手機的發(fā)展要求在以低插入損耗進行多頻帶和多模頻帶切換的同時仍保持優(yōu)良的線性特性，這推動了RF MEMS開關的應用和發(fā)展。隨著新的復雜波形如WiMAX添加到混合信號上，多頻帶的切換問題變得更加突出。

目前在全球大規(guī)模興建的3G網(wǎng)絡可提供包括數(shù)據(jù)和點播視頻在內的多種業(yè)務，網(wǎng)絡的發(fā)展對手機設計師提出了新的挑戰(zhàn)。無線技術的發(fā)展已經(jīng)使得手機可以使用7種不同的無線標準(頻帶)，包括DCS、PCS、GSM、EGSM、CDMA、WCDMA、GPS 和 Wi-Fi(見表1)。每種標準自身均具有獨特的特性和限制，并因此產(chǎn)生了自身特有的問題。射頻微機電系統(tǒng)(RF MEMS)或許可以幫助工程師設計出既滿足集成多頻帶的需要同時又保持長電池壽命的手機，此外還可以在不斷減小手機體積和增加新性能的同時保持廉價。在手機中約有100個元件，其中75%是“無源”元件，如電感或可變電容。MEMS版本的這類元件有望使手機變得體積更小而功效更高。

手機現(xiàn)狀

目前市場上大部分手機均在天線與手機芯片組的面接處采用發(fā)送/接收(T/R)開關，即一種頻帶開關和/或雙工器，如圖1所示。使用一只T/R開關還是使用T/R開關的組合要取決于運營商所采用的頻帶數(shù)量。這種開關中的每一類型均滿足一個或另一個標準的嚴格的性能范圍，例如T/R開關采用本質上是半雙工的時分族標準(TDMA & GSM)。碼分族標準適合全雙工使用頻帶，因此采用了一種雙信道或多信道雙工器。多頻帶手機可以組合使用所有這三種類型的T/R開關器件，確保全球范圍的電話業(yè)務。

圖1 手機塊狀示意圖

典型的天線開關必須傳輸高達5GHz頻率并且支持絕緣體上硅(SOI)器件、復合半導體，如砷化鎵(GaAs)或PIN二極管。這類開關所耗功率極低(15mW)，隔離度優(yōu)良(根據(jù)封裝，達35dB)，插耗低(0.8 dB)。GaAs和PIN二極管方案由于功率處理和靈活性的原因長期以來一直受到青睞。SOI則為新技術進入這塊競爭激烈的市場提供了切入點，但如果不采用新的設計技術，SOI超越4GHz的標尺是很困難的。最后一點，標準的CMOS離應用于這個市場依然有距離，但更小的芯片結構將使制造商有可能提供能傳輸達2.5GHz的高頻產(chǎn)品。

T/R切換與頻帶切換

對于T/R切換的一種替代方案是RF MEMS開關。這種開關功耗小、插耗低、隔離度高，且線性特性優(yōu)異，表2將RF MEMS與GaAs 和 SOI技術進行了并排比較。

過去由于空間和功率節(jié)省的好處非常突出，T/R開關曾是RF MEMS研制廠商的開發(fā)重點。由于RF MEMS開關的推廣速度緩慢而T/R開關具有價格競爭力的優(yōu)勢，使得RF MEMS的價格不為市場所接受。目前，新的切換應用——頻帶切換已經(jīng)出現(xiàn)，對于手機兼容性的需求已經(jīng)迫使手機廠商實施三頻帶、四頻帶及多模方案。在多種不同的無線頻帶之間切換使開發(fā)一種單個容納所有頻帶的世界性手機的可能性更加復雜。圖2示出了對于作為T/R開關父集的開關的潛在要求。RF MEMS可以為現(xiàn)有的固態(tài)開關提供一種潛在的替代方案，但主要發(fā)展障礙與當初IC面臨的與分立半導體電子器件的競爭情況相類似：成本、可制造性，可靠性和性能。

圖2  適用于各類手機標準的一種多頻帶開關的實例

RF MEMS簡介

MEMS技術可追溯到1970年代，在電子和高科技行業(yè)中，MEMS開關被認為有希望進入光切換市場，光切換市場在2000年以后發(fā)展緩慢導致了MEMS開關的發(fā)展受阻。但是手機市場在持續(xù)增長的同時，也隨之出現(xiàn)了多頻帶/多模手機的問題，這促使業(yè)界重新關注切換用MEMS和MEMS的其他性能。

