开关器件的基本要求是可靠工作——接通、断开、完成任务。日益复杂的电子系统正对开关性能的根本性提升施加巨大压力。对于用于射频(RF)和功率控制设备的开关而言，尤其如此，其工作特性对整个系统性能有重要影响。

高可靠性、高性能的开关对于快速增长的市场至关重要，例如蜂窝通信、航空航天和工业应用。想象一下多无线电、多天线蜂窝手机中复杂的射频信号路由;驱动机器人关节电机所需的能量路由所要求的功率密度能力;或是先进军用雷达的可靠性要求。

所有这些系统都需要“可靠工作”的开关，而这里的“可靠工作”可以理想化为：具有零插入损耗、对通过的信号无影响、无热管理问题、工作频率从直流到数十吉赫兹，同时完全可靠、性能不随时间变化，并且结构紧凑。

开关技术的现状

开关市场按大类可分为机电继电器、半导体开关和射频继电器。每种类型都提供了不同的特性组合，包括开关速度、额定功率、开关能量、可靠性、尺寸、封装选项、集成难易度以及热管理要求。

所有类型都面临着来自市场的压力：需要更小型化、处理更高频率、提高可靠性、降低成本，同时它们所服务的系统本身也在朝着更小尺寸、更快速度和在更严苛环境下工作的方向加压。

机电继电器已使用了100多年。它们利用流过线圈的电流产生的电磁场来移动电枢，从而使两组触点之间形成或断开连接。

其优点包括高隔离度、高功率处理能力和低电阻。其挑战包括移动电枢所需的能量、开关速度、保持开关闭合所需的维持电流、与运动部件相关的可靠性问题以及其尺寸。

半导体开关，如mosfet、晶闸管和三端双向可控硅，提供了无运动部件的高速开关。这在太阳能逆变器和电动汽车直流-直流转换器等绿色技术应用中尤为重要，其转换效率由开关速度决定。

然而，半导体开关在速度、便利性和可靠性方面的代价往往是不可忽视的通道电阻，这会导致能量损耗，从而引发热管理问题，同时由于其通道无法完全关闭，隔离度也相对较差。

射频继电器设计用于处理高频信号，与用于功率控制的通用机电继电器相比，损耗更小，失真更低。这是通过实施阻抗匹配的输入输出、精心选择材料以及内部PCB上的走线设计等措施实现的。射频继电器的封装也比标准继电器更复杂，以屏蔽信号免受损耗和干扰。典型应用在射频传输线、测试夹具和天线系统中。

一种基于半导体的机械解决方案

这些开关类型在合适的应用场景下各有其用，但都不是我们之前讨论的完美开关。为此，我们转向微机电系统(MEMS)技术，该技术源自半导体制造技术，但其本质上仍然是机械的和欧姆式的。

MEMS技术始于晶圆，但它并不专注于构建有源电子器件，而是将晶圆用作表面微加工中的载体材料，用于制造运动机构。光刻技术仍然定义着特征的形状，但随后选择性蚀刻技术会将这些特征下方蚀刻到使它们部分或完全脱离晶圆基体的程度。然后，这些特征可以在电场和磁场的作用下移动，作为致动器工作，或者在运动时移动以记录位移和感测惯性力。它们甚至可以使用微镜阵列来路由光信号。

例如，多轴加速度计用于车辆惯性导航系统，作为GPS定位的备份——并在突然减速时用于展开安全气囊。倾斜传感器向手机摄像头用户显示照片是否水平。MEMS陀螺仪感测虚拟现实头显中的运动。

MEMS技术也可以制造压力传感器——包括我们手机中的麦克风。在工业应用中，MEMS传感器跟踪机器振动，感测过程流体和气体的流动，并监测操作环境。

我们关注的是开关，MEMS技术有望将机械开关的优势(如低插入损耗和高隔离度)与半导体制造技术的优势(可扩展性、集成性以及随着产量增加成本迅速降低)结合起来。那么，如何使用MEMS技术来构建更好的开关呢?

