Interview mit Russ Garcia über die Neuerfindung elektromechanischer Schalter und ihre Vermarktung

Russ Gacia (CEO von Menlo Microsystems) verfügt über 30 Jahre Erfahrung in der Elektronik- und Halbleiter-Industrie. Er hat uns kürzlich über die innovative Digital-Micro-Switch (DMS) Plattform von Menlo berichtet und wie diese Lösung viele Technologie von Kommunikationsnetzen bis hin zu Elektrofahrzeugen verbessern kann.
  C. J. Abate: Menlo Microsystems wurde 2016 als Spin-Out von General Electric gestartet. Was genau versteht man unter der Digital-Micro-Switch-Technologie?

Garcia: Die Digital-Micro-Switch-Plattform von Menlo Micro dreht sich um die grundlegendste elektronische Funktion, den Schalter. Sie eignet sich für elektronische Systeme mit einem potentiellen Markt von mehr als 20 Milliarden US-Dollar. Sie hat das Potenzial für mehrere Branchen wie etwa 5G-Mobilfunknetze der nächsten Generation, industrielle IoT-Märkte, Batteriemanagement, Energiemanagement, Gebäudeautomation, Heimautomatisierung, Elektrofahrzeuge und medizinische Geräte.

Der elektromechanische Schalter hat sich in den letzten 150 Jahren kaum verändert, und viele Anwendungen haben in den letzten 25 Jahren kaum Innovationen erlebt. Die Innovationen von Menlo Micro basieren auf der Entwicklung einzigartiger Materialien, Designs und Verarbeitungstechniken, um einen verbesserten elektronischen Schalter zu bauen, der Hochtemperatur- und Hochspannungsbedingungen für Produkte bewältigen kann, die eine jahrzehntelange Lebensdauer erfordern. Der neue Schalter arbeitet bis zu tausendmal schneller als ein typischer mechanischer Schalter mit tausendfach verlängerter Lebensdauer. Es eignet sich zum Schalten von Lasten mit mehreren hundert Watt Leistung und basiert auf Strukturen, die kleiner als ein menschliches Haar sind.

CJA.: Was ist der Unterschied zu herkömmlichen elektromechanischen Relais? Welche Vorteile bietet die Digital-Micro-Switch Plattform?

Garcia: Durch die extremen Betriebsbedingungen, die bei Unternehmen von General Electric vorkommen, wurde das GE Global Research-Team dazu motiviert, mikromechanische Schalter aus einer ganz anderen Perspektive zu betrachten. Diese neue Herangehensweise führte zu einem tiefgreifenden Verständnis von Versagensarten und zur Entwicklung einer einzigartigen Palette patentierter Metalllegierungen und Verfahrenstechniken, die einen zuverlässigen Betrieb und eine extrem gute elektrische Leistung ermöglichen – was hauptsächlich zu einem sehr geringen Kontaktwiderstand führt.

Nachdem die Entwicklung der Kerntechnologie abgeschlossen und für die Produktion in GE-Systemen qualifiziert wurde, bringt das Team von Menlo Micro hochleistungsfähige Schalterprodukte in mehrere Endmärkte. Damit wird die Art und Weise, wie elektronische Systeme entworfen werden, revolutioniert. Zu den Schlüsselkriterien der Switch-Technologie von Menlo Micro gehören Größe, Geschwindigkeit, Belastbarkeit, Energieeffizienz und Zuverlässigkeit.

Größe: Platz auf der Platine und Gewicht sind bei vielen Anwendungen sehr wichtig. Herkömmliche mechanische Schalter benötigen viel Platz, haben eine begrenzte Anzahl von Kanälen und müssen in einigen Fällen manuell zusammengebaut werden. Menlo Micro Schaltelemente sind kleiner als die Breite eines menschlichen Haares und sind so konzipiert, dass sie skalierbar sind, abhängig von den erforderlichen Leistungswerten. Alle Switches werden mit automatisierten Prozessen und Tools auf Wafer-Ebene hergestellt. Sie sind so klein, dass wir Hunderte von ihnen auf einer Fläche von unter 10 mm² platzieren können.

