MEMS开关就是MEMS技术的具体应用。顾名思义,开关就是来控制电路通断状况的，高效、快速反应、准确、重复使用频率、高可靠性是现代电路系统对开关的特殊要求。

MEMS开关的产生?

MEMS开关和其他开关的比较

技术

特点

发展及现状

MEMS开关技术的研究与进展

MEMS开关的应用

MEMS开关的产生?

我们今天所知道的MEMS开关的概念是在20世纪80年代末期90年代初期被提出的。第一份公开发表的论文只是提出了MEMS器件的概念，同时指出了器件设计面临的一些挑战以及它的潜在应用(Koester et al. 1996)。尤其是MEMS开关对射频工程师具有巨大的吸引力，它们的潜力包括减少芯片的总面积、功耗和器件成本。一个RF MEMS开关的照片如图1中所示。MEMS器件最初被唯一的制作在硅衬底上是因为集成电路也是被制造在硅上。硅材料的属性和硅上的制造工艺已经为我们所熟知。

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MEMS开关和其他开关的比较

MEMS器件很快在射频性能上超过固态电子器件，即使早期的MEMS器件在20GHz时的开态插入损耗也只有0.15dB，在相同频率下的一个典型GaAs-FET或PIN二极管的插入损耗接近1dB。

在低于1GHz频率的应用情况中，固态电子开关仍然是首选。它们很便宜、低损耗、易于集成，应用广泛。固态电子开关在千兆赫兹以上时，损耗开始增加，并变得难于集成进开关。这时候MEMS开关的优势就变得明显起来。它们既没有固态电子开关快，可靠性也不高，但它们在电气性能上比固态电子开关更胜一筹。MEMS开关即使在40GHz时，插入损耗也很容易达到0.1dB。开关时间一般在几十微秒，循环次数达到几十亿次。近年来，处理功率达到几瓦的开关也已被报道。

比较参数 　 RF MEMS开关 　 PIN二极管 　 FET晶体管

电压(V) 　 20-80 　 　 3-5

电流(mA) 　 0 　 0-20 　 0

功耗(mW) 　 <0.5 　 5-100 　 -0.5-0.1

开关时间 　 1-300微秒 　 1-100纳秒 　 1-100纳秒

串联电容(fF) 　 1-6 　 40-80 　 70-140

串联电阻(Ω) 　 0.5-2 　 2-4 　 4-6

电容比 　 40-500 　 10 　 N/A

开关频率(THz) 　 20-80 　 1-4 　 0.5-2

隔离度(1-10GHz) 　 非常高 　 高 　 中等

隔离度(10-40GHz) 　 非常高 　 中等 　 低

隔离度(60-100GHz) 　 高 　 中等 　 无

插入损耗(1-100GHz)(dB) 　 0.05-0.2 　 0.3-1.2 　 0.4-2.5

功率处理(W) 　 <1 　 <10 　 <10

三阶交调截取(dBm) 　 +66-80 　 +27-45 　 +27-45

技术

MEMS(Micro Electro Mechanical Systems，微电子机械系统)始于20世纪60年代，加利福尼亚和贝尔实验室开发出微型硅压力传感器，70年代开发出硅片色谱仪、微型继电器。70～80 年代利用微机械技术制作出多种微小尺寸的机械零部件。1988年UC-Muller小组制作了硅静电马达，1989年NSF召开研讨会，提出了“微电子技术应用于电(子)机系统”。微电子机械系统(MEMS)技术是建立在微米/纳米技术基础上的21世纪前沿技术，是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。他可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。这种微电子机械系统不仅能够采集、处理与发送信息或指令，还能够按照所获取的信息自主地或根据外部的指令采取行动。他用微电子技术和微加工技术(包括硅体微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片键合等技术)相结合的制造工艺，制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统。微电子机械系统(MEMS)是近年来发展起来的一种新型多学科交叉的技术，该技术将对未来人类生活产生革命性的影响，他涉及机械、电子、化学、物理、光学、生物、材料等多学科。

技术的基本特点主要包括：

尺寸在毫米到微米范围内；

基于硅微加工技术制造；

与微电子芯片类同,可以批量、低成本生产；

MEMS机械一体化代表一切具有能量转化、传输等功能的效应:包括力、热、声、光、磁乃至化学、生物等；

MEMS 目标是具有智能化的微系统。?

