高速MEMS 开关长时间实时监测系统设计

程亚昊，王志斌，王耀利，景 宁

（1.中北大学 仪器与电子学院，山西太原 030051；2.中北大学微系统集成研究中心，山西太原 030051；3.中北大学信息与通信工程学院，山西太原 030051）

微机电系统(Micro Electro Mechanical System,MEMS)是一种具有体积小[1]、重量轻[2]、功耗低[3]、成本低[4]等特点的新型射频器件，成为现代电子系统智能化、微型化和轻量化的核心系统之一。基于MEMS技术的射频开关在相控阵雷达、便携通信设备、微卫星通信系统、智能化导弹、多频段相控阵天线等领域发挥着重要应用[5]。射频MEMS的开关工作状态对整个系统的运行具有决定性影响，因此，对射频MEMS开关的工作状态进行长时间监测具有重要价值。

目前大多数研究机构均采用安捷伦B1500A 半导体参数测试仪和cascade 探针台对未封装的射频MEMS 器件的各种性能参数进行测试[6]。电流不可设置过大，否则会产生不必要的热量，影响开关寿命[7]。但是电流也不可设置过小，否则杂质污染会影响测试结果[8]。由于金属的特性，未封装的裸芯片在进行探针台直接测试时，测试结果会受环境影响[9]。此外，由于MEMS 器件本身尺寸极小，极易受到所处周围电磁环境的影响[10]，在测试射频MEMS 开关的寿命时，目前仍然采用示波器、信号源等设备搭建而成的测试系统，这种方式具有操作复杂、寿命计数不智能等缺点。

针对目前测试射频MEMS 开关寿命系统设备复杂、不能实时细化监控且器件损坏使得得出数据不正确等问题，文中采用FPGA 经升压电路输出高低电压控制射频MEMS 开关的电极，高频信号经过射频MEMS 开关的输出信号通过包络检波、运算放大器电路后调整为方波，A/D 采集该信号并复原，观测方波边沿的上升时间以及方波的占空比，若占空比满足合理阈值要求则为有效开合。实时监测该信号边沿并进行存储，获取射频MEMS 开关的工作状态。

1 总体方案设计

在测试开关寿命时，常用的方法为探针台直接夹住未封装的芯片或者通过打线将信号线引出的方式进行测试，使用这种方式测试完成后芯片会有损坏。下拉电极需要高压来控制开合，需要较多仪器提供高压条件。测试结果根据示波器没有波形的时间计算，造成数据误差比较大。系统分为驱动电路、夹具测试板和测试电路，其中驱动电路由FPGA 主控模块控制升压芯片高压信号驱动射频MEMS 开关下拉电极；夹具测试板由夹具、ACF(各向异性导电膜)[11]射频MEMS 开关测试板构成，可以很好地保护芯片，且由于ACF 的各向异性，可以保证芯片与测试板的完全贴合；测试电路由包络检波、A/D 转换、FPGA 和LED 显示构成。系统的CPU 为EP4CE10 系列的FPGA，总体设计如图1 所示。

图1 总体设计设计方案

2 硬件方案设计

系统硬件设计主要由驱动信号产生、夹具测试板以及开关信号监测三部分组成。

2.1 驱动信号产生

驱动电路采用Alter 的EP4CE10E22C8N 芯片作为主控芯片，实现对高压偏置电路的控制，输出实现高电压110 V、偏置55 V 的方波信号。

驱动电路5 V 供电，模块供电电压3.3 V、2.5 V和1.2 V，选择AMS1117 作为电平转化芯片，该芯片电流最高支持1.6 A，可以满足所有器件正常工作，PCB 布局需注意电层的划分。其中的高压偏置电路采用PWM 升压转化器MAX-5026 加上电容和二极管组成一种高压电路。其中MAX-5026 低噪声升压变换器可以低压产生高压，具有简单稳定、40～110 V输出电压可调的优点。因该升压芯片放大通过外部的电容充放电来放大幅值，在控制不放大时，通过控制三极管将电容快速放电有效减短下降时间。驱动电路产生的高压方波信号满足了射频MEMS 开关下拉电极的电压需求。普通信号源的输出电压一般只有5 V，需要放大电压放大器幅值，才能对射频MEMS开关进行正常开合。