Geschwindigkeit: Mechanische Strukturen klein zu halten bedeutet auch, dass sie sich schnell bewegen können. Ein typischer mechanischer Schalter kann in wenigen Millisekunden arbeiten, während Menlo Micro-Schalter in nur wenigen Mikrosekunden tausendfach schneller arbeiten können. Dies kann enorme Auswirkungen auf Systeme haben, die bisher in ihrer Leistung eingeschränkt waren, weil sie sich schnell neu konfigurieren oder kritische Schaltungen öffnen und schließen konnten.

Leistung: Dies ist ein Bereich, in dem Menlo Micro herkömmliche Überlegung vollständig über Bord wirft. Bei höheren Leistungen denken die meisten Menschen eher an mehr Masse, mehr Metall und größere Luftspalte zwischen den Leitern. Wir haben einen anderen Ansatz gewählt. Wir machen alles kleiner und nähern die elektrischen Kontakte immer mehr an. Unsere miniaturisierten Switches und die skalierbare Architektur ermöglichen es uns, Spannungen im Bereich hunderter Volt und Ströme von einigen dutzend Ampere ohne Lichtbogenbildung zu verarbeiten.

Energieeffizienz: In immer mehr Systemen wird Energie immer wichtiger. Bei batteriebetriebenen Systemen zählen sogar Verluste von 0,1 dB. Sowohl HF- als auch AC/DC-Verluste müssen mit Verstärkung und in einigen Fällen mit zusätzlichen Netzteilen ausgeglichen werden. Hier brilliert die Menlo Micro Technologie. Wir können unsere Schalter so skalieren, dass sie extrem geringe Widerstände von 1 Ω bis zu einigen mΩ haben. Und nicht nur das: Unser elektrostatisch angetriebener Aktuator bedeutet, dass ein einzelner Schalter zur Funktion nur wenige pA benötigt.

Zuverlässigkeit: Wenn Sie Produkte für Märkte wie das Gesundheitswesen, die Luftfahrt und andere unternehmenskritische industrielle Anwendungen entwickeln, ist Verlässlichkeit keine Nebensache, sondern das primäre Design-Kriterium. Unsere mechanischen Schalter übertreffen die Lebensdauer von herkömmlichen mechanischen Schaltern um das Tausendfache. Nicht Millionen Zyklen, sondern viele Milliarden Zyklen, ohne die Leistung zu beeinträchtigen. Noch wichtiger als die bisher gezeigte Leistung ist das tiefe Verständnis von Materialwissenschaften, Zuverlässigkeit und Fehleranalyse, die es uns ermöglicht, Fehler zu modellieren und vorherzusagen, sodass wir die Technologie noch weiter vorantreiben können.

CJA.: Erzählen Sie uns etwas über die Produkte Ihres Portfolios: HV-Switches, HF-Switches, HF-Tuning-Produkte und Power-Relay-Produkte.
 

Garcia: Beim MM7100 handelt es sich um einen einpoligen Schließer für Hochspannung (SPST) Schalter (Bild 1). MM7100 war das erste Produkt von Menlo Microsystems in der Produktion. Er wurde in MRT-Anwendungen von GE eingesetzt. Über 100.000 dieser Switches wurden bisher ausgeliefert.

MM7100 bietet einen extrem niedrigen Durchlasswiderstand und eine hohe Isolation im ausgeschalteten Zustand bei mehr als 3 Milliarden Betätigungen bei 85 °C. Aufgrund seiner langen Lebensdauer, der extrem niedrigen Verluste und des geringen Formfaktors ist der Typ MM7100 eine ideale Lösung für den Austausch von elektromechanischen Relais sowie von Pin-Diodenschaltern, bei denen Größe, Gewicht, Leistung und Wärmemanagement wichtige Designparameter auf Systemebene sind.
  Beim MM5120 handelt es sich um einen Hochleistungs-HF/Mikrowellen-Schalter. Unsere DMS-Technologie ermöglicht das Umschalten von 25 W oder mehr HF-Leistung in einem sehr kleinen SMD-Gehäuse (Bild 2). Der MM5120 bietet eine extrem niedrige Einfügungsdämpfung und eine hervorragende Linearität im Bereich von DC bis 12 GHz bei mehr als 3 Milliarden Betätigungen bei 85 °C. Ein integrierter Analog-Gate-Controller bietet dem Anwender die Möglichkeit, das benötigte Gate-Signal extern bereitzustellen oder intern zu generieren. Der MM5120 ist eine ideale Lösung, um sperrige und weniger zuverlässige elektromechanische HF-Relais sowie HF/Mikrowellen-Halbleiterschalter zu ersetzen, bei denen Linearität und Einfügedämpfung kritische Parameter sind.
  Beim MM3100 handelt es sich um einen Hochleistungs-Sechskanal-SPST für DC- und Breitband-HF/ Mikrowellen-Schalteranwendungen (Bild 3). Der MM3100 kann mehr als 25 W HF-Leistung schalten. Es verfügt über sechs Schaltkanäle, von denen jeder eine extrem niedrige Einschaltdämpfung und eine hohe Isolation im ausgeschalteten Zustand von DC bis 3 GHz mit mehr als 3 Milliarden Betätigungen bei 85 °C bietet. Jeder Kanal wird einzeln per SPI gesteuert. Für den Betrieb des internen Schaltertreibers ist eine externe 5-V-Logikversorgung und eine Hochspannungsquelle mit +77 V erforderlich.

