RF MEMS技术如何最终实现"理想开关"

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。"

Q&A

Q1：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。

Q2：Menlo Micro的射频MEMS开关主要用在哪些领域？

A：Menlo 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。

Q3：Qorvo收购Cavendish Kinetics后，射频MEMS开关会如何应用于智能手机？

A：Qorvo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。