一种方法是使用选择性蚀刻来创建一个微型结构，类似于游泳池上方的跳水板。这个在晶圆表面上方形成的“跳水板”由导电但结构稳定的金属合金制成，承载一个触点。“泳池”在晶圆表面提供了不可移动的金属触点。当受到驱动力作用时，跳水板会弯曲跨越高隔离的空气间隙到达“泳池”，形成欧姆接触并导通。

有几种方法可以使“跳水板”弯曲以接触“泳池”。例如，在跳水板下方和泳池底部之间施加通常为数十伏的电压，会产生静电场使跳板弯曲，从而使触点接触。

静电驱动的优点是超低功耗驱动，仅消耗漏电流，缺点是需要数十伏的电压。通过在晶圆上制作小型线圈来产生电磁场，移动电枢(类比于跳水板)使触点接触，也能达到类似的效果。

电磁驱动可以在更大的间隙距离上产生更高的驱动力，且驱动电压更低，缺点是需要持续且显著地消耗功率来驱动线圈电流。

不同类型的触点使MEMS开关针对不同应用进行优化。欧姆触点提供了最低损耗的连接，能够控制直流到毫米波(mmWave)的功率和信号频率，在断开时具有高隔离度，在闭合时具有高信号线性度。

电容触点在一个触点上形成介电层，用于阻断直流信号但耦合高频信号，对射频信号具有低损耗和高隔离度;然而，它们不像欧姆触点那样能够传导功率。

设计挑战与工程权衡

工程上没有免费的午餐，因此设计人员在确定MEMS开关规格时面临着权衡。例如，MEMS开关可能由于触点之间的空气间隙而提供良好的隔离度，但开关电枢的反复运动可能导致材料缺陷，最终引发故障。

同样，选择欧姆连接还是电容连接会影响触点材料的选择。金属可以实现非常低电阻的欧姆接触，但可能受到机械磨损、放电和表面粘附积聚的影响——即材料在负载和温度下倾向于自身粘合。使用介电材料实现电容耦合可以缓解这些挑战，但介电材料本身会随着时间的推移积累电荷，从而改变开关的工作特性。

由于MEMS结构是悬空的且尺寸仅为微米量级，它们容易受到材料热膨胀系数(CTE)之间不匹配，以及沉积薄膜中残余应力和应力梯度的影响。如果控制不当，这些应力会导致翘曲和分层，因此需要精心选择材料，并精确表征其制造工艺以减少这些影响。

MEMS开关对湿气、灰尘和微粒也很敏感，因此需要气密封装以确保长期可靠性和性能稳定性。封装还必须有助于维持MEMS开关在射频应用中的低插入损耗和高线性度，以及在功率应用中的低电阻和导热性。

因此，必须精心设计金属、金属厚度、阻挡层、走线、焊盘和金属通孔，以最小化来自寄生电容和电感的射频损耗，以及功率应用中的欧姆传导损耗。

这些挑战正由Menlo Micro(加州尔湾)等公司着手解决。该公司基于工业巨头GE进行的研究，并与玻璃制造商康宁合作，生产新一代MEMS开关。

GE的研究贡献了一种电沉积合金，可用作悬臂或电枢，其机械性能接近硅的有用特性，同时保持了金属的高导电性。与康宁的合作则产生了一种玻璃基板，用于封装所得的MEMS开关，并采用了玻璃通孔技术，有助于缩短封装内的引线长度，从而最大程度地减少限制射频性能的寄生效应，同时最大限度地提高功率控制的导电性。

图1

其成果便是Menlo Micro的“理想开关”，它可以开关数千伏电压，并且当大量阵列并联时，可以处理数十安培电流。其低导通电阻降低了热管理成本和复杂性，因为相比竞争性开关方案，能量浪费大大减少;而其低寄生参数的封装设计确保了从直流到数十吉赫兹的低插入损耗和高线性度。芯片级封装和低热损耗也意味着该开关可用于构建密集的功率控制系统，例如智能功率继电器(参见图2)。

图2

理想开关技术还通过异质集成提供了实现更高密度集成的途径，即将MEMS开关与微控制器和传感器等其他硅器件集成在多芯片模块的共享基板上。MEMS制造技术也带来了晶圆级集成的前景，可以创建非常大的理想开关阵列，用于构建更加集成的射频开关和功率控制系统。

重新思考开关技术

我们今天所依赖的一些开关技术在过去一个世纪里变化甚微。与此同时，它们所集成的系统的发展速度却是前所未有的快。

对诸如MEMS开关这类技术进行有充分依据的更新，可以提供一个平台，用以构建性能远高于当今射频开关和功率控制系统的版本，并创新出新的方法来满足未来系统的开关需求。