2.2 夹具测试板

夹具测试板主要由夹具、各向异性导电膜（ACF）和测试板构成，夹具主要为了限定芯片的位置。按压芯片，使之通过各向异性导电膜充分连接测试板，同时夹具也保护芯片，无需焊接便可以完成测试。利用导电膜仅在垂直方向[12]（z方向）导通的特性，再利用夹具的可按压过程实现芯片与测试板的互连。ACF 连接图如图2 所示。

图2 ACF连接图

导电胶夹具各部分关系如下：将夹具通过底座螺丝孔固定于PCB 板上，夹具盖与夹具底座盖合，芯片置于芯片限位块内，扭动固定旋钮使得按压块缓缓下降按压芯片，以使芯片可以和导电膜紧密接触。导电膜置于导电膜限位块内，芯片置于导框内，在按压芯片与导电膜紧密贴合的同时，导电膜与PCB Pad 也一并实现紧密贴合。

2.3 开关信号监测

测试电路将输入射频MEMS 开关的射频信号通过周期性通断的MEMS 开关后，变为一调幅信号，二极管包络检波器对初期故障以及信噪比较低的故障信号识别能力强。将一段时间长度的高频信号的峰值点连线，就可以得到上方（高电平）一条线和下方（低电平）一条线。信号经低噪声集成运放OP37GS放大后，进入采集电路进行采集。高精度数据采集电路选择ADI 公司生产的AD7865[13]。该芯片可以将模拟信号转换为14 位数字信号，采用5 V 单电源供电，双极性输入。单通道最高吞吐率达350 ksps，44引脚小型PQFP 封装，转换速度快，精度高，可满足小型高精度数据采集系统的要求。该器件包含2.5 V基准电压源，内部集成时钟，可并行输出。

模数转换时间为2.4 μs，满足测试要求，供电5 μV，从A/D 中取一次数据时间为20 μs，数据进入FPGA芯片进行处理。控制FPGA 使能驱动射频MEMS 开关芯片下拉电极以周期10 ms 进行开合开关芯片，经包络检波电路输出后，得到一个周期与下拉电压控制芯片开合周期一致的方波包络。由A/D 对该包络信号进行采样，完成MEMS 开关每次开合状态的采集。其中包络的500 个采样值理想状态有250 个“高”值，250 个“低”值，但是在测试过程中开关动作的完成需要一定的时间，而且开关断开时间少于开关下拉闭合时间，所以500 个采样值中低电平将略多于高电平。在误差范围内，“高”、“低”略偏离250也视为正常通断，然后计数存储+1，通过“加3 移位法”[14]，数码管以十进制进行实时显示。

3 信号恢复

信号恢复主要包括A/D 转化控制和信号调理部分。驱动电极模块使开关下拉电极按占空比50%的频率进行开闭合，开关输出信号经过信号调理，然后FPGA 控制A/D 芯片转化，通过A/D 转化之后500 个采样值所构成的波形，实时监测观测到MEMS 开关电极的工作状态，并将这500 个数据归类，数据为小值时，“低”计数加1；数据为大值时，“高”计数加1。“高”“低”计数值相差小于2 时，进行寿命计数值加1，然后数码管[15-16]显示；在“高”“低”计数值相差大于2 时，MEMS 芯片开始失效。

