經過20年開發，MEMS射頻開關有望走向手機

射頻微機電系統實現“理想開關”。

20 年前，射頻電路的專業工程師設想了一種“理想開關”。這種開關在“接通”時的電阻非常低，在“斷開”時的電阻非常高，它體積小巧、速度快，便于制造，能夠切換相當大的電流，可以耐受數十億次開關轉換，開關只需很少的電力。它還能毫無失真地傳導數十至數百千兆赫的信號（近乎完美的線性度）。

這并不是空想，這一大型新興產業市場已準備就緒。伴隨微機電系統（MEMS）持續取得突破性進展，美國和歐洲的大型項目如雨后春筍般涌現。很多項目都得到了美國國防部高級研究計劃局（DARPA）或歐盟 越網絡（European Union Network of Excellence）的資助。進入 21 世紀后，經過長時間且動蕩的技術開發之后，現在，射頻微機電系統（RF MEMS）開關終于要走向商業成功了。

在美國，有兩家公司可能會快速發展并在競爭激烈的市場中站穩腳跟。其一是通用創投的子公司 Menlo Micro，位于加州爾灣市。該公司的聯合創始人兼高級副總裁克里斯•喬瓦尼埃洛（Chris Giovaniello）表示，他們在航空航天業、軍事和無線網絡基礎設施行業有 30 多個客戶。同時，硅谷還有一家名為 Cavendish Kinetics 的公司，該公司致力于開發用于智能手機的 RF MEMS 開關。2019 年 10 月，該公司被無線設備和系統（很多都用于智能手機）的l先制造商 Qorvo 公司收購。雖然有關收購的具體條款并未公布，但 Cavendish 公司已在至少三輪融資中籌集了超過 5800 萬美元的資金。

這一成功經歷了漫長而動蕩的時光，其間時而希望高漲，時而希望渺茫。“許多公司都進行了嘗試，只有這兩家公司成功了，它們很幸運。可能有 20 家公司都失敗了，這就是現實。對于科技創業公司，10%的成功率是很正常的。”RF MEMS 研發x驅、加州大學圣地亞哥分校的電氣工程學教授加布里埃爾•雷貝茲（Gabriel Rebeiz）說。

新設備結合了機電繼電器開關的 佳功能（超低電阻和漏電電流以及非常高的線性度）與半導體開關的一些優點（體積小、可靠性非常高，堅固耐用）。從概念上說，這種設備與繼電器開關類似。在操作中，靜電力將導電梁（也稱為執行器或懸臂）拉向電觸點。繼電器的動作是由電磁體觸發的，RF MEMS 開關則不同，它使用 50 至 100 伏的直流電壓來產生靜電場，將導電梁拉至電觸點。由于電場是靜態的，因此電流和功耗非常低。

喬瓦尼埃洛說，難的技術挑戰是找到一種可承受數十億次反復彎曲的導電合金。他說：“真正的問題是執行器，為了解決這個問題，通用公司付出很大努力來開發合金。我們已經開發了一些高導電性的專有合金，這些合金非常適合繼電器，但是其機械強度*，非常像多晶硅。”

他補充說：“幾十年來，通用公司在用于噴氣發動機的合金方面做了很多工作，實際上，正是其中一些人幫助我們解決了一些基本的可靠性問題。”Menlo 公司尚未透露其合金的成分，但是，大約 5 年前通用和 Menlo 公司的工程師所撰寫的研究論文表明，他們當時正在分別研究鎳合金和金合金。

與此同時，Qorvo 公司則正在以智能手機內部的應用為目標（Menlo Micro 也是如此）。Qorvo 的技術開發總監朱里奧•科斯塔（Julio Costa）說，每年智能手機的成交量約為 15 億部，這是一個巨大的市場，對器件的要求也極為嚴格。“手機是人們日常生活中的重要組成部分，因此，如果（新器件）不可靠，就無法使用。”

科斯塔解釋說，智能手機中的設備有幾種主要的用途。Qorvo 追求的d一個用途是天線調諧。為了適應無線網絡從 4G 過渡到 5G 不斷增多的頻帶，現代智能手機多要有 8 根天線。為了更好地實現天線與頻率的匹配，嵌入天線的開關可以更改配置，接入電容或電感等諧振元件，實現天線響應的微調。目前針對這種應用，手機制造商使用的是基于絕緣硅片（SOI）技術的半導體開關。但 MEMS 器件的頻率和線性度可能更高，可成為很有吸引力的替代方案，特別是對某些 5G 頻段，科斯塔說。他希望“在幾年內”能夠將這些開關集成到手機中。

喬瓦尼埃洛在一次遠程采訪中說，無線網絡、雷達和儀器儀表的應用僅僅是開始。他聲稱，Menlo Micro 已經利用一種微型開關實現了傳導 20 安培電流，他設想該設備將來可作為一種“可復位的、電子控制的熔斷器”。

他補充說：“每隔幾代人，都會出現一種新技術，為制造開關提供一種不同的方式。我們多么喜歡描繪這種理想的開關技術。它是機械和半導體領域 優精品的結合，但終，它是一種制造開關的新工藝技術，我們和伙伴將在未來 10 年內生產成百上千種不同的產品。”

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