RF MEMS 技术如何最终实现"理想开关"？

RF MEMS 技术如何最终实现"理想开关"？

在经历了长达20年的动荡发展周期后，微机电射频开关终于被用于无线基站、军用雷达和无线电。智能手机是下一个吗？

由格伦·佐尔佩特

带微加工振振器的无线电

用于低功耗逻辑的 MEMS 开关

原子-薄开关可以路由 5G 和 6G 无线电信号

照片：门洛微型六包： 黑色方形包包含六个 RF MEMS 开关， 由门洛微.每个端口控制八角形边缘周围一对 RF 端口之间的连接。

二十年前，专门从事射频电路的工程师们敢于梦想"理想的开关"。当"开"时，它会有超低的阻力，当"关"时，它会有超低的阻力，等等。它将很小，速度快，易于制造，能够切换相当高的电流，能够承受数十亿的开转周期，并且只需要很少的功率来工作。它会在数十千兆赫甚至数百千兆赫中传输信号，完全不失真（接近完美的线性）。

这不是白日梦，在萌芽的大行业，有现成的市场。在微机电系统（MEMS）的突破下，美国和欧洲各地涌现出一些重大项目。许多资金由国防高级研究计划局或欧洲联盟卓越网络资助。现在，经过21世纪更长、更动荡的技术开发努力，RF MEMS交换机终于走向了商业成功。

在美国，两家公司似乎在快速变化和竞争激烈的市场站稳了脚跟。据通用电气联合创始人兼高级副总裁克里斯·乔瓦尼洛（Chris Giovaniello）说，位于加州欧文市的门洛微公司是通用电气风险投资公司的分拆公司，在航空航天、军事和无线基础设施行业拥有30多家客户。与此同时，硅谷一家开发用于智能手机的RF MEMS开关的公司卡文迪什Kinetics去年10月被一家领先的无线设备和系统制造商Qorvo收购，其中包括许多智能手机。交易条款尚未公布，但到目前，卡文迪什至少三轮筹集了超过5800万美元。（半导体巨头ADI公司也销售RF MEMS开关，用于测试和仪器仪表的应用。

这些成功是在漫长而动荡的间歇性高、破灭的希望之后而到来的。"经过很多很多很多公司尝试，我们有这两个成功，并好于他们。也许有20家公司失败了，而C'est lavies，"Gabriel Rebeiz说，他是RF MEMS研发的先驱，也是加州大学圣地亚哥分校的电气工程教授。十分之一的成功对于技术初创公司来说是正常的。

新器件结合了机电继电器开关的一些最佳特性，即超低电阻和漏电流，以及非常高的线性度，以及一些半导体开关的加号：体积小、可靠性高、坚固耐用。从概念上讲，它们类似于继电器开关。在操作中，静电将导电束（称为执行器或悬臂）拉向电气接触。与由电磁铁触发的继电器不同，RF MEMS 开关使用 50 到 100 伏范围内的简单直流电压产生将光束拉到触点中的静态电场。（相对较高的电压来自由 3 至 5 V 电路电压输入的直流到直流转换器。由于该字段是静态的，因此电流和功耗极低。

乔瓦尼洛说，最困难的技术挑战之一是找到一种能承受数十亿弯曲循环的导电合金。"真正的问题是执行器，"他说。"这就是通用电气投入大量精力的地方，即合金。我们开发了一些具有高导电性的专有合金，使它们真正适合继电器。但他们是非常强大的机械，几乎像多晶硅。

"几十年来，GE在喷气发动机的合金方面做了很多工作，正是这些人帮助我们解决了一些基本的可靠性问题，"他补充道。门洛没有透露其合金的成分，但通用电气和门洛a research paper工程师大约五年前写的一份研究论文表明，当时他们正在使用镍和金的单独合金。

乔瓦尼洛说，Menlo的一些客户正在无线基站、军用无线电台或相控阵雷达中使用这些设备，这种设备测量约50微米。先进的无线电和无线系统越来越多地处理许多不同的频段，每个频段由一个或多个不同的滤波器选择。"我们有客户，他们的收音机里有20个过滤器，"他说。当您必须选择具有传统开关的多个滤波器时，所有交换机在选择所有不同滤波器时可能会遭受重大损失。他解释道，功率损耗可以达到3到4分贝，3分贝的减让意味着高达50%的损耗。

与此同时，Qorvo正在瞄准智能手机内部的应用（门洛微也一样）。Qorvo技术开发高级主管胡里奥？科斯塔（Julio Costa）表示，这是一个巨大的市场——每年售出约15亿部智能手机——但它也对组件提出了极其严格的要求。"您的手机是您日常生活的关键部分，如果（新组件）不可靠，毫无疑问，它就不会被整合。

科斯塔解释道，智能手机中设备有一些明显的可能用途。Qorvo 的第一个是天线调谐。现代智能手机拥有多达 8 个天线，可容纳大量频段，这些频段正在随着 4G 到5G 的无线转换而增长。为了更好地将天线与频率匹配，沿天线嵌入的开关可以更改其配置，还可以在谐振器件（如电容器或电感器）中切换，以微调天线的响应。对于这种应用，手机制造商现在使用基于绝缘硅（SOI） 技术的半导体开关。但科斯塔说，MEMS器件可能拥有更高的频率和线性度，因此它们成为一个有吸引力的选择，尤其是对于一些5G频段。他预计"几年后"将看到手机将开关结合在一起。

在欧洲，商业产品也遵循了漫长的研发项目。一家名为AirMems的初创公司正在根据法国利摩日大学的工作进行 RF MEMS 开关营销。在德国，IHP（高性能微电子创新）研究所开发了一种将RF MEMS开关直接集成到双极CMOS芯片中的过程。

在一次广泛的采访中，乔瓦涅洛说无线、雷达和仪器应用只是开始。他宣称，Menlo Micro已经设法通过其中一个微型开关传导了20安培，他设想这些设备的未来角色是一种"可重置的、电子控制的保险丝"。

他补充道："每隔几代人，就会有一项新技术，为您提供一种不同的开关制造方式。"100年前只有机械回，然后是真空管，然后是晶体管，然后是集成电路。如果你考虑一下，它们都是制造开关的不同方式。

"这就是我们喜欢描述这种理想开关技术的方式。它是机械和半导体领域最好的组合，但最终是制造开关的一种新的工艺技术，将使我们能够和我们的合作伙伴在未来十年内生产成百上千种不同的产品。

本文在 2020 年 8 月的印刷版中显示为"RF MEMS 实现"理想开关"。