AD7865 有四个14 位的通道，因此必须四个通道数据转换结束后才能进行下一次的数据转换。CONVST 利 用FPGA 分频产生的周期为20 μs 的时钟来控制A/D 数据的转换功能。BUSY 为A/D 输出引脚，标志着数据转换的结束。在数据转换时，BUSY 输出一直为高电平，单通道数据转换时间最小为2.4 μs，四个通道全部转换完成持续时间为2.4μs×4。数据转换完成后，在下一个CONVST 信号到来之前，BUSY 输出一直处于低电平状态。EOC 是输出引脚，标志着这个通道的数据转换结束，若其为低电平，则表示当前该通道转换完成。因此四个通道数据转换结束会出现四个EOC 的低电平。读操作的使能引脚为CS 和RD，两个信号都为低电平时，14 个输出引脚不再为高阻态，可以将转换完成的数据输入到FPGA 内，四个通道需要完成四个CS 和RD 脉冲，按读出顺序将A/D 转化出的数据存入FPGA 的DATA 寄存器中的VIN1-VIN4中。A/D 芯片在第一通道的数据转换完成后，便可直接将数据读出。FPGA 程序控制采集一个点数据是在A/D 芯片的所有通道的数据转换结束才完成，即BUSY 电平由高电平变为低电平后，才开始数据的读取。因为需要将四个通道数据都读取完成，且必须将数据寄存器选址地址指针重新回到1 通道，即起始位置，需要一个RD 和CS 脉冲归位保证下一次数据转换后的数据与所读的通道数据保持对应。图3 所示为AD7865 工作的时序图。

图3 AD7865时序图

对AD7865控制时序进行仿真，仿真结果如图4 所示。在仿真文件中，将A/D 的输出通道设定为00～11四个通道（AD7865 的四个通道），信号输入1、2、3、4四个通道，输出为高两位通道标号的16 位数据。通过仿真验证，读控制时序可以实现其功能。

图4 AD7865仿真结果图

4 实验验证

4.1 测试平台

首先将ACF 和夹具固定在测试板上，然后将控制下拉电极模块、寿命测试模块连接。将所测的芯片放入夹具中，保证ACF 准确与测试板连接。

4.2 高压驱动信号验证

因示波器的量程最大只有50 V，所以将信号放大至50 V，图5 所示为实现的50 V 方波。对射频MEMS 器件进行驱动，驱动信号为幅值50 V、频率100 Hz、占空比50%、偏置25 V 的方波信号。

图5 50 V方波

因示波器量程的原因，对幅值为110 V 的高压方波无法测试，因此FPGA 控制持续使能变为110 V 高电平信号，直接用万用表测试。

4.3 波形重构

在高压脉冲驱动下，射频MEMS 开关将反复进行通断操作，输入射频信号经过不断通断的MEMS开关，在断开时，A/D 采集的是一个恒定的值；在闭合时，信号变为射频信号。经过包络检波电路对射频信号进行滤波，信号变为低频信号。该信号与开关通断频率一致，经过精密运放放大为幅值为1.2 V的信号。

由A/D 采集到的数据可以通过QuartusⅡ中的逻辑分析仪反映射频MEMS开关的工作状态，每成功进行一次开关操作，测试系统将对MEMS 开关的开合次数进行存储计数。图6 所示为实时监测计数结果。

图6 实时监测计数

取RMSW101 单刀双掷开关进行寿命测试，在射频输入30 dBm 信号时，开关寿命达到1 亿多次。实验对三个芯片的开合次数进行测试，寿命会有差别，这是因为不同开关的性能不同。图7 所示为几个测试开关的寿命测试数码管显示图。

图7 寿命测试数码管显示图

5 结束语

文中针对射频MEMS 开关的寿命测试，设计了一个基于FPGA 复原波形计数技术的长时间工作状态监测系统。利用FPGA 的逻辑特性、ADC 模数转换以及升压电路，完成了射频MEMS 开关重复开合的寿命测试，该系统可以实时监测开关的工作状态，并将数据进行存储计数，为开关寿命测试提供了一种具体、细致的数据分析方法，也为寿命测试提供了一种更加简单的测试方法。