RF MEMS開關器件類似于機械繼電器，但是結構一般是在亞毫米或幾百微米尺寸。這種尺寸使得這種器件具有吸引力，因為他們使獲得理想的占用1mm2或更小空間的綜合切換方案成為可能。此外，這種開關能加以更改而生成許多微型應用，如延遲線和開關電容網(wǎng)絡。

在理論上，對于可以正常傳輸并控制50GHz信號的設備，RF MEMS技術能夠超越高速半導體性能，只是許多因素制約了RF MEMS在手機應用中的可行性，包括制造工藝、封裝(氣密性隔離和寄生效應)、控制電壓、長期切換壽命循環(huán)(觸點粘接)、切換速度、RoHS符合性(回流溫度)及制造成本。

RF MEMS開關與光MEMS開關沒有太多的不同，只是由于RF功率處理的要求，為限制并降低電流和生成的熱量對開關觸點的影響，采用的設計技術必須做輕微的改變。典型RF MEMS開關均具有一種懸壁梁(一種鉚在一個點上的懸著的梁)，并利用靜電或電磁來驅動。觸頭位于每個懸壁梁“浮動”的一端，而所采用的導體金屬一般是半導體制造中不常用的。

問題和解決方案

制造

RF MEMS器件是在多種襯底頂部上做成分層結構。制造的選項包括半導體加工，一般傾向采用最常見的基于硅或陶瓷襯底晶片的方法。陶瓷襯底方法方可能較貴，但封裝簡便。MEMS開關可以采用包括多晶硅和砷化鎵(GaAs)在內的幾乎任何半導體技術制成。制造中的主要問題是襯底的平面度，平面度是為了在工藝中采用的光刻工序形成穩(wěn)定的平面層來構建每一種結構。標準硅是極佳的選擇，因為晶片拋光工序是此工藝的一部分。陶瓷晶片一般不拋光或打平，因此將這一工序添加到工藝上增加了總體制造的成本，這反過來使基于陶瓷的RF MEMS 對于手機應用顯得有些昂貴，從而抑制了應用。固態(tài)電路和RF MEMS的相同點在于他們均具有不同的導體和絕緣材料層。鋁和現(xiàn)在的銅已經(jīng)成為硅加工中的主要導體材料。RF MEMS研制廠商采用這些導電材料來生成產(chǎn)生靜電或電磁場所需要的金屬層來驅動或推動懸壁梁。但是開關的觸點必須用電導性能高的材料制成以完成機械開關內所需要的電路通道。目前為止，傳導所選用的材料是純金。純MEMS和專業(yè)晶圓制造商在他們的工序中使用金，這為器件的發(fā)展開辟了可能性。GaAs 和 CMOS制造工藝新的發(fā)展正在表明全集成控制和切換功能是有希望的。

圖3  RF MEMS開關的靜電驅動示意圖

封裝

成本和大小是T/R開關研制中主要的考慮因素。T/R開關的需求量大，成本達到數(shù)十美分的水平，這使得RF MEMS難以用于多種應用類型。同時，封裝的選擇受到制約，因為RF MEMS開關是必須工作在潔凈環(huán)境中的移動器件。一般采用氣密封陶瓷封裝，原因是它能保護驅動機構，但是封裝成本大大高于一般GaAs開關和標準半導體元件采用的塑料鑄模。由于材料與組裝成本和成本的原因，陶瓷封裝的價格與塑料封裝的價格差別約有5倍。另一方面，常規(guī)塑料的價格較低，但不能與環(huán)境充分隔離以避免污染。典型的陶瓷封裝類似于SAW(聲表面波)振蕩器和濾波器中采用的陶瓷封裝。他們由一個具有通路的陶瓷基底和一個陶瓷蓋板構成。僅這種蓋板一般就占據(jù)了這種封裝選項的大部分成本。存在成本更低廉和封裝更新穎的候選方案，可以讓RF MEMS解決手機問題。這類方法包括芯片級密封(過量鑄模)和近似于芯片級封裝的方法。

芯片密封有多種方法，包括在器件上生成一層半導體絕緣層或沉積一層薄膜。過量鑄模(overmolding)可以采用半導體工藝來產(chǎn)生或可以沉積為一層薄膜。不管哪種情況，該工藝都形成保護RF　MEMS的氣密封，并且擺脫了較昂貴的陶瓷封裝。這種方法可能是最有前景的，因為它能使制造商將RF　MEMS密封于塑料封裝內，而塑料封裝是易于獲得的且有眾多SMT結構。

