RF MEMS开关：了解其运作、优势和未来

RF MEMS开关是一种小型微机械开关，具有低功耗，可以使用传统的MEMS制造技术生产。它们类似于房间里的开关，通过打开或关闭接触点来传导信号。

在RF MEMS设备的情况下，开关的机械部件仅有几微米大小。与普通开关不同的是，RF MEMS开关传导的信号处于射频范围内。

一、RF开关技术 

可以使用许多不同的技术来实现RF开关。有两种主要的RF开关类型与RF MEMS开关竞争：机电式RF开关和固态RF开关。

固态开关使用半导体技术来运作，例如硅或PIN二极管、场效应晶体管（FET）和混合技术（结合了PINS和FET），并采用基于硅的衬底制造。

RF MEMS开关则与不断提高的基于RF-SOI（绝缘体上的硅）的开关竞争，后者是目前市场上的主流解决方案。

有许多类型的RF MEMS开关，并且它们可以使用不同的机制来驱动（或翻转）。由于低功耗和小尺寸，电静力驱动常用于RF MEMS开关设计中。MEMS开关也可以使用惯性、电磁、电热或压电力来打开或关闭。

图1和图2展示了典型的“悬臂梁”RF MEMS开关。在这种配置中，一个固定梁悬挂在基底上。当梁被压下时，梁上的电极接触基底上的电极，使开关处于“开”状态并完成电路。

图 1：悬臂梁式 RF-MEMS 开关（由参考资料 1 提供）

图2：来自 CoventorMP® 的悬臂梁 RF 开关模型，显示了开启和关闭驱动状态

二、电容式 MEMS 射频开关

最新一代的 RF MEMS 开关主要是基于电容的设备。电容开关使用电容耦合工作，非常适合高频 RF 应用。在操作过程中，一个力被施加到一个像桥梁一样悬挂在基板上的梁上。当光束被力（例如静电力）拉下时，光束接触基板上的电介质，信号终止。图 3 显示了“桥”型电容式开关的横截面，图 4 显示了处于未变形状态的电容式 RF MEMS 开关的 CoventorMP® 3D 模型。

图 3：桥式电容式 RF-MEMS 开关（提供，参考文献 1）

图 4：桥式射频开关的 CoventorMP® 模型处于未变形的“向上”状态

三、射频 MEMS 商业化

射频 MEMS 开关的开发早在 20 多年前就开始了，但当时的市场成功率有限。早期商业化的主要障碍是可靠性。射频开关需要经受数十亿次开关循环。寻找足够坚硬以维持大量开关循环，同时又足够柔软以在关闭时形成良好接触的材料一直是一项挑战。

射频 MEMS 开关（最值得注意的是它们的电极）需要一种基于机械材料复合层的制造技术。RF MEMS 开关的可靠性受这些复合材料中的电应力和机械应力以及温度依赖性和对冲击和振动的敏感性的影响。

下一代电信系统和智能手机对 RF MEMS 开关和其他 RF MEMS 器件的需求不断增长。根据 Yole Développement 最近的一份报告，RF MEMS 设备市场预计将在 2018 年至 2024 年间增长约 100%。

Yole 指出，由于 5G 设备需要有源天线，5G 通信的发展将增加对 RF MEMS BAW 滤波器等基于 MEMS 设备的需求。此外，RF MEMS 振荡器将用于部署与 5G 相关的新基站和边缘计算。

四、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，包括闭合时的电阻非常低，打开时的电阻非常高。RF-MEMS 开关具有尺寸小、功率要求低、切换时间快、信号损耗低、关断状态隔离度高、电路规模集成能力等优势。频率在数十 GHz 范围内的 RF-MEMS 开关将广泛用于未来的电信系统，例如 5G 移动蜂窝通信，特别是随着新的制造工艺和材料变得更容易获得。作为下一代 5G 和其他电信系统的一部分，RF MEMS 设备（包括 RF MEMS 开关）将经历显著增长。

要了解有关射频 MEMS 开关设计的更多信息，请单击此处。

参考：

1. 库门德拉博士；Kumar, R.，“射频应用的射频微机电系统 (MEMS) 开关综述”。微系统技术 (2020)。

2. 曹，T。胡，T。Zhao, Y.，“MEMS 开关的研究现状和发展趋势：综述”。微型机械 2020, 11, 694。

3. Yole Développement，“2019 年 MEMS 行业现状”

4. https://www.globalspec.com/learnmore/telecommunications_networking/rf_microwave_wireless_components/rf_switches

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