二十年前，專注於射頻電路的工程師們曾大膽設想一種"理想開關"：導通時電阻極低，斷開時電阻極高，體積微小、響應快速、易於製造，能夠承載較大電流，經受數十億次開關循環，工作功耗極低，還能在數十乃至數百吉赫茲的高頻段無失真地傳輸信號，接近完美的線性特性。
這並非遙不可及的幻想，相關市場需求真實存在，多個新興產業對此充滿期待。在微機電系統（MEMS）技術的突破性進展支撐下，美國和歐洲相繼湧現出大量研發項目，資金來源包括美國國防高級研究計劃局（DARPA）以及歐盟卓越網路計劃。經歷了21世紀以來歷時最長、過程最為曲折的技術開發歷程之一，射頻MEMS開關終於迎來商業化成功的曙光。
在美國，有兩家公司在競爭激烈的快速變化市場中率先站穩腳跟。位於加利福尼亞州爾灣市的Menlo Micro是GE Ventures的衍生公司，據聯合創始人兼高級副總裁Chris Giovanniello介紹，該公司目前在航空航天、軍事和無線基礎設施領域已擁有逾30家客戶。與此同時，專門為智慧型手機開發射頻MEMS開關的矽谷公司Cavendish Kinetics，已於去年10月被領先無線設備及系統製造商Qorvo收購，收購金額未予披露，但此前Cavendish至少經歷三輪融資，累計融資超過5800萬美元。此外，半導體巨頭亞德諾半導體也在銷售一款面向測試和儀器儀表應用的射頻MEMS開關。
這些成果的背後，是一段充滿起伏的漫長曆程。"經過無數公司的嘗試，最終只有這兩家成功了，值得祝賀。也許有20家公司以失敗告終，但這就是現實。"射頻MEMS研發領域的先驅、加州大學聖地亞哥分校電氣工程教授Gabriel Rebeiz說，"科技創業公司十中有一成功，本就是常態。"
這類新型器件融合了機電繼電器開關的最佳特性——超低電阻、極低漏電流以及極高線性度，同時兼具半導體開關的優勢：體積小、可靠性高、耐用性強。從原理上看，它與繼電器開關相似：工作時，靜電力將被稱為執行器或懸臂樑的導電梁拉向電觸點。與依靠電磁鐵觸發的繼電器不同，射頻MEMS開關利用50至100伏直流電壓產生靜電場，驅動懸臂樑與觸點接觸。由於電場為靜態，電流極小，功耗因此極低。
Giovanniello表示，最棘手的技術難題之一是找到一種能夠承受數十億次彎曲-回彈循環的導電合金。"真正的難點在於執行器，GE將主要精力都投入到合金研發上。我們開發出一些專有合金，導電性能優異，非常適合用作繼電器，同時機械強度極高，幾乎與多晶矽相當。GE數十年來積累了大量航空發動機合金研究經驗，正是那些領域的專家幫助我們攻克了這些根本性的可靠性難題。"Menlo未公開合金成分，但GE與Menlo工程師約五年前發表的一篇研究論文顯示，他們當時正分別研究鎳合金和金合金。
Giovanniello透露，部分客戶已將這款尺寸約為50×50微米的器件應用於無線基站、軍用無線電或相控陣雷達。隨著先進無線電和無線系統需要同時支持多個頻段，每個頻段對應一個或多個濾波器，射頻MEMS開關的價值愈加凸顯。"我們有客戶在其無線電中配置了20個濾波器，"他說，"當需要用傳統開關在眾多濾波器之間切換時，信號損耗相當可觀，最高可達3至4分貝，而3分貝的損耗意味著高達50%的功率損失。"
Qorvo目前主攻智慧型手機內部應用，這是一個每年銷量約達15億部的龐大市場，但對零部件的要求也極為苛刻。Qorvo技術開發高級總監Julio Costa表示："手機已成為日常生活的核心，任何新組件只要可靠性存疑，就不可能被採用。"
在智慧型手機中，射頻MEMS開關有兩個明顯的應用場景。Qorvo目前重點推進的是天線調諧。一部現代智慧型手機最多配備八根天線，以支持隨5G普及而不斷增多的頻段。在天線上集成開關，可動態調整天線配置，並接入電容或電感等諧振器件，實現對天線響應的精細調諧。目前手機廠商在這一應用中普遍採用基於絕緣體上矽（SOI）技術的半導體開關，而MEMS器件在高頻和線性度方面的優勢使其成為極具吸引力的替代方案，尤其適用於部分5G頻段。Costa預計，"再過幾年"便可看到搭載該開關的手機問世。
歐洲方面，商業化進程同樣在漫長的研發積累後逐步推進。法國初創企業AirMems正基於利摩日大學的研究成果推廣射頻MEMS開關產品。德國研究機構IHP（高性能微電子創新研究所）則開發出一種將射頻MEMS開關直接集成到雙極型CMOS晶片中的工藝。
在一次深度訪談中，Giovanniello指出，無線、雷達和儀器儀表應用僅僅是個開始。他透露Menlo Micro已成功讓20安培電流通過一個微型開關，並展望這類器件未來有望發展為一種"可復位、可電子控制的保險絲"。
"每隔幾代，總會出現一種新技術，提供全新的開關實現方式，"他補充道，"100年前只有機械開關，後來出現了真空管、電晶體和集成電路。從本質上看，它們都是開關的不同實現形式。這就是我們描述這種理想開關技術的方式——它融合了機械世界和半導體世界各自的精華，最終形成一種全新的開關製造工藝，將幫助我們及合作夥伴在未來十年內開發出數百乃至數千種不同產品。"
Q&A
Q1：射頻MEMS開關與傳統半導體開關相比有哪些優勢？
A：射頻MEMS開關融合了機電繼電器的低電阻、低漏電流、高線性度，以及半導體開關的小尺寸、高可靠性和耐用性。它能在數十至數百吉赫茲頻段實現近乎無失真的信號傳輸，功耗極低，可承受數十億次開關循環。相比之下，傳統半導體開關在高頻段的線性度和信號損耗方面存在明顯不足，例如在多濾波器切換場景中，傳統方案可能造成高達50%的功率損失。
Q2：Menlo Micro的射頻MEMS開關主要用在哪些領域？
A：Menlo Micro目前已在航空航天、軍事和無線基礎設施領域擁有超過30家客戶，其射頻MEMS開關被應用於無線基站、軍用無線電和相控陣雷達等場景。此外，公司也在布局智慧型手機市場，並展望未來將其開發為可復位、可電子控制的保險絲，拓展至更廣泛的應用領域。
Q3：Qorvo收購Cavendish Kinetics後，射頻MEMS開關會如何應用於智慧型手機？
A：Qorvo計劃將射頻MEMS開關應用於智慧型手機的天線調諧。現代智慧型手機最多配備八根天線以支持多個5G頻段，通過在天線上集成MEMS開關，可動態調整天線配置並接入諧振器件，實現更精準的頻率匹配。相比現有的SOI半導體開關，MEMS器件在高頻性能和線性度上更具優勢，Qorvo預計幾年內將在量產手機中落地。
