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經(jīng)過20年開發(fā),，MEMS射頻開關(guān)有望走向手機
閱讀：1395 發(fā)布時間：2021-3-24射頻微機電系統(tǒng)實現(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(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 越網(wǎng)絡(luò)（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(shù)開發(fā)之后，現(xiàn)在,，射頻微機電系統(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(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）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?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)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（體積小、可靠性非常高,，堅固耐用）,。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。繼電器的動作是由電磁體觸發(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。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，但是其機械強度*,，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(yīng)用為目標（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(shè)備有幾種主要的用途,。Qorvo 追求的d一個用途是天線調(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(guān)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(yīng)的微調(diào),。目前針對這種應(yīng)用，手機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)集成到手機中。
喬瓦尼埃洛在一次遠程采訪中說,，無線網(wǎng)絡(luò),、雷達和儀器儀表的應(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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