MEMS开关在光网络与数据中心的应用崛起

MEMS 开关在人工智能驱动的光网络、数据中心和其他领域越来越受欢迎，被认为是半导体开关的可靠替代品。

微机电系统（MEMS）将微型电子系统和机械系统结合在一起。MEMS代表了可移动电子元件的微集成。包括传感器、执行器和加速度计在内的MEMS器件已在市场上销售多年。

MEMS开关是一种微型化的机电装置，它通过物理运动来打开或关闭开关，而不是像半导体开关那样依赖电荷载流子调制。其机械元件可以是桥式结构、悬臂梁、驱动膜片、微型马达或梳状驱动器。它固定在电极上方，并可往复运动。

微加工是工业微机电系统（MEMS）制造工艺。在所有微加工工艺中，表面微加工最为常见。该工艺与半导体制造非常相似，都是在衬底表面沉积薄层来构建机械元件。与半导体制造类似，表面微加工的步骤也包括光刻、沉积、图案化和蚀刻。

因此，表面微加工也称为半导体微加工。另一种常用方法是体微加工，类似于体半导体制造，其中硅衬底的所有层都参与MEMS开关的制造。表面微加工和体微加工工艺均可制造各种MEMS器件。

随着铜缆逐渐退出数据中心，光纤取而代之。一方面是运行在电信号上的集成电路（处理器），另一方面是传输光信号的光纤。光收发器是可插拔模块，安装在机架顶部，并通过外部光纤电缆连接到网络交换机或其他集成电路。

这些光收发器将电信号转换成光脉冲，通过光纤传输，然后再将光脉冲转换回电信号，供芯片和组件使用。光MEMS交换机可以替代光收发器，将光信号从一根光纤路由到另一根光纤。通常，光MEMS交换机是数据中心内的一个独立设备，称为光路交换机（OCS）。

OCS盒放置在机架中。MEMS开关由微镜阵列组成，这些微镜在电压或磁场作用下连续运动。内部，两组微镜可由MEMS微控制器控制。微镜旋转可改变入射角和反射角，从而控制光路。

因此，MEMS开关可以将输入的光信号路由到所需的输出端口。简而言之，它无需进行光信号和电信号的双向转换，从而节省成本和数据中心电力。MEMS光开关有两种类型：二维和三维。在二维MEMS开关中，微镜沿单一平面移动。这些旋转的微镜位于硅衬底上方。

在三维MEMS光开关中，微镜在多个平面上旋转。无论是二维还是三维，MEMS光开关的尺寸都小于厘米，甚至只有几微米。除了数据中心，光开关还应用于光分组交换网络、光传感器、可重构光分插复用、光缆监控、密集波分复用（DWDM）系统和工厂自动化等领域。

正如光学MEMS开关可以路由光信号一样，射频MEMS开关可以路由射频和毫米波信号。这种开关由位于电极上方的机械结构（例如薄片或金属涂层）组成，两者之间存在空气间隙。

位于电极上方的这种结构可以是悬臂梁或桥式结构。电极与桥式结构之间的距离很小，只有几微米。射频微机电系统（RF MEMS）有两种类型：欧姆式（直流接触）和电容式。在欧姆式射频微机电系统中，机械结构与金属直接接触，这是一种直接的金属对金属连接。

梁是开关的运动部件，通常由金属制成。梁和电极之间存在空气间隙。当在电极上施加电压时，静电力会将梁向下拉动，电路接通，MEMS开关导通。（参见图片。）

电压撤去后，静电吸引力消失，电子束向上运动。空气间隙重新打开，MEMS开关关闭。

在电容式射频微机电系统（RF MEMS）中，移动介质上的机械结构会改变电容。射频微机电系统开关可以替代PIN二极管和场效应晶体管（FET），因为它们工作在低电压、低电流信号下，并且产生的热量极少。

MEMS器件的尺寸、重量和功耗（SWaP）性能优于半导体开关。MEMS开关比半导体开关小90-95%。当MEMS开关断开电路时，两个运动部件之间的距离仅为微米级。

电阻值以毫欧为单位可测量。关断状态下的电容会降低。因此，射频MEMS开关可以传输数GHz频率的信号。MEMS开关采用标准的小型SMD封装出售。

大多数半导体开关需要复杂的散热管理策略。射频MEMS开关除了散热要求更低之外，还具有宽带宽、高隔离度和长寿命等优点。

射频MEMS开关是一种常见的轻量化开关，可应用于开关滤波器组、5G波束成形、天线调谐、射频多路复用器、微波系统和仪器中。然而，MEMS开关在交流/直流高功率处理系统中的商业化应用仍有待实现。

光学和射频MEMS开关比许多其他开关速度更快，但比半导体开关慢几微秒。它们需要较高的驱动或控制电压才能实现开关操作。此外，持续运动的部件可能会造成磨损。所有这些部件都必须密封在腔体内，并远离潮气。

高效的MEMS开关目前正处于各企业和供应商的研发阶段。它们的开发目的是为了取代机电继电器（EMR）。EMR无法提供足够的速度；而半导体开关又无法降低插入损耗。

MEMS开关兼具两者的优势：速度快、插入损耗低、待机功耗为零，且元件寿命更长。MEMS开关并非旨在取代EMR或半导体开关，而是证明自身可靠性更高、性能更优。

（来源：编译自electronicsweekly）