Микроэлектромеханические системы для переключения радиочастотных каналов (обзор)

Введение. С ростом требований к показателям качества и линейности радиочастотных переключателей сигналов все больший интерес вызывают переключатели на основе микроэлектромеханических систем (МЭМС-ПК). Они обладают рядом преимуществ по сравнению с другими технологиями. В статье рассмотрены особенности работы и производства МЭМС-ПК. Описаны технологии изготовления и герметизации, механизмы деградации параметров МЭМС-ПК и рассмотрены возможные конструктивные решения, позволяющие улучшить показатели качества устройства. Представлены количественные параметры производимых МЭМС-ПК. Цель работы. Обзор устройства и производства МЭМС-переключателей, а также факторов, способствующих и препятствующих массовому распространению этих устройств. Материалы и методы. В основе поиска и подбора литературы для обзора лежит хронологический принцип. Глубина поиска для рассмотрения параметров конечных компонентов не более 10 лет, для рассмотрения технологий и структурных решений – более 10 лет, ввиду желания проследить историю создания МЭМС-переключателей. Конечный массив источников сформирован из научных публикаций, содержащих фактографическую информацию, представленную в обзоре, или дополняющих ее, а также официальных данных от производителей устройств. Результаты. Описаны основные характеристики, технологии производства и корпусирования; испытания, необходимые для описания параметров конечных устройств; рассмотрены материалы, используемые для изготовления МЭМС-ПК. Описаны механизмы деградации, известные на данный момент, и способы борьбы с ними. Рассмотрены конструкционные решения, позволяющие улучшить показатели качества МЭМС-переключателей. Рассмотрены достижимые параметры МЭМС-переключателей, предлагаемые на данный момент производителями. Заключение. Несмотря на то, что изготовление структурных частей МЭМС-переключателей относительно недорого за счет схожести технологических процессов с хорошо отработанным КМОП-процессом, стоимость МЭМС-ПК пока значительно превышает стоимость изготовления транзисторных и p–i–n-диодных переключателей. Наиболее дорогостоящими являются этапы корпусирования и испытаний. Для большинства приложений использование МЭМС-ПК предпочтительнее, чем электромеханических реле, по ряду показателей. Замена твердотельных переключателей на МЭМС-ПК целесообразна тогда, когда определяющими показателями качества являются линейность и уровень FOM, а не габариты и скорость переключения. В любом случае следует ожидать дальнейшего активного развития рынка МЭМС-ПК и улучшения их характеристик.

1. A Review of Actuation and Sensing Mechanisms in MEMS-Based Sensor Devices / A. S. Algamili, M. H. M. Khir, J. O. Dennis et al. URL: https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC7838232/ (дата обращения: 03.02.2026).

2. Гридчин А. Микроэлектромеханические реле: технология ближайшего будущего // Электронные компоненты. 2003. № 7. С. 38–40.

3. Rebeiz G. M., Muldavin J. B. RF MEMS switches and switch circuits // IEEE Microwave magazine. 2001. Vol. 2, iss. 4. P. 59–71. doi: 10.1109/6668.969936

4. Iannacci J. RF-MEMS technology for high performance passives. Chapter 1. Bristol: IOP Publishing, 2022. 39 p.

5. The search for a reliable MEMS switch / G. M. Rebeiz, Ch. D. Patel, S. K. Han, C.-H. Ko, K. M. J. Ho // IEEE microwave magazine. 2013. Vol. 14, iss. 1. P. 57–67. doi: 10.1109/MMM.2012.2226540

6. Кочемасов В., Майстренко А. СВЧ-переключатели на основе МЭМС // СВЧ-электроника. 2016. № 1. С. 36–42.

7. Расчет рабочих характеристик МЭМС-переключателя с увеличенным отношением емкостей / И. В. Уваров, Н. В. Марухин, П. С. Шлепаков, Ф. Лукичев // Микроэлектроника. 2020. Т. 49, № 4. С. 271–280. doi: 10.31857/S0544126920040110

8. Щаврук Н. В. Сравнение микроэлектромеханических переключателей для коммутации СВЧ-сигнала // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения. 2013. Т. 13, № 1. С. 191–197.

9. Сокин А. Типы радиочастотных и СВЧ переключателей // Электронные компоненты. 2015. № 8. С. 93–94.

10. Деградационные процессы устройств микросистемной техники / М. С. Харламов, П. И. Дидык, А. А. Жуков, В. П. Безмен // Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы. 2018. Т. 5, № 3. С. 87–96. doi: 10.30894/issn2409-0239.2018.5.3.87.96

11. Analytical approach in the development of RF MEMS switches / I. E. Lysenko, A. V. Tkachenko, E. V. Sherova, A. V. Nikitin // Electronics. 2018. Vol. 7, № 12. Art. № 415. doi: 10.3390/electronics7120415

12. Шурыгина В. В поисках стандартов МЭМС. Фермеры против ковбоев // Электроника: наука, технология, бизнес. 2013. № 3. С. 119–126.

13. Васильев А., Борисов Е. Производство МЭМС. Перспективы и решения // Электроника: наука, технология, бизнес. 2012. № 3. С. 60–65.

