固態(tài)開關(guān)和機(jī)電繼電器有助于通過電流管理所有設(shè)備的電源。盡管無處不在，但傳統(tǒng)的開關(guān)和繼電器仍存在主要缺點(diǎn)，包括能量損失、成本、重量、尺寸、性能和可靠性。這些固有限制影響了設(shè)計(jì)和部署下一代 5G 網(wǎng)絡(luò)以及一切電氣化的能力——快速過渡到電動(dòng)汽車、可持續(xù)能源和更智能的電網(wǎng)。

Menlo Micro 利用康寧 HPFS 熔融石英玻璃 (HPFS) 材料和銅填充玻璃通孔 (TGV) 技術(shù)的微機(jī)械開關(guān)設(shè)計(jì)，克服了固態(tài)開關(guān)和機(jī)械繼電器的局限性。本案例研究介紹了 Menlo Micro 如何與康寧精密玻璃解決方案合作，創(chuàng)建基于康寧 HPFS 玻璃的開關(guān)產(chǎn)品。由此產(chǎn)生的 Ideal Switch 產(chǎn)品的運(yùn)行速度比機(jī)械繼電器快 1000 倍，可以運(yùn)行更長的壽命，可以處理千瓦級(jí)的功率，并且構(gòu)建在比人類頭發(fā)還小的微結(jié)構(gòu)中，從而可以創(chuàng)建可以在以下情況下運(yùn)行數(shù)十年的微機(jī)械開關(guān)高應(yīng)力條件。

一種新型繼電器

隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、5G 連接和萬物電氣化正在改變我們連接、共享信息以及理解和控制我們周圍世界的方式，技術(shù)正在實(shí)現(xiàn)巨大飛躍。為了實(shí)現(xiàn)這一飛躍，我們需要以全新的顛覆性方式設(shè)計(jì)和制造微電子產(chǎn)品。

一個(gè)恰當(dāng)?shù)睦樱何覀冃枰葌鹘y(tǒng)固態(tài)和機(jī)電設(shè)備更快、更小、更有彈性和能效的下一代開關(guān)和繼電器。固態(tài)開關(guān)基于 CMOS 工藝技術(shù)，大多數(shù)集成電路 (IC) 都是在硅晶片上制造的。然而，由于硅是一種半導(dǎo)體材料(即部分導(dǎo)體)，它的效率不是很高，并且容易泄漏，導(dǎo)致相當(dāng)大的能量損失和散熱。雖然微電子工程師可以將 CMOS 中的隔離性能提升到更高水平，但他們最終會(huì)遇到基本的物理問題。使用硅晶片優(yōu)化能源效率和最大限度地減少泄漏是有限度的。并且隨著更先進(jìn)的技術(shù)和應(yīng)用，例如 5G 新無線電，這些限制將變得更加明顯。機(jī)電開關(guān)的問題歸結(jié)為需要減小尺寸、重量、功率和成本 (SWaP-C)。這些降低對(duì)于降低能源消耗和加速向下一代 5G 基礎(chǔ)設(shè)施、醫(yī)療技術(shù)和電動(dòng)汽車的過渡至關(guān)重要。解決這些挑戰(zhàn)的一個(gè)重要關(guān)鍵在于材料科學(xué)的創(chuàng)新和一種常見的材料：玻璃。

玻璃是絕緣體;作為電介質(zhì)基板的理想材料，可替代高電阻率硅 (HR-Si) 晶圓。玻璃的電阻率比 HR-Si 高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，這意味著電流無法通過玻璃，也不會(huì)損失能量?？祵幣c Menlo Micro 的合作正在擴(kuò)大使用玻璃晶圓實(shí)現(xiàn)的可能性。

康寧與 Menlo Micro 合作

康寧和 Menlo Micro 與有史以來最偉大的發(fā)明家之一托馬斯·愛迪生(Thomas Edison)，即所謂的“門洛帕克奇才”有著歷史淵源。Menlo Micro 誕生于愛迪生創(chuàng)立的通用電氣 (GE) 長達(dá)十年的研究成果。康寧和 Menlo Micro 都專注于重新發(fā)明愛迪生在 1800 年代開創(chuàng)的東西：機(jī)械繼電器。

繼電器是一種電動(dòng)開關(guān)，用于控制、供電和保護(hù)任何用電流操作的東西。開關(guān)是我們今天使用的幾乎所有電氣設(shè)備的關(guān)鍵組件。有兩種傳統(tǒng)類型的開關(guān)和繼電器——機(jī)電式和固態(tài)式——它們都有很大的缺點(diǎn)。機(jī)電開關(guān)可以處理高功率，但它們體積大、速度慢、笨重，而且出了名的不可靠。雖然固態(tài)開關(guān)體積小、速度快且可靠，但它們會(huì)泄漏功率并產(chǎn)生熱量，因?yàn)樽鳛榘雽?dǎo)體器件，它們永遠(yuǎn)不會(huì)完全“關(guān)閉”。

幾十年來，工程師們一直在努力克服這些缺點(diǎn)，但最終的結(jié)果是一系列妥協(xié)，而不是對(duì)固態(tài)開關(guān)和機(jī)械繼電器所帶來的基本挑戰(zhàn)的近乎完美的解決方案。

Menlo Micro 設(shè)計(jì)了一種微機(jī)械開關(guān)技術(shù)，可解決與現(xiàn)有開關(guān)和繼電器相關(guān)的主要問題。Menlo 微動(dòng)開關(guān)更小、更輕、更快、更高效，能夠更好地處理高功率，并且比機(jī)電繼電器具有更長的工作壽命。它們也比固態(tài)開關(guān)更適合射頻(提供更高的線性度)。這種新的開關(guān)技術(shù)可以應(yīng)用于廣泛的應(yīng)用，從醫(yī)療設(shè)備和通信基礎(chǔ)設(shè)施到航空航天和消費(fèi)電子產(chǎn)品。

Menlo Micro 能夠解決交換機(jī)的挑戰(zhàn)，部分原因在于它與康寧的技術(shù)合作。Menlo 微動(dòng)開關(guān)采用康寧的高純度石英玻璃制成，可實(shí)現(xiàn)更小、更節(jié)能的開關(guān)設(shè)計(jì)。Menlo Micro 還在開關(guān)頂部添加了另一層玻璃，其中包含被稱為玻璃通孔 (TGV) 的微小銅填充孔，這些孔旨在引導(dǎo)電流進(jìn)出開關(guān)。通過玻璃傳輸信號(hào)將電力必須傳輸?shù)木嚯x縮短了 70%，從而減小了繼電器的尺寸和成本，并提高了電氣性能。