MEMS射频开关测试
发布日期:2019-07-11 17:58:07

MEMS射频开关的集成

 MEMS射频开关的片内集成技术可以为雷达和图像处理系统提供低成本的高集成电路。结合激光测振仪和相干扫描干涉技术可以提高MEMS射频开关的性能及稳定性。

 

SiGe-BiCMOS技术在毫米波应用领域受到越来越多人的欢迎,例如WLAN、雷达和图像处理方面。考虑到这些应用会涉及不同带宽以及各元件间的信号路径控制和相位排列系统,会经常用到可重构集成电路,射频性能提高后的RF-MEMS技术将使这些应用获益(如图1)。


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图1用作Tx/Rx-switch(左侧)或相移器(右侧)的RF-MEMS开关


电容型的MEMS射频开关集成在使用了IHPs SiGe-BiCMOS技术的BEOL上(如图2)。这样就可以实现晶体管与MEMS器件之间最短的通信距离,同时可以降低或避免高频寄生效应。


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图2 RF-MEMS开关的扫描电镜图


该功能开关是在前三个BEOL金属层中实现的。金属层1负责实现用于静电驱动的高压电极,金属层2用作射频信号线,然后悬膜则位于金属层3。通过在电极上施加电压,薄膜的位置可以进行调整,因此,信号线和悬膜之间的电容耦合变化可以实现高频信号的有效切换。

 

试验设备

RF-MEMS开关技术的开发需要同时结合机械、电子以及射频方面的技术。对机电性能的分析至关重要,因为这个对射频性能的影响很大。考虑到光学测试方法具有高分辨和对被测件影响较小的优点,因此首选光学测试方法。MSA-500激光测振仪可以用来对RF-MEMS开关机电运动特性进行晶圆级的测试,使用白光干涉分析静态变形。LDV凭借杰出的“面外”测试能力和超高的测量精度成为一种非常有效的过程控制测试法,位移分辨率可以达到纳米级,空间分辨率可以达到微米级。

 

结果

吸合电压以及开关时间等参数可以通过施加不同驱动电压来获取,从RF-MEMS开关的实际测试结果来看,获得的数据具有很好的一致性(如图3)。

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图3 通过LDV测得的不同驱动电压下的薄膜位移(左)和晶圆均匀性


机械弹簧常数和剩余应力的影响可以通过分析悬膜的位移数据得到,而后者又会对机械、电气和射频性能等方面产生很大的影响,所以需要进行定期检测(如图4)。

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图4 通过白光干涉技术获得的RF-MEMS开关中的薄膜剩余应力的影响


可靠性是RF-MEMS技术在应用过程中遇到的最严重的问题之一,这是因为充电和疲劳会造成产品的失效。激光测振仪可以用来进行产品的可靠性诊断,进而提高产品的设计性能,这主要是因为使用激光测振仪是一种即快速又节省成本的方法,它可以同时对多个开关进行高达数十亿次的循环测试(如图5)。

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图5 使用LDV进行RF-MEMS开关稳定性测试


结论与展望

近些年得益于激光测振仪和白光干涉技术的应用,RF-MEMS开关的片内集成已在很多方面取得发展,如产品性能、工艺稳定性、产量以及可靠性等。这些表征方法为晶圆级机电性能测试提供了经济高效的手段,从而确保可以开发出稳定可靠的毫米波系统,例如集成有RF-MEMS开关的智能天线阵列已被成功研制出来。


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