14. MEMS test equipment standardization: A path to efficiency and cost reduction. URL: https://www.spea.com/en/news/the-future-of-mems-testing-lies-in-standardization/ (дата обращения: 16.11.2025)

15. Ebel J. L., Hyman D. J., Newman H. S. RF MEMS testing-beyond the S-parameters // IEEE Microwave Magazine. 2007. Vol. 8, iss. 6. P. 76–88. doi: 10.1109/MMM.2007.907737

16. МЭМС-переключатели электростатического типа с низким напряжением срабатывания / И. В. Уваров, В. В. Наумов, О. М. Королева, Е. Ваганова // Тр. Физико-технологического института. 2017. Т. 26. С. 55–74.

17. Тимошенков С. П., Бойко А. Н., Калугин В. В. Особенности герметизации микромеханических приборов // Оборонный комплекс – научно техническому прогрессу России. 2005. № 1. С. 24–28.

18. Анализ современных технологий объемного микропрофилирования кремния для производства чувствительных элементов датчиков и МЭМС / Л. В. Соколов, А. А. Жуков, Н. М. Парфенов, А. Е. Ануров // Нано-и микросистемная техника. 2014. № 10. С. 27–35.

19. Aharon O., Gal L., Nemirovsky Y. Hybrid RF MEMS switches realized in SOI wafers by bulk micromachining // J. of microelectromechanical systems. 2010. Vol. 19, iss. 5. P. 1162–1174. doi: 10.1109/JMEMS.2010.2067438

20. Шурыгина В. Радиочастотные МЭМС+ КМОП. Отработанная технология, готовая к часу пик. Ч. 1, 2 // Электроника: наука, технология, бизнес. 2014. № 2, 3. С. 141–148, 149–174.

21. Конухов Н. В. Сравнительная характеристика материалов для ВЧ-МЭМС переключателей // Россия молодая: передовые технологии – в промышленность. 2021. № 1. С. 18–22. doi: 10.25206/2310-4597-2021-1-18-22

22. Корляков А. В., Лагош А. В., Лучинин В. В. Микроэлектромеханический ключ для СВЧ применения на основе пленок карбида кремния // Электронная техника. Сер. 1: СВЧ-техника. 2013. № 3. С. 80–85.

23. Лагош А. В., Корляков А. В. Механизмы де градации ВЧ МЭМС-ключей // Нано и микросистемная техника. 2016. Т. 18, № 5. С. 316–331.

24. Видрицкий А. Э., Ланин В. Л. Вакуумноплотная герметизация микроболометров // Актуальные проблемы физики, электроники и энергетики. 2023. С. 91–96.

25. Технологии вакуумной герметизации МЭМС / С. П. Тимошенков, А. Н. Бойко, Б. М. Симонов, А. В. Заводян // Изв. вузов. Электроника. 2010. № 1 (81). С. 11–23.

26. Uvarov I. V. Migration of adhesive material in electrostatically actuated MEMS switch // Microelectronics Reliability. 2021. Vol. 125. Art. № 114372.

27. Lazarou P., Aspragathos N. A. Planar micromanipulation on microconveyor platforms: recent developments // Mechatronics and Manufacturing Engineering: Research and Development. Cambridge: Wood head Publishing, 2012. P. 47–97.

28. Delijani F., Fard A. Improve the Reliability and Increased Lifetime of Comb Drive Structure in RF MEMS Switch // Fundamental Research in Electrical Engineering: The Selected Papers of The 1st Intern. Conf. on Fundamental Research in Electrical Engineering. Singapore: Springer, 2019. P. 473–482.

29. Bulk micromachined relay with lateral contact / Z. Li, D. Zang, T. Li, W. Wang, G. Wu // J. of Micro mechanics and Microengineering. 2000. Vol. 10, № 3. Art. № 329. doi: 10.1088/0960-1317/10/3/305

30. Cao T., Hu T., Zhao Y. Research status and development trend of MEMS switches: A review // Micromachines. 2020. Vol. 11, iss. 7. Art. № 694. doi: 10.3390/mi1107069431.

31. Рентюк В. Новая концепция емкостного МЭМС-переключателя с контактами из метаматериала // СВЧ-Электроника. 2020. № 4. С. 20–27.

32. Kurmendra, Kumar R. A review on RF microelectro-mechanical-systems (MEMS) switch for radio frequency applications // Microsystem Technologies. 2021. Vol. 27, № 7. P. 2525–2542. doi: 10.1007/s00542-020-05025-y

33. Кочемасов В., Торина Е., Сафин А. МЭМС переключатели ВЧ/СВЧ-сигналов. Ч. 1–3 // Электроника: наука, технология, бизнес. 2024. Вып. 4–6. С. 76–84; 86–96; 88–97.

34. Analog Devices Fundamentals of ADI Revolutionary MEMS Switch Technology. URL: https://www.analog.com/en/signals/thought-leadership/fundamentals-adi-revolutionary-mems-switch-technology.html (дата обращения: 03.02.2026).

35. Analog Devices Parametric Search. URL: https://www.analog.com/en/parametricsearch/11317#/ (дата обращения: 06.07.2023).

36. EEWorld Online MEMS Power Relay for High-Power AC/DC Applications. URL: https://www.eeworldonline.com/mems-power-relay-for-high-power-ac-dc-applications/ (дата обращения: 10.05.2025).

37. Menlo Micro RF Products. URL: https://menlomicro.com/products/rf (дата обращения: 10.05.2025).

38. Leitner J. RF MEMS Switch Performance in Extreme Environments // Microwave J. 2021. Vol. 64, № 12. P. 54–60.