RF MEMS開關(guān)的運(yùn)作、優(yōu)勢(shì)

RF MEMS開關(guān)是一種小型微機(jī)械開關(guān)，具有低功耗，可以使用傳統(tǒng)的MEMS制造技術(shù)生產(chǎn)。它們類似于房間里的開關(guān)，通過打開或關(guān)閉接觸點(diǎn)來傳導(dǎo)信號(hào)。

在RF MEMS設(shè)備的情況下，開關(guān)的機(jī)械部件僅有幾微米大小。與普通開關(guān)不同的是，RF MEMS開關(guān)傳導(dǎo)的信號(hào)處于射頻范圍內(nèi)。

一、RF開關(guān)技術(shù)

可以使用許多不同的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)RF開關(guān)。有兩種主要的RF開關(guān)類型與RF MEMS開關(guān)競(jìng)爭(zhēng)：機(jī)電式RF開關(guān)和固態(tài)RF開關(guān)。

固態(tài)開關(guān)使用半導(dǎo)體技術(shù)來運(yùn)作，例如硅或PIN二極管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）和混合技術(shù)（結(jié)合了PINS和FET），并采用基于硅的襯底制造。

RF MEMS開關(guān)則與不斷提高的基于RF-SOI（絕緣體上的硅）的開關(guān)競(jìng)爭(zhēng)，后者是目前市場(chǎng)上的主流解決方案。

有許多類型的RF MEMS開關(guān)，并且它們可以使用不同的機(jī)制來驅(qū)動(dòng)（或翻轉(zhuǎn)）。由于低功耗和小尺寸，電靜力驅(qū)動(dòng)常用于RF MEMS開關(guān)設(shè)計(jì)中。MEMS開關(guān)也可以使用慣性、電磁、電熱或壓電力來打開或關(guān)閉。

圖1和圖2展示了典型的“懸臂梁”RF MEMS開關(guān)。在這種配置中，一個(gè)固定梁懸掛在基底上。當(dāng)梁被壓下時(shí)，梁上的電極接觸基底上的電極，使開關(guān)處于“開”狀態(tài)并完成電路。

圖 1：懸臂梁式 RF-MEMS 開關(guān)（由參考資料 1 提供）

圖 2：來自 CoventorMP? 的懸臂梁 RF 開關(guān)模型，顯示了開啟和關(guān)閉驅(qū)動(dòng)狀態(tài)

二、電容式 MEMS 射頻開關(guān)

最新一代的 RF MEMS 開關(guān)主要是基于電容的設(shè)備。電容開關(guān)使用電容耦合工作，非常適合高頻 RF 應(yīng)用。在操作過程中，一個(gè)力被施加到一個(gè)像橋梁一樣懸掛在基板上的梁上。當(dāng)光束被力（例如靜電力）拉下時(shí)，光束接觸基板上的電介質(zhì)，信號(hào)終止。圖 3 顯示了“橋”型電容式開關(guān)的橫截面，圖 4 顯示了處于未變形狀態(tài)的電容式 RF MEMS 開關(guān)的 CoventorMP? 3D 模型。

圖 3：橋式電容式 RF-MEMS 開關(guān)（提供，參考文獻(xiàn) 1）

圖 4：橋式射頻開關(guān)的 CoventorMP? 模型處于未變形的“向上”狀態(tài)

三、射頻 MEMS 商業(yè)化

射頻 MEMS 開關(guān)的開發(fā)早在 20 多年前就開始了，但當(dāng)時(shí)的市場(chǎng)成功率有限。早期商業(yè)化的主要障礙是可靠性。射頻開關(guān)需要經(jīng)受數(shù)十億次開關(guān)循環(huán)。尋找足夠堅(jiān)硬以維持大量開關(guān)循環(huán)，同時(shí)又足夠柔軟以在關(guān)閉時(shí)形成良好接觸的材料一直是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

射頻 MEMS 開關(guān)（最值得注意的是它們的電極）需要一種基于機(jī)械材料復(fù)合層的制造技術(shù)。RF MEMS 開關(guān)的可靠性受這些復(fù)合材料中的電應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力以及溫度依賴性和對(duì)沖擊和振動(dòng)的敏感性的影響。

下一代電信系統(tǒng)和智能手機(jī)對(duì) RF MEMS 開關(guān)和其他 RF MEMS 器件的需求不斷增長(zhǎng)。根據(jù) Yole Développement 最近的一份報(bào)告，RF MEMS 設(shè)備市場(chǎng)預(yù)計(jì)將在 2018 年至 2024 年間增長(zhǎng)約 100%。

Yole 指出，由于 5G 設(shè)備需要有源天線，5G 通信的發(fā)展將增加對(duì) RF MEMS BAW 濾波器等基于 MEMS 設(shè)備的需求。此外，RF MEMS 振蕩器將用于部署與 5G 相關(guān)的新基站和邊緣計(jì)算。

四、結(jié)論

由于其機(jī)械特性，RF MEMS 開關(guān)與現(xiàn)有技術(shù)相比具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，包括閉合時(shí)的電阻非常低，打開時(shí)的電阻非常高。RF-MEMS 開關(guān)具有尺寸小、功率要求低、切換時(shí)間快、信號(hào)損耗低、關(guān)斷狀態(tài)隔離度高、電路規(guī)模集成能力等優(yōu)勢(shì)。頻率在數(shù)十 GHz 范圍內(nèi)的 RF-MEMS 開關(guān)將廣泛用于未來的電信系統(tǒng)，例如 5G 移動(dòng)蜂窩通信，特別是隨著新的制造工藝和材料變得更容易獲得。作為下一代 5G 和其他電信系統(tǒng)的一部分，RF MEMS 設(shè)備（包括 RF MEMS 開關(guān)）將經(jīng)歷顯著增長(zhǎng)。