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）或歐盟卓越網絡（European Union Network of Excellence）的資助,。進入21世紀后，經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?？赡苡?0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,、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,?！笆謾C是人們日常生活中的重要組成部分,，因此，如果（新器件）不可靠,，就無法使用?！?/p>
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諧,。為了適應無線網絡從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,。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”能夠將這些開關集成到手機中。
喬瓦尼埃洛在一次遠程采訪中說,，無線網絡,、雷達和儀器儀表的應用僅僅是開始,。他聲稱,，Menlo Micro已經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年內生產成百上千種不同的產品?！?/p>