射頻微機電系統(tǒng)實現(xiàn)“理想開關”。
20年前，射頻電路的專業(yè)工程師設想了一種“理想開關”。這種開關在“接通”時的電阻非常低，在“斷開”時的電阻非常高，它體積小巧、速度快，便于制造，能夠切換相當大的電流，可以耐受數(shù)十億次開關轉(zhuǎn)換，開關只需很少的電力。它還能毫無失真地傳導數(shù)十至數(shù)百千兆赫的信號（近乎完美的線性度）。
這并不是空想，這一大型新興產(chǎn)業(yè)市場已準備就緒。伴隨微機電系統(tǒng)（MEMS）持續(xù)取得突破性進展，美國和歐洲的大型項目如雨后春筍般涌現(xiàn)。很多項目都得到了美國國防部高級研究計劃局（DARPA）或歐盟卓越網(wǎng)絡（European Union Network of Excellence）的資助。進入21世紀后，經(jīng)過長時間且動蕩的技術開發(fā)之后，現(xiàn)在，射頻微機電系統(tǒng)（RF MEMS）開關終于要走向商業(yè)成功了。
在美國，有兩家公司可能會快速發(fā)展并在競爭激烈的市場中站穩(wěn)腳跟。其一是通用創(chuàng)投的子公司Menlo Micro，位于加州爾灣市。該公司的聯(lián)合創(chuàng)始人兼高級副總裁克里斯？喬瓦尼埃洛（Chris Giovaniello）表示，他們在航空航天業(yè)、軍事和無線網(wǎng)絡基礎設施行業(yè)有30多個客戶。同時，硅谷還有一家名為Cavendish Kinetics的公司，該公司致力于開發(fā)用于智能手機的RF MEMS開關。2019年10月，該公司被無線設備和系統(tǒng)（很多都用于智能手機）的領先制造商Qorvo公司收購。雖然有關收購的具體條款并未公布，但Cavendish公司已在至少三輪融資中籌集了超過5800萬美元的資金。
這一成功經(jīng)歷了漫長而動蕩的時光，其間時而希望高漲，時而希望渺茫。“許多公司都進行了嘗試，只有這兩家公司成功了，它們很幸運。可能有20家公司都失敗了，這就是現(xiàn)實。對于科技創(chuàng)業(yè)公司，10%的成功率是很正常的。”RF MEMS研發(fā)先驅(qū)、加州大學圣地亞哥分校的電氣工程學教授加布里埃爾？雷貝茲（Gabriel Rebeiz）說。
新設備結合了機電繼電器開關的最佳功能（超低電阻和漏電電流以及非常高的線性度）與半導體開關的一些優(yōu)點（體積小、可靠性非常高，堅固耐用）。從概念上說，這種設備與繼電器開關類似。在操作中，靜電力將導電梁（也稱為執(zhí)行器或懸臂）拉向電觸點。繼電器的動作是由電磁體觸發(fā)的，RF MEMS開關則不同，它使用50至100伏的直流電壓來產(chǎn)生靜電場，將導電梁拉至電觸點。由于電場是靜態(tài)的，因此電流和功耗非常低。
喬瓦尼埃洛說，最難的技術挑戰(zhàn)是找到一種可承受數(shù)十億次反復彎曲的導電合金。他說：“真正的問題是執(zhí)行器，為了解決這個問題，通用公司付出很大努力來開發(fā)合金。我們已經(jīng)開發(fā)了一些高導電性的專有合金，這些合金非常適合繼電器，但是其機械強度極高，非常像多晶硅。”
他補充說：“幾十年來，通用公司在用于噴氣發(fā)動機的合金方面做了很多工作，實際上，正是其中一些人幫助我們解決了一些基本的可靠性問題。”Menlo公司尚未透露其合金的成分，但是，大約5年前通用和Menlo公司的工程師所撰寫的研究論文表明，他們當時正在分別研究鎳合金和金合金。
與此同時，Qorvo公司則正在以智能手機內(nèi)部的應用為目標（Menlo Micro也是如此）。Qorvo的技術開發(fā)總監(jiān)朱里奧？科斯塔（Julio Costa）說，每年智能手機的成交量約為15億部，這是一個巨大的市場，對器件的要求也極為嚴格。“手機是人們?nèi)粘Ｉ钪械闹匾M成部分，因此，如果（新器件）不可靠，就無法使用。”
科斯塔解釋說，智能手機中的設備有幾種主要的用途。Qorvo追求的第一個用途是天線調(diào)諧。為了適應無線網(wǎng)絡從4G過渡到5G不斷增多的頻帶，現(xiàn)代智能手機最多要有8根天線。為了更好地實現(xiàn)天線與頻率的匹配，嵌入天線的開關可以更改配置，接入電容或電感等諧振元件，實現(xiàn)天線響應的微調(diào)。目前針對這種應用，手機制造商使用的是基于絕緣硅片（SOI）技術的半導體開關。但MEMS器件的頻率和線性度可能更高，可成為很有吸引力的替代方案，特別是對某些5G頻段，科斯塔說。他希望“在幾年內(nèi)”能夠?qū)⑦@些開關集成到手機中。
喬瓦尼埃洛在一次遠程采訪中說，無線網(wǎng)絡、雷達和儀器儀表的應用僅僅是開始。他聲稱，Menlo Micro已經(jīng)利用一種微型開關實現(xiàn)了傳導20安培電流，他設想該設備將來可作為一種“可復位的、電子控制的熔斷器”。
他補充說：“每隔幾代人，都會出現(xiàn)一種新技術，為制造開關提供一種不同的方式。我們多么喜歡描繪這種理想的開關技術。它是機械和半導體領域最優(yōu)精品的結合，但最終，它是一種制造開關的新工藝技術，我們和伙伴將在未來10年內(nèi)生產(chǎn)成百上千種不同的產(chǎn)品。”