Como a tecnologia RF MEMS finalmente entregou o “interruptor ideal”

Jul 07, 2023

Vinte anos atrás, engenheiros especializados em circuitos de radiofrequência ousaram sonhar com um "interruptor ideal". Teria resistência superbaixa quando "ligado", superalta quando "desligado" e muito mais. Seria minúsculo, rápido, facilmente fabricável, capaz de alternar correntes razoavelmente altas, capaz de suportar bilhões de ciclos liga-desliga e exigiria muito pouca energia para operar. Ele conduziria sinais bem acima de dezenas ou mesmo centenas de gigahertz sem nenhuma distorção (linearidade quase perfeita).

Não era um sonho impossível, e havia mercados prontos para tal mudança em grandes indústrias emergentes. Sustentado por avanços em sistemas microeletromecânicos, ou MEMS, grandes projetos surgiram em todos os Estados Unidos e Europa. Muitos foram financiados pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa ou por uma Rede de Excelência da União Européia. E agora, após um dos mais longos e turbulentos esforços de desenvolvimento tecnológico do século 21, os switches RF MEMS finalmente parecem destinados ao sucesso comercial.

Nos Estados Unidos, duas empresas em particular parecem estar ganhando uma posição sólida em mercados competitivos e dinâmicos. A Menlo Micro, em Irvine, Califórnia, uma subsidiária da GE Ventures, tem mais de 30 clientes nos setores aeroespacial, militar e de infraestrutura sem fio, de acordo com Chris Giovanniello, cofundador e vice-presidente sênior da empresa. Enquanto isso, a Cavendish Kinetics, uma empresa do Vale do Silício formada para desenvolver comutadores RF MEMS para uso em smartphones, foi adquirida em outubro passado pela Qorvo, fabricante líder de dispositivos e sistemas sem fio, incluindo muitos usados ​​em smartphones. Os termos do acordo não foram divulgados, mas até aquele momento, Cavendish havia levantado mais de US $ 58 milhões em pelo menos três rodadas. (A gigante de semicondutores Analog Devices também vende um switch RF MEMS, voltado para aplicações em teste e instrumentação.)

Os sucessos vêm depois de um longo e tumultuado período de altas intermitentes e esperanças frustradas. "Depois de muitas, muitas, muitas empresas tentarem, temos essas duas que tiveram sucesso, e bom para elas. E talvez 20 empresas falharam, e c'est la vie", diz Gabriel Rebeiz, pioneiro em P&D de RF MEMS e professor de engenharia elétrica na Universidade da Califórnia, San Diego. "Um em cada dez sucesso é normal para startups de tecnologia."

Os novos dispositivos combinam alguns dos melhores recursos dos interruptores de relé eletromecânicos - resistência superbaixa e correntes de fuga e linearidade muito alta - com algumas vantagens dos interruptores de semicondutores: tamanho pequeno, confiabilidade muito alta e robustez. Conceitualmente, eles são semelhantes aos interruptores de relé. Em operação, uma força eletrostática puxa um feixe condutor, chamado de atuador ou cantilever, em direção a um contato elétrico. Ao contrário de um relé, cuja atuação é acionada por um eletroímã, as chaves RF MEMS usam uma tensão CC simples na faixa de 50 a 100 volts para produzir um campo elétrico estático que puxa o feixe para o contato. (A tensão relativamente alta vem de um conversor CC para CC alimentado pela tensão do circuito de 3 a 5 V.) Como o campo é estático, a corrente e, portanto, o consumo de energia são extremamente baixos.

Um dos desafios técnicos mais difíceis, diz Giovanniello, foi encontrar uma liga eletricamente condutora que pudesse suportar bilhões de ciclos de flexão e não flexão. "O verdadeiro problema era o atuador", diz ele. "É aí que a GE coloca a maior parte de seus esforços, criando ligas. Desenvolvemos algumas ligas proprietárias que são altamente condutoras, o que as torna realmente boas para relés. Mas elas são extremamente fortes mecanicamente, quase como polissilícios.

"A GE, por décadas, trabalhou muito em ligas para motores a jato e foram realmente algumas dessas pessoas que nos ajudaram a resolver alguns desses problemas fundamentais de confiabilidade", acrescentou. A Menlo não revelou a composição de suas ligas, mas um trabalho de pesquisa escrito pelos engenheiros da GE e da Menlo há cerca de cinco anos indica que eles trabalhavam com ligas separadas de níquel e ouro.