È iniziata l’era dei relé RF con tecnologia Mems

INTERRUTTORI –

L’impiego di sistemi micro-elettromeccanici per la commutazione dei segnali in radiofrequenza consente di ottenere dispositivi che uniscono i vantaggi dei tradizionali relé elettromeccanici e dei semiconduttori come Mosfet e diodi Pin.

Da molti anni il mercato dei componenti di commutazione per segnali a radiofrequenza è appannaggio di quattro principali tecnologie:
1 - dispositivi a stato solido, relé Mosfet e interruttori basati su diodi Pin;
2 - interruttori e relé Reed;
3 - relé meccanici per radiofrequenza;
4 - relé coassiali.
In questo scenario si inserisce oggi la tecnologia Mems (Micro electro-mechanical systems), che pur essendo relativamente nuova ha già raggiunto il grado di maturità necessario per modificare gli attuali assetti di mercato. I nuovi relé per radiofrequenza in tecnologia Mems, infatti, sono in grado di coniugare le migliori caratteristiche dei tradizionali relé elettromeccanici e dei dispositivi a stato solido come Mosfet e diodi Pin.

Le tecnologie di commutazione tradizionali
Ciascuna delle quattro tecnologie tradizionalmente utilizzate per la commutazione dei segnali RF possiede vantaggi e svantaggi che ne delimitano lo spettro applicativo. I principali vantaggi dei relé Mosfet sono il basso costo, l'alta velocità di commutazione, la durata praticamente illimitata e le dimensioni ridotte, tipicamente alcuni millimetri in pianta e un paio in altezza. Piccoli ed economici, si prestano ad essere installati in gran numero su una singola scheda come avviene nel caso delle matrici di commutazione dei sistemi di collaudo automatico. I relé Mosfet sono affetti dagli svantaggi tipici dei dispositivi a semiconduttore: elevate perdite di inserzione nello stato “on”, basso isolamento nello stato “off”, non-linearità e attenuazioni dovute alle impedenze parassite. Queste caratteristiche limitano la loro applicazione alla parte bassa dello spettro RF, tipicamente a frequenze comprese tra alcune centinaia di megahertz e 1 GHz. I diodi Pin offrono tutti i vantaggi dei relé a stato solido e sono inoltre in grado di operare a frequenze più alte, con livelli di potenza maggiori. Grazie alla loro particolare tecnologia costruttiva, nello stato “on” offrono perdite di inserzione ridotte, ma condividono con i Mosfet il basso valore di isolamento nello stato “off”. Inoltre richiedono una tensione di polarizzazione inversa relativamente alta per mantenere lo stato “off” ad alta impedenza, mentre assorbono forti correnti quando polarizzati in modo diretto. Per di più, i valori della perdita di inserzione e dell'isolamento variano in funzione della frequenza del segnale che attraversa l'interruttore. I relé Reed impiegano una commutazione meccanica, quindi offrono basse perdite di inserzione nello stato “on”, tipicamente 0,2 dB, e un'impedenza infinita nello stato “off”. Sono però più voluminosi e costosi rispetto ai relé Mosfet e possono inoltre essere molto fragili, poiché contenuti in un cilindro di vetro. I relé Reed possono commutare segnali di frequenza superiore rispetto ai Mosfet, ma la loro struttura comporta capacità parassite che ne limitano l'applicazione a 6 GHz circa. Sono tuttavia competitivi nei confronti dei Mosfet nella gamma compresa tra 1 e 3 GHz.
I relé meccanici per segnali RF garantiscono basse perdite d'inserzione nello stato “on”, meno di 0,2 dB, massimo isolamento nello stato “off”, tipicamente 60 dB, e un'ottima integrità dei segnali. Offrono inoltre un VSWR inferiore a 1,2 a 2,5 GHz, 50 ohm. Grazie a queste caratteristiche possono operare su segnali fino a 10 GHz. Sono però affetti dagli svantaggi tipici dei dispositivi meccanici: una vita operativa relativamente breve, da 5 a 10 milioni di commutazioni, dimensioni e costi superiori rispetto agli interruttori Reed e ai Mosfet. I relé meccanici coassiali, infine, sono in grado di operare nella gamma 10-18 GHz grazie a perdite molto basse, alcuni decimi di dB, e un isolamento compreso tra 60 e 100 dB. I loro principali svantaggi comprendono le dimensioni relativamente grandi, l'elevata dissipazione di potenza DC e la bassa velocità di commutazione, dell'ordine delle decine di millisecondi.

