浅析射频MEMS开关技术的发展现状

射频微机电系统实现“理想开关”。

20年前，射频电路的专业工程师设想了一种“理想开关”。这种开关在“接通”时的电阻非常低，在“断开”时的电阻非常高，它体积小巧、速度快，便于制造，能够切换相当大的电流，可以耐受数十亿次开关转换，开关只需很少的电力。它还能毫无失真地传导数十至数百千兆赫的信号（近乎完美的线性度）。

这并不是空想，这一大型新兴产业市场已准备就绪。伴随微机电系统（MEMS）持续取得突破性进展，美国和欧洲的大型项目如雨后春笋般涌现。很多项目都得到了美国国防部高级研究计划局（DARPA）或欧盟卓越网络（European Union Network of Excellence）的资助。进入21世纪后，经过长时间且动荡的技术开发之后，现在，射频微机电系统（RF MEMS）开关终于要走向商业成功了。

在美国，有两家公司可能会快速发展并在竞争激烈的市场中站稳脚跟。其一是通用创投的子公司Menlo Micro，位于加州尔湾市。该公司的联合创始人兼高级副总裁克里斯•乔瓦尼埃洛（Chris Giovaniello）表示，他们在航空航天业、军事和无线网络基础设施行业有30多个客户。同时，硅谷还有一家名为Cavendish Kinetics的公司，该公司致力于开发用于智能手机的RF MEMS开关。2019年10月，该公司被无线设备和系统（很多都用于智能手机）的领先制造商Qorvo公司收购。虽然有关收购的具体条款并未公布，但Cavendish公司已在至少三轮融资中筹集了超过5800万美元的资金。

这一成功经历了漫长而动荡的时光，其间时而希望高涨，时而希望渺茫。“许多公司都进行了尝试，只有这两家公司成功了，它们很幸运。可能有20家公司都失败了，这就是现实。对于科技创业公司，10%的成功率是很正常的。”RF MEMS研发先驱、加州大学圣地亚哥分校的电气工程学教授加布里埃尔•雷贝兹（Gabriel Rebeiz）说。

新设备结合了机电继电器开关的最佳功能（超低电阻和漏电电流以及非常高的线性度）与半导体开关的一些优点（体积小、可靠性非常高，坚固耐用）。从概念上说，这种设备与继电器开关类似。在操作中，静电力将导电梁（也称为执行器或悬臂）拉向电触点。继电器的动作是由电磁体触发的，RF MEMS开关则不同，它使用50至100伏的直流电压来产生静电场，将导电梁拉至电触点。由于电场是静态的，因此电流和功耗非常低。

乔瓦尼埃洛说，最难的技术挑战是找到一种可承受数十亿次反复弯曲的导电合金。他说：“真正的问题是执行器，为了解决这个问题，通用公司付出很大努力来开发合金。我们已经开发了一些高导电性的专有合金，这些合金非常适合继电器，但是其机械强度极高，非常像多晶硅。”

他补充说：“几十年来，通用公司在用于喷气发动机的合金方面做了很多工作，实际上，正是其中一些人帮助我们解决了一些基本的可靠性问题。”Menlo公司尚未透露其合金的成分，但是，大约5年前通用和Menlo公司的工程师所撰写的研究论文表明，他们当时正在分别研究镍合金和金合金。

与此同时，Qorvo公司则正在以智能手机内部的应用为目标（Menlo Micro也是如此）。Qorvo的技术开发总监朱里奥•科斯塔（Julio Costa）说，每年智能手机的成交量约为15亿部，这是一个巨大的市场，对器件的要求也极为严格。“手机是人们日常生活中的重要组成部分，因此，如果（新器件）不可靠，就无法使用。”

科斯塔解释说，智能手机中的设备有几种主要的用途。Qorvo追求的第一个用途是天线调谐。为了适应无线网络从4G过渡到5G不断增多的频带，现代智能手机最多要有8根天线。为了更好地实现天线与频率的匹配，嵌入天线的开关可以更改配置，接入电容或电感等谐振元件，实现天线响应的微调。目前针对这种应用，手机制造商使用的是基于绝缘硅片（SOI）技术的半导体开关。但MEMS器件的频率和线性度可能更高，可成为很有吸引力的替代方案，特别是对某些5G频段，科斯塔说。他希望“在几年内”能够将这些开关集成到手机中。

乔瓦尼埃洛在一次远程采访中说，无线网络、雷达和仪器仪表的应用仅仅是开始。他声称，Menlo Micro已经利用一种微型开关实现了传导20安培电流，他设想该设备将来可作为一种“可复位的、电子控制的熔断器”。

他补充说：“每隔几代人，都会出现一种新技术，为制造开关提供一种不同的方式。我们多么喜欢描绘这种理想的开关技术。它是机械和半导体领域最优精品的结合，但最终，它是一种制造开关的新工艺技术，我们和伙伴将在未来10年内生产成百上千种不同的产品。”
责任编辑:tzh