MEMS技术与理想开关的追求

MEMS技术及其应用的发展经历了相当长的时间。微机电系统的起源可以追溯到20世纪70年代中期，但又花了近四分之一个世纪才推出第一个商业MEMS产品。这就是Analog Devices公司的ADXL50加速计，它使该公司成为将一个有前途的想法转化为商业产品的先驱。

MEMS传感器和执行器目前已广泛应用于数百家供应商，例如，自20世纪90年代中期以来，MEMS加速度计已成为汽车行业安全气囊展开电路的普遍选择。数字微镜设备(因其具有数字控制的能力而得名)多年来也被用于在电影院屏幕上的投影仪镜头上形成光学图像。基于MEMS的惯性测量单元也广泛用于导航系统，其他MEMS应用包括小型化麦克风、扬声器、用于环境源的能量采集器、用于测量压力、气体和温度的传感器以及几种类型的应变计。

值得注意的是，在这个列表中没有开关，MEMS技术在逻辑上是一个理想的应用，因为开关有可移动的部件(MEMS的一个基本特征)。然而，微机电开关不同于任何其他类型的MEMS设备，在过去的40多年里，开发和商业化可靠的MEMS开关产品一直是研究人员的难题。这些努力消耗了许多公司的资源，导致几乎所有公司在取得商业成功之前就退出了该领域。此外，几乎所有这些努力都集中在纯RF应用上，以至于MEMS开关已经成为RF MEMS的代名词。

今天，MEMS开关领域只有少数几家公司，主要是Analog Devices, Cavendish Kinetics(现在的Qorvo)，他们都专注于RF应用，以及Menlo Micro。这三家公司都开发了自己特定的、通常是专有的技术，这些技术花费了多年的努力和资金才得以实现。在Analog Devices, Cavendish Kinetics和Menlo Micro之前，可以追溯到20世纪80年代，有数十个开发工作，将可靠且具有成本效益的MEMS开关推向市场。这些努力失败的原因有很多，例如有限的资源，缺乏制造设施和制造过程的控制，最重要的是，无法找到合适的材料来解决制造MEMS开关所需的独特挑战，具有可靠性，可制造性，性能和商业产品的低成本要求。

在MEMS开关的开发上花费如此多的精力和资源是有原因的。MEMS开关有可能取代机电和半导体开关的核心应用，特别是在测试和测量以及射频和微波系统中。它们体积更小、重量更轻、功耗更小、开关速度更快、几乎没有插入损耗和非常高的隔离性，可以很好地在毫米波区域工作，并产生很少的互调失真——所有这些都在一个小封装的范围内实现。

虽然Analog Devices公司和卡文迪什公司已经开发出了商用的RF MEMS开关，但没有人能够开发出允许开关同时用于射频和高功率应用的MEMS技术。圣杯一直是通用MEMS开关，能够处理RF高达GHz和AC/DC电源高达kV。Menlo Micro的理想开关™被证明是通用的MEMS开关。

Menlo Micro目前正在商业化的Ideal Switch™技术源于GE，乍一看似乎不太可能来自GE。然而，通用电气的研发资源涵盖了从化学工程到冶金、半导体电子和包装的一系列学科，而最重要的是，它在高温合金、失效分析和可靠性建模方面拥有数十年的经验。所有人都需要为GE苛刻的工业业务解决问题并开发解决方案，从飞机及其涡轮发动机到发电、火车、石油和天然气勘探、采矿、水力发电、风力涡轮机和磁共振成像设备。

通用电气所有研发学科的专业知识都需要解决通用MEMS触点开关的一些基本可靠性挑战，并在此过程中开发一个制造平台，可以创建能够在长运行寿命内处理千瓦功率的通用MEMS开关。乐动全站APP其结果是一种专利工艺，将半导体制造技术应用于微型机电开关的生产。

通用电气在2004年开发通用MEMS开关的动力是该公司希望为远程可编程的非常大功率断路器找到传统机械继电器的替代品。理想的解决方案将以固态技术的速度处理高功率，并能够可靠地运行几十年的寿命，但没有与固态设备相关的损耗。考虑了来自多个供应商的现有欧姆MEMS开关，但当时在恶劣环境条件下缺乏可靠性将它们全部排除在外。其他技术也没有一个符合所有条件，因此通用电气决定从头开始努力创建自己的欧姆MEMS开关。

欧姆MEMS开关有两种主要失效机制:金属疲劳和接触磨损。乐动全站APP通用电气的研究人员确定，虽然金属是优秀的导体，但它们不是悬臂的良好弹簧材料，因为它们会随着时间的推移而变形，特别是随着温度的变化。因此，通用电气开始了详尽的材料评估过程，从而产生了专有的制造工艺和专有的电沉积合金。其结果是一种悬臂，结合了接近硅的机械性能和金属的导电性。这些合金是Menlo Micro用于制造MEMS欧姆开关的关键部件，这些开关可以在数十年的使用寿命中处理千瓦功率(因此可以高温操作)。

制造一个可靠的通用MEMS开关的最后一个关键属性是封装。保持开关运行的稳定环境，同时采用能够扩展的低成本制造的封装工艺，对于创建商业上可行的通用MEMS开关至关重要。与康宁合作，Menlo Micro展示了一种创新的通过玻璃通过(TGV)封装技术的通用MEMS开关的集成，这使得Menlo Micro的理想开关™被放置在非常小的芯片级封装中。

因此，与线粘封装相比，Menlo Micro将其产品的尺寸减小了60%以上。这允许增加通道密度，同时减小尺寸、重量、功率和成本。对于射频和微波应用，消除线键合，代之以短的、控制良好的tgv，将封装寄生率降低了75%以上，这使得该技术可以在从直流到超过50 GHz的广泛频率范围内工作。

图1:Menlo Micro的MM5120 SP4T评估板
来源:门罗微

Menlo Micro最新的里程碑是引入了变革性的MM5120 SP4T（图1)“理想开关。”Menlo Micro公司负责重新发明电子开关，推出了大功率单极/四掷(SP4T) dc -18 GHz开关，提供了业界最高的性能(图2)，可靠性和集成射频开关应用。新型MM5120 SP4T开关在6 GHz时可提供0.4 dB的低插入损耗，25W功率处理和业内最高的线性度，显著优于传统的固态开关和机电继电器(emr)。MM5120采用定制设计的内置高压充电泵驱动器ASIC，提供SPI总线和GPIO接口，用于简化主机控制。MM5120集成为一个5.2mm x 4.2mm的LGA封装，无需外部组件，简化了客户布局。

图2:MM5120 SP4T的s参数，包括插入损耗、返回损耗和隔离。
来源:Menlo Micro

开关的高度集成设计(图3)降低了成本和复杂性，简化了许多射频系统的开发，包括射频滤波器和前端，用于半导体测试的设备接口板，以及用于先进无线电架构和雷达系统的波束形成天线。高通道密度和低损耗也使MM5120成为射频和微波测试和测量应用的超紧凑型开关矩阵的理想选择。与Menlo Micro所有理想开关产品一样，MM5120可帮助客户实现99%的尺寸、重量、成本和功耗降低，同时提供超过30亿次开关操作，且性能没有下降。市场上没有其他常规SP4T开关可以与MM5120的综合射频性能和寿命可靠性相媲美。

图3:MM5120 SP4T模块框图
来源:门罗微

MM5120 SP4T交换机的评估板和工程样品现已上市。量产版计划于2022年第二季度发布。有关价格信息，请乐动全站APP联系您的RFMW销售团队．

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