Beim MM1200 handelt es sich um ein Sechs-Kanal-SPST-Mikrorelais. Es ist für Strom- und Signalschaltanwendungen sowohl in Gleichstrom- als auch in Wechselstromkreisen vorgesehen. Es hat einen sehr niedrigen Durchlasswiderstand, ist mit bis zu 1 A pro Kanal belastbar und eine hohe Trennisolierung für mehr als 3 Milliarden Betätigungen bei 85 °C. Die Schalter sind Schließer und werden einzeln via SPI gesteuert. Für den Betrieb des internen Schaltertreibers ist eine externe 5-V-Logikversorgung und eine Hochspannungsquelle mit +77 V erforderlich.

CJA.: Wie werden Ihre Switches aktuell genutzt?

Garcia: Unsere Digital-Micro-Switch-Produkte sind sehr vielseitig und können in verschiedenen Konfigurationen für mehrere Anwendungen verwendet werden. Zu Beginn wurden unsere Produkte MM7100 und MM3100 dazu verwendet, Hochspannungs-PIN-Dioden in Endprodukten wie MRT-Geräten und Militärfunkgeräten zu ersetzen. Unser MM1200 wird verwendet, um elektromechanische Reed-Relais in Prüf- und Messgeräten zu ersetzen. In fast allen Fällen versuchen unsere Kunden, die Gesamtgröße, das Gewicht und den Energieverbrauch des von ihnen entworfenen Systems zu reduzieren, so dass die extrem geringen Verluste und die ultrakleinen Formfaktoren, die wir mit der DMS-Technologie bereitstellen, sehr attraktiv sind. Diese Schalter skalieren wie Halbleiter, weisen jedoch elektrische Leistungseigenschaften von ohmschen Hochleistungs-Kontaktschaltern auf. Sie adressieren auch hochleistungsfähige, hochfrequente und hochzuverlässige Anwendungen und ermöglichen hohe Schaltfrequenzen bei niedrigeren Leistungen für kostensensitivere Anwendungen.

CJA.: Was ist Ihr Geschäftsmodell? Lizensieren Sie Ihre Technologie?

Garcia: Wir entwickeln und fertigen hauptsächlich Standard- und kundenspezifische Schalter und Relais für zahlreiche vertikale Märkte und Anwendungen. Wir haben ein Lizenzmodell für verschiedene Einsatzbereiche, für die wir nicht direkt Produkte anbieten möchten. Ein Beispiel dafür ist der Consumer-Handy-Markt, wo die DMS-Technologie bei Millimeterwellen Leistung bei Kostenstrukturen ermöglicht, die mit der Switch-Technologie von SoI konkurrieren, die in diesen Anwendungen heute verwendet wird.

 

CJA.: Welches sind die technischen Spezifikationen für das Smart Power Relay Evaluation Board?

Garcia: Menlo Microsystems hat eine Leistungsrelais-Prototypen-Plattform entwickelt, die digitale Mikroschalter in einer skalierbaren, parallelen Konfiguration für größere Ströme verwendet. Der positive Temperaturkoeffizient der DMS-Technologie ermöglicht Parallelschaltungen mit stabiler Stromaufteilung zwischen Schaltern (Bild 4).

Der Rest dieses Interviews wird in der Ausgabe 4/2018 des Elektor Business Magazins erscheinen, die im Juli 2018 veröffentlicht wird.