二十年前专注于射频电路的工程师们曾大胆设想一种理想开关导通时电阻极低断开时电阻极高体积微小、响应快速、易于制造能够承载较大电流经受数十亿次开关循环工作功耗极低还能在数十乃至数百吉赫兹的高频段无失真地传输信号接近完美的线性特性。这并非遥不可及的幻想相关市场需求真实存在多个新兴产业对此充满期待。在微机电系统MEMS技术的突破性进展支撑下美国和欧洲相继涌现出大量研发项目资金来源包括美国国防高级研究计划局DARPA以及欧盟卓越网络计划。经历了21世纪以来历时最长、过程最为曲折的技术开发历程之一射频MEMS开关终于迎来商业化成功的曙光。在美国有两家公司在竞争激烈的快速变化市场中率先站稳脚跟。位于加利福尼亚州尔湾市的Menlo Micro是GE Ventures的衍生公司据联合创始人兼高级副总裁Chris Giovanniello介绍该公司目前在航空航天、军事和无线基础设施领域已拥有逾30家客户。与此同时专门为智能手机开发射频MEMS开关的硅谷公司Cavendish Kinetics已于去年10月被领先无线设备及系统制造商Qorvo收购收购金额未予披露但此前Cavendish至少经历三轮融资累计融资超过5800万美元。此外半导体巨头亚德诺半导体也在销售一款面向测试和仪器仪表应用的射频MEMS开关。这些成果的背后是一段充满起伏的漫长历程。经过无数公司的尝试最终只有这两家成功了值得祝贺。也许有20家公司以失败告终但这就是现实。射频MEMS研发领域的先驱、加州大学圣地亚哥分校电气工程教授Gabriel Rebeiz说科技创业公司十中有一成功本就是常态。这类新型器件融合了机电继电器开关的最佳特性——超低电阻、极低漏电流以及极高线性度同时兼具半导体开关的优势体积小、可靠性高、耐用性强。从原理上看它与继电器开关相似工作时静电力将被称为执行器或悬臂梁的导电梁拉向电触点。与依靠电磁铁触发的继电器不同射频MEMS开关利用50至100伏直流电压产生静电场驱动悬臂梁与触点接触。由于电场为静态电流极小功耗因此极低。Giovanniello表示最棘手的技术难题之一是找到一种能够承受数十亿次弯曲-回弹循环的导电合金。真正的难点在于执行器GE将主要精力都投入到合金研发上。我们开发出一些专有合金导电性能优异非常适合用作继电器同时机械强度极高几乎与多晶硅相当。GE数十年来积累了大量航空发动机合金研究经验正是那些领域的专家帮助我们攻克了这些根本性的可靠性难题。Menlo未公开合金成分但GE与Menlo工程师约五年前发表的一篇研究论文显示他们当时正分别研究镍合金和金合金。Giovanniello透露部分客户已将这款尺寸约为50×50微米的器件应用于无线基站、军用无线电或相控阵雷达。随着先进无线电和无线系统需要同时支持多个频段每个频段对应一个或多个滤波器射频MEMS开关的价值愈加凸显。我们有客户在其无线电中配置了20个滤波器他说当需要用传统开关在众多滤波器之间切换时信号损耗相当可观最高可达3至4分贝而3分贝的损耗意味着高达50%的功率损失。Qorvo目前主攻智能手机内部应用这是一个每年销量约达15亿部的庞大市场但对零部件的要求也极为苛刻。Qorvo技术开发高级总监Julio Costa表示手机已成为日常生活的核心任何新组件只要可靠性存疑就不可能被采用。在智能手机中射频MEMS开关有两个明显的应用场景。Qorvo目前重点推进的是天线调谐。一部现代智能手机最多配备八根天线以支持随5G普及而不断增多的频段。在天线上集成开关可动态调整天线配置并接入电容或电感等谐振器件实现对天线响应的精细调谐。目前手机厂商在这一应用中普遍采用基于绝缘体上硅SOI技术的半导体开关而MEMS器件在高频和线性度方面的优势使其成为极具吸引力的替代方案尤其适用于部分5G频段。Costa预计再过几年便可看到搭载该开关的手机问世。欧洲方面商业化进程同样在漫长的研发积累后逐步推进。法国初创企业AirMems正基于利摩日大学的研究成果推广射频MEMS开关产品。德国研究机构IHP高性能微电子创新研究所则开发出一种将射频MEMS开关直接集成到双极型CMOS芯片中的工艺。在一次深度访谈中Giovanniello指出无线、雷达和仪器仪表应用仅仅是个开始。他透露Menlo Micro已成功让20安培电流通过一个微型开关并展望这类器件未来有望发展为一种可复位、可电子控制的保险丝。每隔几代总会出现一种新技术提供全新的开关实现方式他补充道100年前只有机械开关后来出现了真空管、晶体管和集成电路。从本质上看它们都是开关的不同实现形式。这就是我们描述这种理想开关技术的方式——它融合了机械世界和半导体世界各自的精华最终形成一种全新的开关制造工艺将帮助我们及合作伙伴在未来十年内开发出数百乃至数千种不同产品。QAQ1射频MEMS开关与传统半导体开关相比有哪些优势A射频MEMS开关融合了机电继电器的低电阻、低漏电流、高线性度以及半导体开关的小尺寸、高可靠性和耐用性。它能在数十至数百吉赫兹频段实现近乎无失真的信号传输功耗极低可承受数十亿次开关循环。相比之下传统半导体开关在高频段的线性度和信号损耗方面存在明显不足例如在多滤波器切换场景中传统方案可能造成高达50%的功率损失。Q2Menlo Micro的射频MEMS开关主要用在哪些领域AMenlo Micro目前已在航空航天、军事和无线基础设施领域拥有超过30家客户其射频MEMS开关被应用于无线基站、军用无线电和相控阵雷达等场景。此外公司也在布局智能手机市场并展望未来将其开发为可复位、可电子控制的保险丝拓展至更广泛的应用领域。Q3Qorvo收购Cavendish Kinetics后射频MEMS开关会如何应用于智能手机AQorvo计划将射频MEMS开关应用于智能手机的天线调谐。现代智能手机最多配备八根天线以支持多个5G频段通过在天线上集成MEMS开关可动态调整天线配置并接入谐振器件实现更精准的频率匹配。相比现有的SOI半导体开关MEMS器件在高频性能和线性度上更具优势Qorvo预计几年内将在量产手机中落地。