滿(mǎn)滿(mǎn)的知識點(diǎn)|關(guān)于射頻微機電系統開(kāi)關(guān)的那些事兒

什么是射頻微機電系統開(kāi)關(guān)？

射頻微機電系統 (RF MEMS) 開(kāi)關(guān)是低功耗小型微機械開(kāi)關(guān)，可以使用傳統的MEMS制造技術(shù)生產(chǎn)。它們類(lèi)似于房間中的電燈開(kāi)關(guān)，通過(guò)觸點(diǎn)打開(kāi)或關(guān)閉在開(kāi)關(guān)中傳輸信號。在RF MEMS器件中，開(kāi)關(guān)的機械組件大小只在微米級別。與電燈開(kāi)關(guān)不同的是，RF MEMS開(kāi)關(guān)傳輸的是射頻信號。

射頻開(kāi)關(guān)技術(shù)

射頻開(kāi)關(guān)可以使用多種不同技術(shù)實(shí)現。除了RF MEMS開(kāi)關(guān)以外，還有兩種主要類(lèi)型的射頻開(kāi)關(guān)：機電式射頻開(kāi)關(guān)和固態(tài)射頻開(kāi)關(guān)。固態(tài)開(kāi)關(guān)使用半導體技術(shù)進(jìn)行操作，例如硅或PIN二極管、場(chǎng)效應晶體管 (FETs) 和混合技術(shù)（即PIN二極管和場(chǎng)效應晶體管的結合），并使用硅基基板構建。RF MEMS開(kāi)關(guān)與基于射頻-SOI（絕緣襯底上的硅）的開(kāi)關(guān)處于競爭關(guān)系，后者一直都在不斷改進(jìn)，是當前市場(chǎng)上的主要解決方案。

RF MEMS開(kāi)關(guān)種類(lèi)繁多，它們可以用不同的機制來(lái)驅動(dòng)。由于功耗低、尺寸小的特性，靜電驅動(dòng)常用于射頻微機電系統開(kāi)關(guān)設計。MEMS開(kāi)關(guān)也可使用慣性力、電磁力、電熱力或壓電力來(lái)控制打開(kāi)或關(guān)閉。

圖1和圖2是典型的“懸臂梁” RF MEMS開(kāi)關(guān)。在這種配置中，固定梁懸掛在基板上，當梁被壓下時(shí)，梁上的電極接觸基板上的電極，將開(kāi)關(guān)置于“開(kāi)啟”狀態(tài)并接通了電路。

圖1 “懸臂梁”型RF MEMS開(kāi)關(guān)

圖2 使用CoventorMP^?中建立的“懸臂梁”

RF開(kāi)關(guān)模型，展示開(kāi)和關(guān)的驅動(dòng)狀態(tài)

電容式RF MEMS開(kāi)關(guān)

最新一代的RF MEMS開(kāi)關(guān)大多是電容式器件。電容式開(kāi)關(guān)使用電容耦合工作，非常適合高頻率的射頻應用。在操作過(guò)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(shí)，會(huì )接觸到基板上的電介質(zhì)，使信號終止。橋型電容開(kāi)關(guān)的橫截面如圖 3 所示，其中使用CoventorMP^? 3D所建的電容式RF MEMS開(kāi)關(guān)模型處于未變形狀態(tài)，如圖 4 所示。

圖3 橋型電容式RF MEMS開(kāi)關(guān)

圖4 使用CoventorMP^? 3D建立的橋型

RF開(kāi)關(guān)的模型處于未變形狀態(tài)

RF MEMS的商業(yè)化

RF MEMS開(kāi)關(guān)的開(kāi)發(fā)早在20多年前就開(kāi)始了，但當時(shí)在市場(chǎng)上取得的成功有限。早期，商業(yè)化的主要障礙在于可靠性。RF開(kāi)關(guān)需要經(jīng)受數十億次開(kāi)關(guān)循環(huán)的考驗。要找到開(kāi)關(guān)材料極具挑戰——既要求足夠堅固，能經(jīng)歷大量開(kāi)關(guān)的循環(huán)，同時(shí)又得非常柔軟才能在閉合時(shí)形成良好的接觸。RF MEMS開(kāi)關(guān)（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(shù)。開(kāi)關(guān)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(shí)溫度依賴(lài)性以及對沖擊和振動(dòng)敏感性也會(huì )影響其可靠性。

下一代電信系統和智能手機對RF MEMS開(kāi)關(guān)和其他RF MEMS器件的需求在不斷增長(cháng)。根據半導體市場(chǎng)調研機構Yole Développement的報告，RF MEMS器件市場(chǎng)將大幅增長(cháng)。Yole指出，由于5G設備中需要有源天線(xiàn)，5G通信的發(fā)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(huì )被用于部署與5G相關(guān)的新基站和邊緣計算。

結論

由于其機械特性，RF MEMS開(kāi)關(guān)與現有技術(shù)相比具有多項優(yōu)勢，包括閉合時(shí)阻力很低、打開(kāi)時(shí)阻力很高。此外，它具有體積小、功率要求低、開(kāi)關(guān)速度快、信號損耗低、高斷態(tài)隔離和電路規模集成能力等優(yōu)點(diǎn)。隨著(zhù)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(kāi)關(guān)被廣泛用于包括5G移動(dòng)蜂窩通信在內的電信系統，帶來(lái)RF MEMS器件的巨大增長(cháng)。