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满满的知识点 关于射频微机电系统开关的那些事儿

关键词:射频微机电系统开关 射频信号 RF MEMS器件

时间:2022-05-16 13:24:26      来源:泛林

射频微机电系统 (RF MEMS) 开关是低功耗小型微机械开关,可以使用传统的MEMS制造技术生产。它们类似于房间中的电灯开关,通过触点打开或关闭在开关中传输信号。在RF MEMS器件中,开关的机械组件大小只在微米级别。与电灯开关不同的是,RF MEMS开关传输的是射频信号。

什么是射频微机电系统开关?

射频微机电系统 (RF MEMS) 开关是低功耗小型微机械开关,可以使用传统的MEMS制造技术生产。它们类似于房间中的电灯开关,通过触点打开或关闭在开关中传输信号。在RF MEMS器件中,开关的机械组件大小只在微米级别。与电灯开关不同的是,RF MEMS开关传输的是射频信号。

射频开关技术

射频开关可以使用多种不同技术实现。除了RF MEMS开关以外,还有两种主要类型的射频开关:机电式射频开关和固态射频开关。固态开关使用半导体技术进行操作,例如硅或PIN二极管、场效应晶体管 (FETs) 和混合技术(即PIN二极管和场效应晶体管的结合),并使用硅基基板构建。RF MEMS开关与基于射频-SOI(绝缘衬底上的硅)的开关处于竞争关系,后者一直都在不断改进,是当前市场上的主要解决方案。

RF MEMS开关种类繁多,它们可以用不同的机制来驱动。由于功耗低、尺寸小的特性,静电驱动常用于射频微机电系统开关设计。MEMS开关也可使用惯性力、电磁力、电热力或压电力来控制打开或关闭。

图1和图2是典型的“悬臂梁” RF MEMS开关。在这种配置中,固定梁悬挂在基板上,当梁被压下时,梁上的电极接触基板上的电极,将开关置于“开启”状态并接通了电路。


图1:“悬臂梁”型RF MEMS开关


图2:使用CoventorMP®中建立的“悬臂梁”
RF开关模型,展示开和关的驱动状态

电容式RF MEMS开关

最新一代的RF MEMS开关大多是电容式器件。电容式开关使用电容耦合工作,非常适合高频率的射频应用。在操作过程中,力被施加到像桥一样悬在基板上的梁。当梁被该力(例如静电力)拉下时,会接触到基板上的电介质,使信号终止。桥型电容开关的横截面如图 3 所示,其中使用CoventorMP® 3D所建的电容式RF MEMS开关模型处于未变形状态,如图 4 所示。


图3:桥型电容式RF MEMS开关


图4:使用CoventorMP® 3D建立的桥型
RF开关的模型处于未变形状态

RF MEMS的商业化

RF MEMS开关的开发早在20多年前就开始了,但当时在市场上取得的成功有限。早期,商业化的主要障碍在于可靠性。RF开关需要经受数十亿次开关循环的考验。要找到开关材料极具挑战——既要求足够坚固,能经历大量开关的循环,同时又得非常柔软才能在闭合时形成良好的接触。RF MEMS开关(特别是它们的电极)需要一种基于机械材料合成层的制造技术。开关的可靠性受到这些合成材料中电气和机械应力的影响,同时温度依赖性以及对冲击和振动敏感性也会影响其可靠性。

下一代电信系统和智能手机对RF MEMS开关和其他RF MEMS器件的需求在不断增长。根据半导体市场调研机构Yole Développement的报告,RF MEMS器件市场将大幅增长。Yole指出,由于5G设备中需要有源天线,5G通信的发展将增加对基于MEMS的器件(如RF MEMS BAW滤波器)的需求。此外,RF MEMS振荡器会被用于部署与5G相关的新基站和边缘计算。

结论

由于其机械特性,RF MEMS开关与现有技术相比具有多项优势,包括闭合时阻力很低、打开时阻力很高。此外,它具有体积小、功率要求低、开关速度快、信号损耗低、高断态隔离和电路规模集成能力等优点。随着新的制造工艺和材料准备就绪,频率在几十GHz范围内的射频微机电系统开关被广泛用于包括5G移动蜂窝通信在内的电信系统,带来RF MEMS器件的巨大增长。

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