Два десятилетия назад инженеры, работавшие с радиочастотными цепями, всерьёз мечтали об «идеальном ключе». Он должен был иметь сверхнизкое сопротивление в открытом состоянии и сверхвысокое — в закрытом. Быть крошечным и быстрым, пригодным для массового производства, выдерживать заметные токи и миллиарды циклов включения-выключения, потреблять на переключение сущие крохи энергии. И при этом пропускать сигнал вплоть до десятков, а то и сотен гигагерц без искажений — то есть с почти идеальной линейностью.
Шесть в одном: в чёрном квадратном корпусе Menlo Micro размещены шесть RF MEMS-ключей, каждый из которых коммутирует пару высокочастотных портов по периметру восьмиугольника. Источник изображения — spectrum.ieee.org
Мечта не была утопией: рынки для такого компонента существовали и быстро росли. Опираясь на прорывы в области микроэлектромеханических систем (MEMS), за задачу взялись десятки лабораторий и стартапов в США и Европе. Многие проекты финансировались американским агентством перспективных оборонных разработок DARPA или европейской программой Network of Excellence. И после одной из самых долгих и бурных историй в технике XXI века радиочастотные MEMS-ключи всё-таки вышли на коммерческий рынок.
Кто дошёл до серийных поставок
В США закрепиться на быстрорастущих рынках сумели две компании. Menlo Micro из Ирвайна (Калифорния), отпочковавшаяся от инвестиционного подразделения GE Ventures, набрала более 30 заказчиков в аэрокосмической отрасли, оборонке и беспроводной инфраструктуре — об этом говорит сооснователь и старший вице-президент компании Крис Джованниелло. Вторая история — Cavendish Kinetics: калифорнийский стартап, создававшийся специально ради RF MEMS-ключей для смартфонов, был куплен компанией Qorvo — одним из крупнейших производителей беспроводных компонентов. Сумму сделки не раскрывали, но к моменту поглощения Cavendish успела привлечь свыше 58 млн долларов минимум в трёх раундах. Свой RF MEMS-ключ, ориентированный на измерительную технику, продаёт и полупроводниковый гигант Analog Devices.
Успех пришёл после долгого периода чередующихся надежд и разочарований. Статистика тут показательна.
После того как пробовали очень, очень многие компании, у нас есть две, которые добились своего, — и молодцы. И, наверное, компаний двадцать провалились, се ля ви. Одна из десяти — нормальная доля выживания для технологических стартапов.
Так оценивает итог Габриэль Ребейз, один из пионеров разработок в области RF MEMS и профессор электротехники Калифорнийского университета в Сан-Диего. Его цифры хорошо описывают всю нишу: технология оказалась не столько сложной концептуально, сколько крайне капризной в производстве и по надёжности.
Стоит обратить внимание на источник финансирования ранних работ. И DARPA, и европейская Network of Excellence вкладывались в тематику из оборонных соображений: радары с фазированной решёткой и многодиапазонные военные радиостанции упираются в потери на коммутации сильнее любой гражданской техники. Именно поэтому первые серийные заказчики у Menlo Micro оказались из аэрокосмической и оборонной отраслей, а массовый потребительский рынок технология начала осваивать лишь спустя годы — обратный обычному порядок для микроэлектроники, где объёмы гражданских поставок как раз и удешевляют производство.
Как устроен радиочастотный MEMS-ключ
Новые приборы сочетают лучшее от двух миров. От электромеханических реле им достались сверхнизкое сопротивление, ничтожные токи утечки и очень высокая линейность; от полупроводниковых ключей — малые размеры, высокая надёжность и стойкость к внешним воздействиям. Концептуально это действительно реле: электростатическая сила притягивает проводящую балку — актюатор, или кантилевер, — к электрическому контакту.
Ключевое отличие от классического реле в том, что срабатывание вызывает не электромагнит, а простое постоянное напряжение в диапазоне от 50 до 100 В, создающее статическое электрическое поле. Такое напряжение получают DC/DC-преобразователем от штатных 3–5 В схемы. Поскольку поле статическое, ток через управляющую цепь практически не течёт — отсюда и крайне низкое энергопотребление, критичное для автономной техники.
Главная проблема была не в физике, а в металлургии
Самым трудным техническим вызовом, по словам Джованниелло, оказался поиск электропроводящего сплава, способного выдержать миллиарды циклов изгиба и разгибания. «Настоящая проблема — это актюатор», — говорит он. Именно на разработку сплавов GE потратила основную часть усилий: нужны были материалы одновременно высокопроводящие и механически прочные почти как поликремний.
Помогла смежная отрасль: GE десятилетиями занималась сплавами для реактивных двигателей, и именно эти специалисты вытащили проект из тупика с надёжностью. Состав своих сплавов Menlo Micro не раскрывает, но опубликованная инженерами GE и Menlo научная работа указывает, что на том этапе речь шла об отдельных сплавах никеля и золота.
Базовые станции, радары и проблема двадцати фильтров
Кристаллы размером примерно 50 × 50 мкм заказчики Menlo уже ставят в базовые станции сотовой связи, военные радиостанции и радары с фазированной антенной решёткой. Современные радиосистемы работают со множеством частотных диапазонов, каждый из которых выбирается своим фильтром — и здесь потери на коммутации становятся системной проблемой.
