經過20年的開發,基於微機電系統的射頻開關終於進入實際應用

20年前，射頻電路的專業工程師設想了一種「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，便於製造，能夠切換相當大的電流，可以耐受數十億次開關轉換，開關只需很少的電力。它還能毫無失真地傳導數十至數百千兆赫的信號（近乎完美的線性度）。

這並不是空想，這一大型新興產業市場已準備就緒。伴隨微機電系統（MEMS）持續取得突破性進展，美國和歐洲的大型項目如雨後春筍般湧現。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世紀後，經過長時間且動蕩的技術開發之後，現在，射頻微機電系統（RF MEMS）開關終於要走向商業成功了。在美國，有兩家公司可能會快速發展並在競爭激烈的市場中站穩腳跟。其一是通用創投的子公司Menlo Micro，位於加州爾灣市。該公司的聯合創始人兼高級副總裁克裡斯•喬瓦尼埃洛（Chris Giovaniello）表示，他們在航空航天業、軍事和無線網絡基礎設施行業有30多個客戶。同時，矽谷還有一家名為Cavendish Kinetics的公司，該公司致力於開發用於智慧型手機的RF MEMS開關。2019年10月，該公司被無線設備和系統（很多都用於智慧型手機）的領先製造商Qorvo公司收購。雖然有關收購的具體條款並未公布，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。可能有20家公司都失敗了，這就是現實。對於科技創業公司，10%的成功率是很正常的。」RF MEMS研發先驅、加州大學聖地牙哥分校的電氣工程學教授加布裡埃爾•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（也稱為執行器或懸臂）拉向電觸點。繼電器的動作是由電磁體觸發的，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。由於電場是靜態的，因此電流和功耗非常低。

喬瓦尼埃洛說，最難的技術挑戰是找到一種可承受數十億次反覆彎曲的導電合金。他說：「真正的問題是執行器，為了解決這個問題，通用公司付出很大努力來開發合金。我們已經開發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，非常像多晶矽。」

他補充說：「幾十年來，通用公司在用於噴氣發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公司則正在以智慧型手機內部的應用為目標（Menlo Micro也是如此）。Qorvo的技術開發總監朱裡奧•科斯塔（Julio Costa）說，每年智慧型手機的成交量約為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。」科斯塔解釋說，智慧型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，現代智慧型手機最多要有8根天線。為了更好地實現天線與頻率的匹配，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，實現天線響應的微調。目前針對這種應用，手機製造商使用的是基於絕緣矽片（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採訪中說，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，都會出現一種新技術，為製造開關提供一種不同的方式。我們多麼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精品的結合，但最終，它是一種製造開關的新工藝技術，我們和夥伴將在未來10年內生產成百上千種不同的產品。」

IEEE Spectrum

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