mini-BGA芯片級封裝，預(yù)植了Pb/Sn和兼容RoHS的焊球。

與DPDT開關(guān)一樣，SP4T開關(guān)通過集成柵電阻的方式最大限度地減小了整個開關(guān)的尺寸。SP4T采用這種合成結(jié)構(gòu)能夠在mini-BGA封裝內(nèi)實現(xiàn)之前只能由同軸機(jī)電式繼電器實現(xiàn)的相同功能。SP4T支持測試與儀器應(yīng)用中信號多路復(fù)用所需的高性能扇出功能（如圖3所示），還支持無線系統(tǒng)的頻帶與濾波器開關(guān)應(yīng)用，這類應(yīng)用通常需要低介入損耗、高線性度和低功耗。SP4T開關(guān)采用的緊湊式表面安裝封裝能夠在一塊PC板上構(gòu)建出高性能的4×4開關(guān)矩陣，代替使用同軸開關(guān)的機(jī)架式系統(tǒng)。

圖3：7GHz SP4T開關(guān)的性能。

高性能26.5GHz SPDT開關(guān)大大增強(qiáng)了TeraVicta系列開關(guān)產(chǎn)品的性能。如圖4中的SEM圖所示，這種開關(guān)在SPDT開關(guān)的每條腿上集成了雙HFDA，在柵線中集成了薄膜電阻，在開關(guān)柱（switch beam）上集成了偏壓電阻［3］。采用相同的HFDA技術(shù)能夠確保這種26.5GHz開關(guān)與之前的7GHz系列開關(guān)產(chǎn)品具有同樣的可靠性、功率處理性能和線性度。

圖4：26.5GHz SPDT開關(guān)的SEM圖。

它在SPDT開關(guān)的每條腿上集成了雙HFDA。圖（a）是SPDT的頂部視圖，（b）是側(cè)面視圖。

26.5GHz SPDT開關(guān)的射頻性能如圖5所示。在從直流到12GHz的頻率范圍內(nèi)它的介入損耗低于0.4dB，在最高24GHz頻率下的介入損耗小于0.9dB。在從直流到12GHz的頻率范圍內(nèi)它的隔離度大于30dB，在最高26GHz的頻率下隔離度大于18dB。在從直流到26.5GHz的整個開關(guān)帶寬內(nèi)，其回波損耗優(yōu)于17dB。根據(jù)上述特性，這款26.5GHz的SPDT開關(guān)能夠在15Gbps以上帶寬的應(yīng)用中實現(xiàn)信號完整性極高的開關(guān)控制，能夠支持?jǐn)?shù)據(jù)速率達(dá)20Gbps以上的差分信號應(yīng)用。這一帶寬足以滿足精確測試新一代高性能處理器、DSP、FPGA和存儲子系統(tǒng)的需求，這些器件和系統(tǒng)大多集成了高速互聯(lián)協(xié)議，例如SRIO（serial rapid IO，串行高速IO）、PCIe（PCI Express）和10Gb以太網(wǎng)（10GE/OC-192）。

圖5：26.5GHz SPDT開關(guān)的典型射頻性能。

本文小結(jié)

數(shù)字測試、儀器和無線通信領(lǐng)域的新興應(yīng)用需要高性能的開關(guān)產(chǎn)品。未來的應(yīng)用將延續(xù)這一趨勢——需要更寬的帶寬、更低的損耗、更高的電阻可重復(fù)性和更高的線性度。以TeraVicta為代表的開關(guān)產(chǎn)品供應(yīng)商將繼續(xù)利用MEMS開關(guān)技術(shù)的優(yōu)勢，推動新一代開關(guān)產(chǎn)品的發(fā)展，滿足最新應(yīng)用的需求。