專門研究射頻電路的工程師設(shè)想了一種“理想的開關(guān)”

二十年前，專門研究射頻電路的工程師設(shè)想了一種“理想的開關(guān)”。這種開關(guān)“打開”時(shí)，它將具有超低電阻，“關(guān)閉”時(shí)將具有超高電阻等等。它體積小巧，快速，易于制造，能夠切換相當(dāng)大的電流，能夠承受數(shù)十億次的開-關(guān)循環(huán)，并且只需很少的電源即可工作。它可以將信號(hào)傳導(dǎo)至幾十甚至幾百兆赫茲，并且完全沒有失真（接近完美的線性度）。

這不是異想天開的事情，在新興的大型行業(yè)中已經(jīng)有了為這種轉(zhuǎn)變準(zhǔn)備好的市場(chǎng)。在微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的突破下，重大項(xiàng)目遍布美國和歐洲。許多是由國防高級(jí)研究計(jì)劃局（Defense Advanced Research Projects Agency ）或歐盟卓越網(wǎng)絡(luò)資助（European Union Network of Excellence）的。 而現(xiàn)在，經(jīng)過更長時(shí)間，更動(dòng)蕩的技術(shù)開發(fā)努力之后，RF MEMS開關(guān)終于出現(xiàn)了走向商業(yè)成功的道路。 在美國，尤其是兩家公司似乎在快速發(fā)展和競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)中已經(jīng)站穩(wěn)了腳跟。一家是位于加利福尼亞州爾灣市GE Ventures的子公司Menlo Micro。該公司聯(lián)合創(chuàng)始人兼高級(jí)副總裁Chris Giovaniello表示，他們?cè)诤娇蘸教?，軍事和無線基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)擁有30多個(gè)客戶。 與此同時(shí)，去年10月被領(lǐng)先的無線設(shè)備和系統(tǒng)制造商Qorvo收購的Cavendish Kinetics成立的初衷是為了開發(fā)用于智能手機(jī)等領(lǐng)域的RF MEMS開關(guān)。雙方都沒有公布這個(gè)交易的具體條款，但 Cavendish已在至少三輪融資中籌集了超過5800萬美元（半導(dǎo)體巨頭ADI公司還銷售用于測(cè)試和儀器應(yīng)用的RF MEMS開關(guān)。） 在經(jīng)歷了漫長而動(dòng)蕩的間歇性希望破滅之后，RF MEMS開關(guān)取得了成功?！敖?jīng)過許多很多公司的嘗試，我們成功了這兩個(gè)，在這個(gè)過程中也許有20家公司倒閉了，并引起了激烈的競(jìng)爭(zhēng)， ”Gabriel Rebeiz說，他是RF MEMS研發(fā)的先驅(qū)，也是加州大學(xué)圣地亞哥分校的電氣工程學(xué)教授。 “對(duì)于技術(shù)初創(chuàng)公司來說，10%的成功率是正常的。” 新器件將機(jī)電繼電器開關(guān)的某些最佳功能（超低電阻和泄漏電流以及非常高的線性度）與半導(dǎo)體開關(guān)的一些優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起：小尺寸，非常高的可靠性和堅(jiān)固性。從概念上講，它們類似于繼電器開關(guān)。在操作中，靜電力將被稱為致動(dòng)器或懸臂的導(dǎo)電束拉向電觸點(diǎn)。與繼電器由電磁體觸發(fā)的繼電器不同，RF MEMS開關(guān)使用50至100伏特范圍內(nèi)的簡(jiǎn)單直流電壓來產(chǎn)生靜電場(chǎng)，該電場(chǎng)將電子束拉至觸點(diǎn)。（相對(duì)較高的電壓來自由3V至5V電路電壓供電的DC-DC轉(zhuǎn)換器。）由于磁場(chǎng)是靜態(tài)的，因此電流和功耗非常低。 Giovaniello說，最困難的技術(shù)挑戰(zhàn)之一是找到一種可以承受數(shù)十億次彎曲過程的導(dǎo)電合金。他說：“真正的問題是執(zhí)行器?！?