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射頻微機(jī)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“理想開關(guān)”。

 

20 年前，射頻電路的專業(yè)工程師設(shè)想了一種“理想開關(guān)”。這種開關(guān)在“接通”時(shí)的電阻非常低，在“斷開”時(shí)的電阻非常高，它體積小巧、速度快，便于制造，能夠切換相當(dāng)大的電流，可以耐受數(shù)十億次開關(guān)轉(zhuǎn)換，開關(guān)只需很少的電力。它還能毫無失真地傳導(dǎo)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(zhǔn)備就緒。伴隨微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）持續(xù)取得突破性進(jìn)展，美國和歐洲的大型項(xiàng)目如雨后春筍般涌現(xiàn)。很多項(xiàng)目都得到了美國國防部高級研究計(jì)劃局（DARPA）或歐盟 越網(wǎng)絡(luò)（European Union Network of Excellence）的資助。進(jìn)入 21 世紀(jì)后，經(jīng)過長時(shí)間且動(dòng)蕩的技術(shù)開發(fā)之后，現(xiàn)在，射頻微機(jī)電系統(tǒng)（RF MEMS）開關(guān)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(luò)基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)有 30 多個(gè)客戶。同時(shí)，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(jī)的 RF MEMS 開關(guān)。2019 年 10 月，該公司被無線設(shè)備和系統(tǒng)（很多都用于智能手機(jī)）的l先制造商 Qorvo 公司收購。雖然有關(guān)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(dòng)蕩的時(shí)光，其間時(shí)而希望高漲，時(shí)而希望渺茫。“許多公司都進(jìn)行了嘗試，只有這兩家公司成功了，它們很幸運(yùn)。可能有 20 家公司都失敗了，這就是現(xiàn)實(shí)。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)x驅(qū)、加州大學(xué)圣地亞哥分校的電氣工程學(xué)教授加布里埃爾•雷貝茲（Gabriel Rebeiz）說。

 

新設(shè)備結(jié)合了機(jī)電繼電器開關(guān)的 佳功能（超低電阻和漏電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)（體積小、可靠性非常高，堅(jiān)固耐用）。從概念上說，這種設(shè)備與繼電器開關(guān)類似。在操作中，靜電力將導(dǎo)電梁（也稱為執(zhí)行器或懸臂）拉向電觸點(diǎn)。繼電器的動(dòng)作是由電磁體觸發(fā)的，RF MEMS 開關(guān)則不同，它使用 50 至 100 伏的直流電壓來產(chǎn)生靜電場，將導(dǎo)電梁拉至電觸點(diǎn)。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，難的技術(shù)挑戰(zhàn)是找到一種可承受數(shù)十億次反復(fù)彎曲的導(dǎo)電合金。他說：“真正的問題是執(zhí)行器，為了解決這個(gè)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(dǎo)電性的專有合金，這些合金非常適合繼電器，但是其機(jī)械強(qiáng)度*，非常像多晶硅。”

 

他補(bǔ)充說：“幾十年來，通用公司在用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的合金方面做了很多工作，實(shí)際上，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(dāng)時(shí)正在分別研究鎳合金和金合金。

 

與此同時(shí)，Qorvo 公司則正在以智能手機(jī)內(nèi)部的應(yīng)用為目標(biāo)（Menlo Micro 也是如此）。Qorvo 的技術(shù)開發(fā)總監(jiān)朱里奧•科斯塔（Julio Costa）說，每年智能手機(jī)的成交量約為 15 億部，這是一個(gè)巨大的市場，對器件的要求也極為嚴(yán)格。“手機(jī)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(jī)中的設(shè)備有幾種主要的用途。Qorvo 追求的d一個(gè)用途是天線調(diào)諧。為了適應(yīng)無線網(wǎng)絡(luò)從 4G 過渡到 5G 不斷增多的頻帶，現(xiàn)代智能手機(jī)多要有 8 根天線。為了更好地實(shí)現(xiàn)天線與頻率的匹配，嵌入天線的開關(guān)可以更改配置，接入電容或電感等諧振元件，實(shí)現(xiàn)天線響應(yīng)的微調(diào)。目前針對這種應(yīng)用，手機(jī)制造商使用的是基于絕緣硅片（SOI）技術(shù)的半導(dǎo)體開關(guān)。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(guān)集成到手機(jī)中。

 

喬瓦尼埃洛在一次遠(yuǎn)程采訪中說，無線網(wǎng)絡(luò)、雷達(dá)和儀器儀表的應(yīng)用僅僅是開始。他聲稱，Menlo Micro 已經(jīng)利用一種微型開關(guān)實(shí)現(xiàn)了傳導(dǎo) 20 安培電流，他設(shè)想該設(shè)備將來可作為一種“可復(fù)位的、電子控制的熔斷器”。

 

他補(bǔ)充說：“每隔幾代人，都會出現(xiàn)一種新技術(shù)，為制造開關(guān)提供一種不同的方式。我們多么喜歡描繪這種理想的開關(guān)技術(shù)。它是機(jī)械和半導(dǎo)體領(lǐng)域 優(yōu)精品的結(jié)合，但終，它是一種制造開關(guān)的新工藝技術(shù)，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。”

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