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射频微机电系统实现“理想开关”。

20 年前,射频电路的专业工程师设想了一种“理想开关”。这种开关在“接通”时的电阻非常低,在“断开”时的电阻非常高,它体积小巧、速度快,便于制造,能够切换相当大的电流,可以耐受数十亿次开关转换,开关只需很少的电力。它还能毫无失真地传导数十至数百千兆赫的信号(近乎完美的线性度)。

这并不是空想,这一大型新兴产业市场已准备就绪。伴随微机电系统(MEMS)持续取得突破性进展,美国和欧洲的大型项目如雨后春笋般涌现。很多项目都得到了美国国防部高级研究计划局(DARPA)或欧盟卓越网络(European Union Network of Excellence)的资助。进入 21 世纪后,经过长时间且动荡的技术开发之后,现在,射频微机电系统(RF MEMS)开关终于要走向商业成功了。

在美国,有两家公司可能会快速发展并在竞争激烈的市场中站稳脚跟。其一是通用创投的子公司 Menlo Micro,位于加州尔湾市。该公司的联合创始人兼高级副总裁克里斯•乔瓦尼埃洛(Chris Giovaniello)表示,他们在航空航天业、军事和无线网络基础设施行业有 30 多个客户。同时,硅谷还有一家名为 Cavendish Kinetics 的公司,该公司致力于开发用于智能手机的 RF MEMS 开关。2019 年 10 月,该公司被无线设备和系统(很多都用于智能手机)的领先制造商 Qorvo 公司收购。虽然有关收购的具体条款并未公布,但 Cavendish 公司已在至少三轮融资中筹集了超过 5800 万美元的资金。

这一成功经历了漫长而动荡的时光,其间时而希望高涨,时而希望渺茫。“许多公司都进行了尝试,只有这两家公司成功了,它们很幸运。可能有 20 家公司都失败了,这就是现实。对于科技创业公司,10% 的成功率是很正常的。”RF MEMS 研发先驱、加州大学圣地亚哥分校的电气工程学教授加布里埃尔•雷贝兹(Gabriel Rebeiz)说。

新设备结合了机电继电器开关的最佳功能(超低电阻和漏电电流以及非常高的线性度)与半导体开关的一些优点(体积小、可靠性非常高,坚固耐用)。从概念上说,这种设备与继电器开关类似。在操作中,静电力将导电梁(也称为执行器或悬臂)拉向电触点。继电器的动作是由电磁体触发的,RF MEMS 开关则不同,它使用 50 至 100 伏的直流电压来产生静电场,将导电梁拉至电触点。由于电场是静态的,因此电流和功耗非常低。

经过 20 年开发,MEMS 射频开关有望走向手机

乔瓦尼埃洛说,最难的技术挑战是找到一种可承受数十亿次反复弯曲的导电合金。他说:“真正的问题是执行器,为了解决这个问题,通用公司付出很大努力来开发合金。我们已经开发了一些高导电性的专有合金,这些合金非常适合继电器,但是其机械强度极高,非常像多晶硅。”

他补充说:“几十年来,通用公司在用于喷气发动机的合金方面做了很多工作,实际上,正是其中一些人帮助我们解决了一些基本的可靠性问题。”Menlo 公司尚未透露其合金的成分,但是,大约 5 年前通用和 Menlo 公司的工程师所撰写的研究论文表明,他们当时正在分别研究镍合金和金合金。

与此同时,Qorvo 公司则正在以智能手机内部的应用为目标(Menlo Micro 也是如此)。Qorvo 的技术开发总监朱里奥•科斯塔(Julio Costa)说,每年智能手机的成交量约为 15 亿部,这是一个巨大的市场,对器件的要求也极为严格。“手机是人们日常生活中的重要组成部分,因此,如果(新器件)不可靠,就无法使用。”

科斯塔解释说,智能手机中的设备有几种主要的用途。Qorvo 追求的第一个用途是天线调谐。为了适应无线网络从 4G 过渡到 5G 不断增多的频带,现代智能手机最多要有 8 根天线。为了更好地实现天线与频率的匹配,嵌入天线的开关可以更改配置,接入电容或电感等谐振元件,实现天线响应的微调。目前针对这种应用,手机制造商使用的是基于绝缘硅片(SOI)技术的半导体开关。但 MEMS 器件的频率和线性度可能更高,可成为很有吸引力的替代方案,特别是对某些 5G 频段,科斯塔说。他希望“在几年内”能够将这些开关集成到手机中。

乔瓦尼埃洛在一次远程采访中说,无线网络、雷达和仪器仪表的应用仅仅是开始。他声称,Menlo Micro 已经利用一种微型开关实现了传导 20 安培电流,他设想该设备将来可作为一种“可复位的、电子控制的熔断器”。

他补充说:“每隔几代人,都会出现一种新技术,为制造开关提供一种不同的方式。我们多么喜欢描绘这种理想的开关技术。它是机械和半导体领域最优精品的结合,但最终,它是一种制造开关的新工艺技术,我们和伙伴将在未来 10 年内生产成百上千种不同的产品。”

来源:半导体行业观察

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