控制和負載功率

一般的RF MEMS器件是采用電磁或靜電中的一種以機械方式驅動的。靜電驅動可能是機械切換最簡單的方法，但它需要較高的電壓產(chǎn)生力來驅動懸壁梁。這種方法要生成一個充電場(很像一個電容)使懸壁梁偏轉，如圖3。問題是MEMS開關需要更大的電壓來生成所需要的電場，不過驅動電壓已經(jīng)從100V降至50V以下。此外，由于電子遷移產(chǎn)生的功率生成熱量的原因，有些結構(根據(jù)設計)不能應對500mA以上的大電流，因此，驅動電壓不得不受制于電流(DC)以避免對驅動機構造成破壞。

手機沒有這類電壓，因此MEMS開發(fā)商必須要提供一種折衷措施，使RF MEMS開關能以低得多的電壓來工作，可以采用DC-DC電壓變換來解決這個問題。通過更高程度集成，電壓變換器和邏輯控制器可以與高電壓RF MEMS器件集成在一起以生成一個低電壓方案，如圖4所示。CMOS制造與MEMS結合在一起是可以實現(xiàn)的，但MEMS的驅動機構需要良好的觸點材料，如金或金合金。金一般是作為芯片連接材料沉積在芯片的表面，但是將金植入于半導體層之間是復雜的，必須對一般的制造工藝流程加以修改。金工藝的障礙和用于電壓變換電路的高壓晶體管的可用性使集成進RF MEMS開關變得復雜。

圖4  高電壓型RF MEMS開關變換成低電壓器件

單片微波集成電路(MMIC)和多芯片組件(MCM)均是將多個芯片集成于一個封裝內，緊挨著RF MEMS開關進行的電壓變換對單片微波集成電路(MMIC)和多芯片組件(MCM)是有影響的。從根本上來說，目標是實現(xiàn)一種單片即全集成的開關方案。圖4所示的是通向全集成的最終途徑。只要適合加工，提供低電壓的RF　MEMS開關將不成問題。

長期的切換壽命循環(huán)和切換速度

一般的T/R開關在其使用壽命期內，切換循環(huán)數(shù)預計約為數(shù)億次，切換循環(huán)可以持續(xù)2~4年。但這種壽命循環(huán)可能會因在低電壓下低電流到大電流的熱切換而有變化。在使用壽命終止之前，RF MEMS開關的動作在無負載和目前條件下可達數(shù)百億次。但在熱切換時，壽命循環(huán)可降到幾億次。這使RF MEMS開關已經(jīng)可以用于T/R開關應用。

此外，GSM/GPRS手機內的T/R切換速度要求在數(shù)十納秒之內進行利于收發(fā)的無縫轉換，在交談和接聽時手機用戶應該注意不到通話質量的差別。而RF MEMS器件的切換速度在數(shù)十微秒之內，這對于T/R開關應用來說太慢了。另一方面，作為一種頻帶開關，RF MEMS器件具有切換速度和熱切換壽命的雙重優(yōu)勢，這使得它適合于這種(頻帶切換)應用。頻帶開關速度不需要比T/R開關快許多倍。一旦選擇了一種頻帶，這種開關將與相應的“擲”(也就是“位”)保持連接直至探測到另一個頻帶或需要另一個頻帶。在典型的多頻帶應用中，頻帶開關、雙工器和/或T/R開關一起使用。

頻帶開關起著路由器的作用，它讓其他元件執(zhí)行所需要的濾波和頻帶傳輸功能。由于頻帶開關是信號通路內的一個附加的元件，因此它必須對每個頻帶的整體性能幾乎沒有影響，由于RF MEMS開關功耗低、尺寸小、插耗低、隔離度高，所以成為理想的選擇方案。

結語

總之，手機用RF MEMS開關的可用性、成本和性能正在不斷得到改善。首先，應用已經(jīng)發(fā)展到需要一種半導體替代方案的程度。其次，新型加工和封裝技術將使RF MEMS開關的規(guī)模生產(chǎn)成為可能并加速其市場的接受度。再次，加工技術已經(jīng)發(fā)展到支持低成本方案，從而完成了有效的產(chǎn)品概念周期：規(guī)模驅動成本，成本驅動應用。