“這正是GE投入大量精力開發(fā)合金的地方。我們已經(jīng)開發(fā)了一些高導(dǎo)電性的專有合金，這些合金真的非常適合繼電器使用。但是它們的機(jī)械強(qiáng)度極高，幾乎就像多晶硅一樣。 他補(bǔ)充說：“幾十年來，GE在用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的合金方面做了很多工作，實(shí)際上是其中一些人幫助我們解決了一些基本的可靠性問題。” Menlo尚未透露其合金的成分，但是GE和Menlo的工程師在大約五年前撰寫的研究論文表明，他們當(dāng)時(shí)正在使用鎳和金的單獨(dú)合金。 Giovaniello說，Menlo的一些客戶正在無線基站，軍用無線電或相控陣?yán)走_(dá)中使用這些設(shè)備（尺寸約為50 x 50微米）。先進(jìn)的無線電和無線系統(tǒng)越來越多地處理許多不同的頻帶，每個(gè)頻帶由一個(gè)或多個(gè)不同的濾波器“選擇”。他說：“我們的客戶射頻中有20個(gè)濾波器?！?“當(dāng)您必須使用傳統(tǒng)開關(guān)在許多濾波器之間進(jìn)行選擇時(shí)，通過所有開關(guān)來選擇所有不同的濾波器會(huì)造成很大的損失?！?他解釋說，功率損耗總計(jì)為3到4分貝，并指出降低3 dB意味著損耗高達(dá)50％。 同時(shí)，Qorvo的目標(biāo)是智能手機(jī)內(nèi)部的應(yīng)用（Menlo Micro也是如此）。Qorvo技術(shù)開發(fā)高級(jí)總監(jiān)朱Julio Costa表示，這是一個(gè)巨大的市場(chǎng)，每年售出約十億部智能手機(jī)，但對(duì)組件的要求也極為嚴(yán)格。“您的電話是您日常生活的重要組成部分，因此，如果[新組件]是不可靠的，它將不會(huì)被合并?！? Costa解釋說，智能手機(jī)中的設(shè)備有兩種明顯的可能用途。Qorvo追求的第一個(gè)是天線調(diào)諧。現(xiàn)代的智能手機(jī)最多具有八個(gè)天線，以容納隨著無線網(wǎng)絡(luò)從4G過渡到5G而不斷增長的許多頻帶。為了更好地使天線與頻率匹配，沿著天線嵌入的開關(guān)可以更改其配置，還可以切換到電容器或電感器之類的諧振設(shè)備，以微調(diào)天線的響應(yīng)。對(duì)于這種應(yīng)用，手機(jī)制造商現(xiàn)在使用基于絕緣體上硅（SOI）技術(shù)的半導(dǎo)體開關(guān)。但是，MEMS設(shè)備可能具有更高的頻率和線性度，使其成為有吸引力的替代方案，尤其是對(duì)于某些5G頻段，Costa說。他希望看到手機(jī)在“幾年之內(nèi)”能夠?qū)⑦@些開關(guān)整合進(jìn)去。 在歐洲，長期的研發(fā)項(xiàng)目也在緊隨其后。一家名為AirMems的初創(chuàng)公司正在根據(jù)法國里摩日大學(xué)的工作來營銷RF MEMS開關(guān)。而在德國，研究所IHP（高性能微電子創(chuàng)新）開發(fā)的過程中，集成了RF MEMS開關(guān)直接到雙極CMOS芯片。 Giovaniello在一次廣泛的采訪中說，無線，雷達(dá)和儀器應(yīng)用僅僅是開始。他宣布Menlo Micro已經(jīng)設(shè)法通過其中一個(gè)微型開關(guān)傳導(dǎo)20安培的電流，他設(shè)想該設(shè)備將作為一種“可復(fù)位的，電子控制的保險(xiǎn)絲”在未來發(fā)揮作用。 他補(bǔ)充說：“每隔幾代人，都會(huì)出現(xiàn)一種新技術(shù)，為您提供一種不同的開關(guān)制造方式。” “ 100年前只有機(jī)械設(shè)備，然后有真空管，然后是晶體管，然后是集成電路。如果您考慮一下，它們都是進(jìn)行切換的不同方式。 “這就是我們喜歡描述這種理想開關(guān)技術(shù)的方式。它是機(jī)械和半導(dǎo)體領(lǐng)域的佼佼者的結(jié)合，但最終，它是一種用于制造開關(guān)的新工藝技術(shù)，它將使我們和我們的合作伙伴在未來十年內(nèi)生產(chǎn)成百上千種不同的產(chǎn)品?！?