满满的知识点 | 关于射频微机电系统开关的那些事儿

什么是射频微机电系统开关？
 
射频微机电系统 (RF MEMS) 开关是低功耗小型微机械开关，可以使用传统的MEMS制造技术生产。它们类似于房间中的电灯开关，通过触点打开或关闭在开关中传输信号。在RF MEMS器件中，开关的机械组件大小只在微米级别。与电灯开关不同的是，RF MEMS开关传输的是射频信号。
 
射频开关技术
 
射频开关可以使用多种不同技术实现。除了RF MEMS开关以外，还有两种主要类型的射频开关：机电式射频开关和固态射频开关。固态开关使用半导体技术进行操作，例如硅或PIN二极管、场效应晶体管 (FETs) 和混合技术（即PIN二极管和场效应晶体管的结合），并使用硅基基板构建。RF MEMS开关与基于射频-SOI（绝缘衬底上的硅）的开关处于竞争关系，后者一直都在不断改进，是当前市场上的主要解决方案。
 
RF MEMS开关种类繁多，它们可以用不同的机制来驱动。由于功耗低、尺寸小的特性，静电驱动常用于射频微机电系统开关设计。MEMS开关也可使用惯性力、电磁力、电热力或压电力来控制打开或关闭。
 
图1和图2是典型的“悬臂梁” RF MEMS开关。在这种配置中，固定梁悬挂在基板上，当梁被压下时，梁上的电极接触基板上的电极，将开关置于“开启”状态并接通了电路。
 

 

图1：“悬臂梁”型RF MEMS开关
 

图2：使用CoventorMP®中建立的“悬臂梁”
 

RF开关模型，展示开和关的驱动状态
 
电容式RF MEMS开关
 
最新一代的RF MEMS开关大多是电容式器件。电容式开关使用电容耦合工作，非常适合高频率的射频应用。在操作过程中，力被施加到像桥一样悬在基板上的梁。当梁被该力（例如静电力）拉下时，会接触到基板上的电介质，使信号终止。桥型电容开关的横截面如图 3 所示，其中使用CoventorMP® 3D所建的电容式RF MEMS开关模型处于未变形状态，如图 4 所示。
 

 

图3：桥型电容式RF MEMS开关
 

 

图4：使用CoventorMP® 3D建立的桥型
 

RF开关的模型处于未变形状态
 
RF MEMS的商业化
 
RF MEMS开关的开发早在20多年前就开始了，但当时在市场上取得的成功有限。早期，商业化的主要障碍在于可靠性。RF开关需要经受数十亿次开关循环的考验。要找到开关材料极具挑战——既要求足够坚固，能经历大量开关的循环，同时又得非常柔软才能在闭合时形成良好的接触。RF MEMS开关（特别是它们的电极）需要一种基于机械材料合成层的制造技术。开关的可靠性受到这些合成材料中电气和机械应力的影响，同时温度依赖性以及对冲击和振动敏感性也会影响其可靠性。
 
下一代电信系统和智能手机对RF MEMS开关和其他RF MEMS器件的需求在不断增长。根据半导体市场调研机构Yole Développement的报告，RF MEMS器件市场将大幅增长。Yole指出，由于5G设备中需要有源天线，5G通信的发展将增加对基于MEMS的器件（如RF MEMS BAW滤波器）的需求。此外，RF MEMS振荡器会被用于部署与5G相关的新基站和边缘计算。
 
结论
 
由于其机械特性，RF MEMS开关与现有技术相比具有多项优势，包括闭合时阻力很低、打开时阻力很高。此外，它具有体积小、功率要求低、开关速度快、信号损耗低、高断态隔离和电路规模集成能力等优点。随着新的制造工艺和材料准备就绪，频率在几十GHz范围内的射频微机电系统开关被广泛用于包括5G移动蜂窝通信在内的电信系统，带来RF MEMS器件的巨大增长。