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什么是射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)？

射頻微機(jī)電系統(tǒng) (RF MEMS) 開關(guān)是低功耗小型微機(jī)械開關(guān)，可以使用傳統(tǒng)的MEMS制造技術(shù)生產(chǎn)。它們類似于房間中的電燈開關(guān)，通過觸點(diǎn)打開或關(guān)閉在開關(guān)中傳輸信號(hào)。在RF MEMS器件中，開關(guān)的機(jī)械組件大小只在微米級(jí)別。與電燈開關(guān)不同的是，RF MEMS開關(guān)傳輸?shù)氖巧漕l信號(hào)。

射頻開關(guān)技術(shù)

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

RF MEMS開關(guān)種類繁多，它們可以用不同的機(jī)制來驅(qū)動(dòng)。由于功耗低、尺寸小的特性，靜電驅(qū)動(dòng)常用于射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)設(shè)計(jì)。MEMS開關(guān)也可使用慣性力、電磁力、電熱力或壓電力來控制打開或關(guān)閉。

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

圖1：“懸臂梁”型RF MEMS開關(guān)

圖2：使用CoventorMP?中建立的“懸臂梁”

RF開關(guān)模型，展示開和關(guān)的驅(qū)動(dòng)狀態(tài)

電容式RF MEMS開關(guān)

最新一代的RF MEMS開關(guān)大多是電容式器件。電容式開關(guān)使用電容耦合工作，非常適合高頻率的射頻應(yīng)用。在操作過程中，力被施加到像橋一樣懸在基板上的梁。當(dāng)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(hào)終止。橋型電容開關(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開關(guān)

圖4：使用CoventorMP?3D建立的橋型

RF開關(guān)的模型處于未變形狀態(tài)

RF MEMS的商業(yè)化

RF MEMS開關(guān)的開發(fā)早在20多年前就開始了，但當(dāng)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開關(guān)需要經(jīng)受數(shù)十億次開關(guān)循環(huán)的考驗(yàn)。要找到開關(guān)材料極具挑戰(zhàn)——既要求足夠堅(jiān)固，能經(jīng)歷大量開關(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開關(guān)（特別是它們的電極）需要一種基于機(jī)械材料合成層的制造技術(shù)。開關(guān)的可靠性受到這些合成材料中電氣和機(jī)械應(yīng)力的影響，同時(shí)溫度依賴性以及對(duì)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(tǒng)和智能手機(jī)對(duì)RF MEMS開關(guān)和其他RF MEMS器件的需求在不斷增長(zhǎng)。根據(jù)半導(dǎo)體市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu)Yole Développement的報(bào)告，RF MEMS器件市場(chǎng)將大幅增長(zhǎng)。Yole指出，由于5G設(shè)備中需要有源天線，5G通信的發(fā)展將增加對(duì)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(jì)算。

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)阻力很低、打開時(shí)阻力很高。此外，它具有體積小、功率要求低、開關(guān)速度快、信號(hào)損耗低、高斷態(tài)隔離和電路規(guī)模集成能力等優(yōu)點(diǎn)。隨著新的制造工藝和材料準(zhǔn)備就緒，頻率在幾十GHz范圍內(nèi)的射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)被廣泛用于包括5G移動(dòng)蜂窩通信在內(nèi)的電信系統(tǒng)，帶來RF MEMS器件的巨大增長(zhǎng)。