Výkonné spínače budoucnosti velikosti průřezu lidského vlasu

Své znovuzrození zažilo mechanické relé ve výzkumném středisku GE Global Research. Skupina vědců zde vyvíjí miniaturní elektrické spínače menší než průměr lidského vlasu, které dokáží přenášet kilowatty elektrického výkonu. Označují se jako elektromechanické mikrosystémy (micro-electro-mechanical systems – MEMS). Technologie MEMS umožní výrobu miniaturních spínačů s možná nečekanými důsledky pro vývoj systémů, které budou řídit mobilní přístroje budoucnosti. Testování prototypů ukazuje, že radiofrekvenční spínače MEMS od GE mohou pomoci zrychlit datový přenos, zvýšit kvalitu signálu, prodloužit životnost baterie a přizpůsobit přístroje nárokům LTE-Advanced.

Technologii MEMS původně vědci vyvíjeli pro průmyslové využití. Mohla by však přispět i ke snížení odpadového tepla a spotřeby energie ve zdravotnických zařízeních, leteckých systémech i dalších zařízeních. To co, spínače MEMS GE odlišuje od ostatních technologií MEMS, jsou materiály, vyvinuté v laboratořích GE; ty umožňuje spínačům dosahovat životnosti v řádu miliard cyklů i v extrémních provozních podmínkách, jako například ve vysoké teplotě. Zároveň dokáží udržet extrémně nízký přechodový odpor.

Při větším výkonu menší velikost, váha, spotřeba energie i náklady

Systémy MEMS jsou technologií, která spojuje počítače s drobnými mechanickými zařízeními, jako jsou čidla, ventily, ozubená kola, zrcadla a pohony vložené do polovodičových čipů. Vědci jsou přesvědčeni, že MEMS mohou být základem technologie v příštím desetiletí, protože je lze vyrábět ve velkém množství, s nízkými náklady a pro různá použití.

Podle Chrise Keimela, inženýra procesního vývoje ve výzkumném centru GE Global Research, umožnily zkušenosti a poznatky z oblasti materiálů, tvorby přístrojů, výroby, obalů, elektroniky či integrace systémů překonat nejzásadnější výzvy spojené s miniaturizací spínačů. „Dokážeme zmenšit velikost, snížit váhu, spotřebu energie i náklady našich systémů a zároveň zlepšit celkový výkon,“ dodává Keimel.

Nejnovější generace MEMS umí rozpojit a spojit obvod pouze za využití elektrostatické síly, tedy stejné síly, která při česání „nabíjí“ hřeben a přitahuje k němu suché vlasy. Počet rozepnutí a sepnutí obvodu za vteřinu tak může díky těmto spínačům dosáhnout i několika tisíc.

Široké uplatnění

V současné době se systémy MEMS používají nebo zkoušejí jako:

• Akcelerometry air-bagů u automobilů. Zde už nahradily méně spolehlivá zařízení, jsou levnější a vývoj směřuje k tomu, aby se air-bag nafukoval nejen s ohledem na rychlost auta, ale i velikost osoby, kterou chrání.

   

   

• Senzory systémů GPS, např. v systému kurýrních zásilek pro neustálé sledování jejich polohy, cesty a způsobu zacházení.

   

   

• Senzory zabudované do křídla letadla reagující na změnu povrchového odporu při proudění vzduchu; účinně tak vytvářejí množství drobných vztlakových klapek.

   

   

• Optická spínací zařízení, která mohou přepínat světelné signály po různých cestách během 20 nanosekund.

   

   

• Sensory řídící vytápění a chlazení výrazně zvyšující energetické úspory.

   

   

• Podpora pro zapuštěné senzory, které mohou měnit vlastnosti pružnosti materiálu na základě snímání atmosférického napětí.

Miniaturizace chytrých telefonů a PC

Vědci zároveň pracují na miniaturních verzích pro chytré telefony a tablety využívající bezdrátový přenos nové generace LTE-Advanced, označovaný též „True G4“. Technologie LTE-Advanced už byla spuštěna v některých částech Asie a v dohledné době se stane celosvětovým měřítkem pro mobilní komunikaci. Umožňuje totiž stahování dat rychlostí, která by teoreticky mohla překonat 3 Gb za vteřinu, tedy desetkrát rychleji než ve stávajících sítích 4G. Pro srovnání: 4G LTE zvládá 300 Mb za vteřinu. Díky tomu, že LTE-Advanced využívá větší šíři vlnového pásma, chytřejší přenosové algoritmy a pracuje s více vysílači, dokáže také zajistit silnější spojení a vyšší kvalitu signálu. Aby bylo možné všechna tato vylepšení využít v praxi, musí s vývojem držet krok i hardware. A právě tady technologie spínačů MEMS nabízí jednoznačné výhody.

MEMS využije mobilní síť příští generace LTE-Advanced

Podle laboratorních výsledků radiofrekvenční spínače, vyrobené za pomoci registrovaného postupu GE na zpracování kovů pro technologii MEMS, splní i náročné požadavky, které na radiofrekvenční vstupní moduly i produkty bezdrátové infrastruktury klade mobilní síť příští generace LTE-Advanced. K jejich hlavním výhodám patří:

• Velmi vysoká linearita – zkreslení způsobené radiofrekvenčními komponenty totiž omezuje účinně využitelný pásmový rozsah systému. Radiofrekvenční spínače na bázi ohmických kontaktů dokázaly v porovnání s technologií SOI („křemík na izolantu“) v parametru IIP3 dosáhnout zlepšení o 15 dB na 20 dB.


• Vložný útlum – ztráta výkonu při průchodu množstvím spínačů v mobilním telefonu ovlivňuje sílu signálu a výdrž baterie. Společnost GE naměřila při 3 GHz vložný útlum nižší než 0,3 dB.


• Izolace – schopnost oddělit vlnová pásma a současně zachovat nenarušený signál stále nabývá na významu v souvislosti s technologií „carrier aggregation“, tedy spojování nosných signálů. Společnost GE naměřila při 3 GHz izolaci mezi kanály nižší než 35 dB.


• Miniaturní velikost – spínací prvek o rozměrech zhruba 50µm × 50µm umožňuje umístit velké množství rychlých spínačů na velice malou plochu, což má přímý vliv na výši nákladů.

Video

Videoukázky technologie MEMS od společnosti GE naleznete zde: youtu.be/DXRsHjxHWEE a youtu.be/_RFBheVJbMs