目前对MEMS 的需求产业主要来自于汽车工业、通信网络信息业、军事装备应用、生物医学工程；而按专业MEMS 分4大类：传感MEMS技术、生物MEMS技术、光学MEMS技术、射频MEMS技术。

特点

在MEMS开关发明之前，高频转换都是由发明于20世纪70年代的机械式或者干簧继电器来完成的。最近十年，MEMS技术取得了飞速发展，出现了一大批新型传感器、微机械、微结构和控制元件，有些器件和结构已实现了商业化，而有些即将被推入市场。MEMS技术提高了转换效率，最早的MEMS开关是Petersen于1979年研制的0.35 μm厚、金属包覆的静电悬臂梁开关。但由于制作工艺的限制，此后的十年里MEMS开关没有取得太大的进展。直到20世纪90年代，MEMS开关才获得了巨大发展。1991年，Larson制作了旋转传输线式开关。1995年，Yao采用表面微加工工艺制作悬臂梁开关。1996年，Goldsmith研制出低阈值电压的膜开关。为了降低开关的阈值电压，提高开关的开态稳定性和能量处理能力，1998年Pachero设计了螺旋型悬臂式和大激励极板的MEMS开关结构。开关是微波信号变换的关键元件。和传统的P-I-N二极管开关及FET 开关相比，由于消除了P-N结和金属半导体结，MEMS开关具有以下优点：

(1) 减小了欧姆接触中的接触电阻和扩散电阻，显著地降低了器件的欧姆损耗，高电导率金属膜能以极低的损耗传输微波信号；

(2) 消除了由于半导体结引起的?I-V?非线性，显著减小了开关的谐波分量和互调分量，并且提高了RF MEMS开关的能量处理能力；

(3) RF MEMS开关静电驱动仅需极低的瞬态能量，其典型值大约是10 nJ。当然，MEMS开关微秒级的开关速度使他们无法应用于高速领域。

由于没有非线性，减少了开关谐波分量，提高了开关处理能力。因此，MEMS开关线性度佳、隔离度高;驱动功耗低；工作频带宽，截止频率高(一般大于1 000 GHz)。MEMS开关主要采用静电驱动，从其在电路中的应用，可分成金属-金属接触的电阻接触串联开关和金属-绝缘-金属接触的电容耦合并联开关。

相对于其他的MEMS器件及系统研究，射频微电子机械系统(RF MEMS)是近年出现的新研究领域，所谓RF MEMS就是利用MEMS技术制作各种用于无线通讯的射频器件或系统。RF MEMS包括应用于无线通讯领域的各种无源器件如：高Q值谐振器、滤波器、RF MEMS开关、微型天线以及电感、电容等。

发展及现状

给出了传统半导体开关和近二十多年开发出来的MEMS开关的比较，现在在高频通讯中大量使用的就是PIN和FET半导体开关，对于这种现有的半导体开关，从表中比较可以看出，随着频率的不断升高，其开关特性越来越低。如FET开关，40~100 GHz频率段，几乎失去了开关作用。PIN二极管开关也发生类似的劣化。?

与此相反，有实质性狭缝和金属接点的MEMS开关却能通过实质性金属接点的开合，在高频段维持很高的绝缘指标。这就是机械式开关在高频通讯中复活并被人们寄予厚望的原因。并且，狭缝机距离的增高，开关的高频绝缘还可设计得更高。MEMS是使用半导体技术制作三维结构的细微可动元件的技术。Above IC中在CMOS LSI上嵌入有基于MEMS的RF开关,该公司打算将Above IC配备到手机等便携终端上使用,目的是提高手机的基本性能，其中包括通话时间的延长等。意法合资的意法半导体(STMicroelec-tronics，ST)目前发表了运用基于MEMS的“Above IC”技术试制成功的RF开关样品。

MEMS开关技术的研究与进展

目前，国内的RF MEMS开关研究已经有很大的进步，很多已报道的开关都具有很优良的性能，但与国外的研究相比，在性能和可靠性上还有一定差距，并且在结构上还有些简单，可靠性也有待提高，还有很多方面需要提高：

( 1) 由于电磁驱动的RF MEMS开关结构的特殊性，使得磁场分布不均匀，漏磁比较多，必须研究优化电磁系统的结构的方法以减小功耗和提高驱动力。

( 2) 为了能满足射频器件集成化和微型化的要求，电磁驱动RF MEMS开关需要制作更小尺寸线圈。

( 3) 加快RF MEMS开关可靠性研究，金属接触以及开关失效原因的研究是提高开关寿命有效途径。

( 4) 封装问题是MEMS产品实现商品化的前提，因为MEM S产品容易受周围环境的影响，RF MEMS电路正常工作很大程度上取决于由封装所提供的内部环境与保护。而目前有关MEMS封装的研究还处于初级阶段，MEMS器件的多样性和非密封性往往需要为每种器件单独开发相应的封装技术，需要在不影响MEMS器件性能的前提下，为设计者提供一系列标准化的封装技术。

MEMS开关的应用

对很多MEMS设计者来说，手机市场是巨大的诱惑。全球的无线市场在2005年时已经达到了5550亿美元，而且预计到2010年时会增长到8000亿美元(Reuters 2006)。对那些能把RF MEMS集成进手机中的公司来说，这代表着一个巨大的资金来源。通过使用RF MEMS开关、电容器、电感等一系列元件，手机可以实现极好的可重构性能。手机毫无疑问可以工作在任何频率，或者是任何频道，符合任何标准，在任何地点使用。漏接电话的事情将不会在发生。使用固态电子器件去实现这些作用时，很多性能限制将会出现。