關于射頻微機電系統開關的那些事兒

什么是射頻微機電系統開關？

射頻微機電系統 (RF MEMS) 開關是低功耗小型微機械開關，可以使用傳統的MEMS制造技術生產。它們類似于房間中的電燈開關，通過觸點打開或關閉在開關中傳輸信號。在RF MEMS器件中，開關的機械組件大小只在微米級別。與電燈開關不同的是，RF MEMS開關傳輸的是射頻信號。

射頻開關技術

射頻開關可以使用多種不同技術實現。除了RF MEMS開關以外，還有兩種主要類型的射頻開關：機電式射頻開關和固態射頻開關。固態開關使用半導體技術進行操作，例如硅或PIN二極管、場效應晶體管 (FETs) 和混合技術（即PIN二極管和場效應晶體管的結合），并使用硅基基板構建。RF MEMS開關與基于射頻-SOI（絕緣襯底上的硅）的開關處于競爭關系，后者一直都在不斷改進，是當前市場上的主要解決方案。

RF MEMS開關種類繁多，它們可以用不同的機制來驅動。由于功耗低、尺寸小的特性，靜電驅動常用于射頻微機電系統開關設計。MEMS開關也可使用慣性力、電磁力、電熱力或壓電力來控制打開或關閉。

圖1和圖2是典型的“懸臂梁” RF MEMS開關。在這種配置中，固定梁懸掛在基板上，當梁被壓下時，梁上的電極接觸基板上的電極，將開關置于“開啟”狀態并接通了電路。

圖1：“懸臂梁”型RF MEMS開關

圖2：使用CoventorMP?中建立的“懸臂梁”
RF開關模型，展示開和關的驅動狀態

電容式RF MEMS開關

最新一代的RF MEMS開關大多是電容式器件。電容式開關使用電容耦合工作，非常適合高頻率的射頻應用。在操作過程中，力被施加到像橋一樣懸在基板上的梁。當梁被該力（例如靜電力）拉下時，會接觸到基板上的電介質，使信號終止。橋型電容開關的橫截面如圖 3 所示，其中使用CoventorMP? 3D所建的電容式RF MEMS開關模型處于未變形狀態，如圖 4 所示。

圖3：橋型電容式RF MEMS開關

圖4：使用CoventorMP? 3D建立的橋型
RF開關的模型處于未變形狀態

RF MEMS的商業化

RF MEMS開關的開發早在20多年前就開始了，但當時在市場上取得的成功有限。早期，商業化的主要障礙在于可靠性。RF開關需要經受數十億次開關循環的考驗。要找到開關材料極具挑戰——既要求足夠堅固，能經歷大量開關的循環，同時又得非常柔軟才能在閉合時形成良好的接觸。RF MEMS開關（特別是它們的電極）需要一種基于機械材料合成層的制造技術。開關的可靠性受到這些合成材料中電氣和機械應力的影響，同時溫度依賴性以及對沖擊和振動敏感性也會影響其可靠性。

下一代電信系統和智能手機對RF MEMS開關和其他RF MEMS器件的需求在不斷增長。根據半導體市場調研機構Yole Développement的報告，RF MEMS器件市場將大幅增長。Yole指出，由于5G設備中需要有源天線，5G通信的發展將增加對基于MEMS的器件（如RF MEMS BAW濾波器）的需求。此外，RF MEMS振蕩器會被用于部署與5G相關的新基站和邊緣計算。

結論

由于其機械特性，RF MEMS開關與現有技術相比具有多項優勢，包括閉合時阻力很低、打開時阻力很高。此外，它具有體積小、功率要求低、開關速度快、信號損耗低、高斷態隔離和電路規模集成能力等優點。隨著新的制造工藝和材料準備就緒，頻率在幾十GHz范圍內的射頻微機電系統開關被廣泛用于包括5G移動蜂窩通信在內的電信系統，帶來RF MEMS器件的巨大增長。

審核編輯 黃宇