«У нас есть заказчики, у которых в радиостанции двадцать фильтров, — поясняет Джованниелло. — Когда нужно выбирать между таким количеством фильтров традиционным ключом, потери на прохождении через всю цепочку становятся значительными». Речь идёт о 3–4 дБ, а это не абстракция: снижение на 3 дБ означает потерю ровно половины мощности сигнала. Для базовой станции это напрямую конвертируется в площадь покрытия и счёт за электроэнергию, для военной радиостанции — в дальность связи.
Смартфоны: подстройка антенн вместо кремния
Qorvo целится в смартфоны — как, впрочем, и Menlo Micro. Рынок гигантский: в год продаётся около полутора миллиардов аппаратов. Но и требования к компонентам здесь предельно жёсткие, отмечает Хулио Коста, старший директор по развитию технологий Qorvo: телефон настолько встроен в повседневную жизнь, что ненадёжный компонент в него просто не поставят.
Первое очевидное применение, за которое взялись в Qorvo, — подстройка антенн. В современном смартфоне до восьми антенн, а число поддерживаемых частотных диапазонов растёт по мере перехода от 4G к 5G. Встроенные вдоль антенны ключи меняют её конфигурацию и подключают резонансные элементы — конденсаторы или катушки, — точно подгоняя отклик под нужную полосу. Сейчас производители используют для этого полупроводниковые ключи по технологии «кремний на изоляторе» (SOI), но более высокие рабочие частоты и линейность MEMS делают их привлекательной альтернативой, особенно для отдельных диапазонов 5G.
Европейская ветка: Лимож и Франкфурт-на-Одере
В Европе коммерческие продукты тоже выросли из долгих исследовательских программ. Французский стартап AirMems продаёт RF MEMS-ключи, основанные на разработках Университета Лиможа. В Германии исследовательский институт IHP (Innovations for High Performance Microelectronics) пошёл иным путём и создал техпроцесс, который интегрирует MEMS-ключи прямо в биполярный CMOS-кристалл — то есть коммутатор перестаёт быть отдельным компонентом на плате и становится частью микросхемы.
Следующий шаг — «перезапускаемый предохранитель»
Беспроводная связь, радары и измерительная техника — только начало, считают в Menlo Micro. Компания заявляет, что уже пропускала через один такой микроскопический ключ ток в 20 А, и видит для устройства роль своего рода перезапускаемого предохранителя с электронным управлением — то есть замены плавким вставкам и силовым реле в распределительных щитах, электромобилях и промышленной автоматике.
Раз в несколько поколений появляется новая технология, дающая другой способ делать ключи. Сто лет назад была только механика, потом появились радиолампы, потом транзистор, потом интегральная схема. Если задуматься, всё это просто разные способы сделать переключатель.
Именно так в компании и описывают технологию «идеального ключа»: комбинация лучшего из механического и полупроводникового миров, но в итоге — новый техпроцесс изготовления коммутаторов, на котором за ближайшее десятилетие можно построить сотни и даже тысячи разных продуктов.
Чем приходится платить за «идеальность»
У технологии есть и обратная сторона, из-за которой она два десятилетия не могла выйти из лабораторий. Во-первых, MEMS-ключ переключается механически, а значит, на порядки медленнее полупроводникового: там, где требуется коммутация за наносекунды, кремний остаётся вне конкуренции. Во-вторых, управляющие 50–100 В нужно откуда-то взять — на плате появляется преобразователь, который занимает место и добавляет шум.
Третья сложность — корпусирование. Подвижной балке необходима герметичная полость с контролируемой атмосферой: попадание влаги или частиц убивает прибор быстрее, чем усталость металла. Именно на этих трёх пунктах — скорость, управляющее напряжение и герметизация — и споткнулось большинство из тех двадцати компаний, о которых говорит Ребейз. Приборы работали, но не доживали до заявленных миллиардов циклов или оказывались слишком дорогими в производстве.
Отсюда и логика применения: RF MEMS ставят не вместо всех ключей подряд, а точечно — там, где выигрыш по потерям и линейности перевешивает медлительность. Тракт выбора фильтров, подстройка антенны, коммутация измерительных цепей — статические по своей природе задачи, где переключение происходит редко, а качество прохождения сигнала критично.
Что это значит для читателя
Практический вывод простой: RF MEMS почти не видны конечному пользователю, но именно они снимают ограничение, о которое упирается связь последних лет — рост числа диапазонов. Каждый новый диапазон требует своего фильтра и своей коммутации, а каждый лишний кремниевый ключ съедает часть мощности передатчика и добавляет нелинейных искажений. Меньше потерь в тракте — меньше нагрев, дольше автономность и стабильнее связь на краю соты.
Отдельно стоит держать в уме силовое направление. Если микроскопический ключ действительно способен коммутировать десятки ампер и переживать миллиарды срабатываний, то за пределами радиотехники его ждут щитовые, зарядные станции и бортовые сети электромобилей — рынки на порядки больше, чем подстройка антенн в смартфоне.
