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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 IGbps,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。

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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（典型值为土2mQ）和低介入损耗（＜0.04dB@1GHz）开关触点 之间的气密间隙实现了高隔离度（＞40dB@1GHz）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（IP3>75dBm）和极低的调制间失真（IM3>105dBm）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15W@1GHz）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3.8X5.1mm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oSP4T 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4X4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)tlI阴曲伽,600O.M -5.C4 10-00 1£.D0 却LOOFrwquefity（GHs）.InsHribcii lessRfltvrn Lph0.00靈 **0J cats--32£JW鉞別7E0O2SEO眶JM站呦睥w2fa 托 M图5：26.5GHz SPDT开关的典型射频性能 本文小结数 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。

作者： John McKillop 首席技术官和产品研发副总裁TeraVicta 技术公司。