I relé Mems e le loro opportunità di mercato
I relé basati sulla tecnologia Mems promettono di riunire le migliori caratteristiche di tutti i dispositivi di commutazione oggi utilizzati, offrendo da un lato l'integrità dei segnali propria dei relé elettromeccanici e dall'altro la velocità di commutazione e la durata dei relé Mosfet. Benché relativamente nuova, la tecnologia Mems ha già raggiunto un notevole livello di maturità grazie agli investimenti resi possibili da applicazioni di largo consumo come attuatori per le stampanti a getto d'inchiostro, accelerometri per le auto, sensori di pressione e di portata, proiettori digitali a microspecchi DLP, Digital Micromirror Devices, ecc. La domanda di relé ultraminiaturizzati, economici e longevi capaci di operare su segnali di frequenza superiore ai 10 GHz è dovuta in primo luogo alle necessità del collaudo automatico, Ate, ovvero di dispositivi e sistemi elettronici che operano a velocità sempre più alte. Altri possibili campi di utilizzo sono le infrastrutture di telecomunicazioni e i singoli apparati telecom, come ad esempio le radio digitali che impiegano la tecnica del “frequency hopping”. In queste applicazioni i relé Mems possono essere apprezzati anche per il loro basso consumo e la minore generazione di segnali spuri rispetto agli interruttori a semiconduttore. La società di ricerche di mercato Yole Development prevede che nel 2011 il mercato dei Mems per applicazioni RF ammonterà a 700 milioni di dollari.

Le diverse tecnologie di azionamento dei relé Mems
Sono state sviluppate tre principali tecnologie per azionare i contatti dei relé Mems, basate rispettivamente su principi termici, magnetici ed elettrostatici. Ciascuno di esse offre vantaggi e svantaggi. L'azionamento termico sfrutta il movimento dovuto alla dilatazione di un piccolo arco in silicio sottoposto a calore. Benché semplice in linea di principio, questa tecnologia richiede una complessa combinazione di più processi Mems. I suoi vantaggi comprendono le dimensioni ridotte e la possibilità di raggiungere potenze elevate e alti valori della forza di attuazione. Tra gli svantaggi è inclusa una velocità di commutazione relativamente bassa e il consumo elevato dovuto al riscaldamento, circa 150 mW. L'azionamento magnetico è in grado di sviluppare elevati valori di forza e si presta quindi per muovere contatti molto distanti tra loro, utili per manipolare correnti e tensioni elevate. Nell'azionamento elettrostatico la chiusura degli elettrodi è ottenuto sfruttando la forza generata da un campo elettrico. Questa tecnologia offre numerosi vantaggi rispetto agli altri due approcci: minore consumo, velocità di commutazione più alta, dimensioni inferiori, un ordine di grandezza in meno rispetto ad altri meccanismi per relé Mems. L'interruttore RF Mems 2SMES-01 di Omron, che utilizza questa soluzione, consuma al massimo 5 µWatt alla frequenza di commutazione di 1 kHz.

La tecnologia di azionamento elettrostatico
La soluzione messa a punto da Omron per l'azionamento elettrostatico dei propri relé Mems impiega due coppie di elettrodi meccanicamente solidali tra loro: una è utilizzata per la generazione del campo elettrico, mentre sull'altra scorre il segnale RF. In ciascuna coppia, uno degli elettrodi è fisso mentre l'altro è realizzato su una parte mobile. Quest'ultima è costituita da una lamina in silicio fabbricata tramite tecniche esclusive di incisione, che assume in pratica la funzione di una molla. Contatti fissi e mobili sono collocati in un sandwich costituito da due strati di vetro. La scelta accurata dei materiali e delle geometrie ha consentito a Omron di neutralizzare molti dei fattori che possono ostacolare il corretto funzionamento di strutture microscopiche, come l'attrazione elettrostatica e la tensione superficiale. Il silicio monocristallino, inoltre, è un materiale molto robusto. La soluzione messa a punto da Omron, pertanto, è in grado di garantire un'alta affidabilità nel tempo; il relé Mems realizzato in questo modo si caratterizza anche per le dimensioni ridotte e una vita di almeno cento milioni di commutazioni. Teoricamente la tecnologia elettrostatica consente di azionare i contatti senza alcun assorbimento di corrente; in pratica, tuttavia, a causa delle perdite è necessaria una piccola quantità di energia per ricaricare gli elettrodi. Il consumo effettivo, tuttavia, è dell'ordine dei nanojoule.

Il dispositivo: piccolo e longevo
Sfruttando due interruttori fabbricati con la tecnologia sopra descritta, Omron ha realizzato un relé RF Mems con contatti in configurazione SPDT. Il dispositivo coniuga piccole dimensioni e una elevatissima vita operativa: ha infatti un formato LGA12 che misura solo 5,2 x 3,0 x 1,8 millimetri e garantisce un minimo di cento milioni di commutazioni. Per raggiungere questa eccezionale longevità è necessario che le commutazioni siano effettuate a vuoto, cioè in assenza di segnale. Le prestazioni del nuovo dispositivo Omron dimostrano che l'era dei relé Mems per segnali in radiofrequenza è davvero iniziata.

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