而在過去30年，MEMS開關(guān)盡管因易于使用、尺寸很小、能以極小的損耗可靠地傳送0 Hz/dc至數(shù)百GHz信號，一直被標(biāo)榜為性能有限的機(jī)電繼電器的出色替代器件，但因?yàn)殡y以通過大規(guī)模生產(chǎn)來大批量提供可靠產(chǎn)品的挑戰(zhàn)，讓許多試圖開發(fā)MEMS開關(guān)技術(shù)的公司停滯不前。在MEMSRF開關(guān)在手機(jī)等終端應(yīng)用中普及前，本文以ADI 高性能MEMS開關(guān)器件為例，詳細(xì)解讀其基本實(shí)現(xiàn)原理與相較傳統(tǒng)開關(guān)的諸多優(yōu)勢。

 

創(chuàng)新微機(jī)械結(jié)構(gòu)跨入MEMS開關(guān)商業(yè)化門檻

 

據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料顯示，世界上第一個(gè)MEMS開關(guān)是由美國IBM的K.E.Peterson研制成功的，受當(dāng)時(shí)MEMS加工工藝的限制，該開關(guān)的性能并不穩(wěn)定；直到20世紀(jì)90年代，隨著MEMS加工技術(shù)發(fā)展，MEMS開關(guān)才取得了跨越式的進(jìn)步：如1991年Larson制作的旋轉(zhuǎn)式MEMS開關(guān)，1996年Goldsmith等人研制出一種低驅(qū)動電壓電容式MEMS開關(guān)，1998年P(guān)achero設(shè)計(jì)的螺旋型懸臂式MEMS開關(guān)結(jié)構(gòu)等，以上各類開關(guān)不同性能都在一定程度上有所提升。

 

ADI公司自1990年開始通過一些學(xué)術(shù)項(xiàng)目涉足MEMS開關(guān)技術(shù)研究，到1998年，ADI公司終于開發(fā)出一種MEMS開關(guān)設(shè)計(jì)，并根據(jù)該設(shè)計(jì)制作了一些早期原型產(chǎn)品。2011年，ADI公司大幅增加了MEMS開關(guān)項(xiàng)目投入，從而推動了自有先進(jìn)MEMS開關(guān)制造設(shè)施的建設(shè)。直到2016年，ADI公司已能量產(chǎn)出可靠、高性能、小尺寸的MEMS開關(guān)以取代過時(shí)的繼電器技術(shù)。ADI MEMS開關(guān)技術(shù)的關(guān)鍵是靜電驅(qū)動的微機(jī)械加工黃金懸臂梁開關(guān)元件概念，可以將MEMS開關(guān)視作微米尺度的機(jī)械繼電器，其金屬對金屬觸點(diǎn)通過高壓直流靜電驅(qū)動。下圖顯示了單個(gè)MEMS開關(guān)懸臂的特寫圖，其中可看到并聯(lián)的五個(gè)觸點(diǎn)和具有下面有空隙的鉸鏈結(jié)構(gòu)。

 

MEMS懸臂開關(guān)梁特寫

 

開關(guān)采用三端子配置進(jìn)行連接。功能上可以將這些端子視為源極、柵極和漏極。下圖是開關(guān)的簡化示意圖，情況A表示開關(guān)處于斷開位置。將一個(gè)直流電壓施加于柵極時(shí)，開關(guān)梁上就會產(chǎn)生一個(gè)靜電下拉力。這種靜電力與平行板電容的正負(fù)帶電板之間的吸引力是相同的。當(dāng)柵極電壓斜升至足夠高的值時(shí)，它會產(chǎn)生足夠大的吸引力（紅色箭頭）來克服開關(guān)梁的彈簧阻力，開關(guān)梁開始向下移動，直至觸點(diǎn)接觸漏極。該過程如情況B所示。因此，源極和漏極之間的電路閉合，開關(guān)現(xiàn)已接通。拉下開關(guān)梁所需的實(shí)際力大小與懸臂梁的彈簧常數(shù)及其對運(yùn)動的阻力有關(guān)。注意：即使在接通位置，開關(guān)梁仍有上拉開關(guān)的彈簧力（藍(lán)色箭頭），但只要下拉靜電力（紅色箭頭）更大，開關(guān)就會保持接通狀態(tài)。最后，當(dāng)移除柵極電壓時(shí)（情況C），即柵極電極上為0 V時(shí)，靜電吸引力消失，開關(guān)梁作為彈簧具有足夠大的恢復(fù)力（藍(lán)色箭頭）來斷開源極和漏極之間的連接，然后回到原始關(guān)斷位置。

 

MEMS開關(guān)動作過程，A和C表示開關(guān)關(guān)斷，B表示開關(guān)接通

 

這一開關(guān)設(shè)計(jì)用于ADGM1304單刀四擲 (SP4T) MEMS開關(guān)和具有增強(qiáng)型ESD保護(hù)性能的ADGM1004SP4T開關(guān)。此外，ADI還設(shè)計(jì)了一個(gè)配套驅(qū)動器集成電路，以產(chǎn)生驅(qū)動開關(guān)所需的高直流電壓，保證快速可靠的驅(qū)動和長使用壽命，并使器件易于使用。下圖顯示了采用超小型SMD QFN封裝的MEMS芯片和驅(qū)動器IC。被封裝在一起的驅(qū)動器功耗非常低——典型值為10 mW，比RF繼電器的典型驅(qū)動器要求低10倍。

 

ADGM1004增強(qiáng)型ESD保護(hù)MEMS開關(guān)

 

超高性能、高可靠性致勝M(fèi)EMS開關(guān)商業(yè)化

 

眾所知周，在測試儀器儀表中，開關(guān)尺寸非常重要，可決定在測試設(shè)備儀器電路板或待測器件接口TIU板上能夠?qū)崿F(xiàn)的功能和通道數(shù)。得益于創(chuàng)造性設(shè)計(jì)思路，ADI 的MEMS開關(guān)既具備了EMR的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)尺寸大幅縮小，而且還提高了RF額定性能和使用壽命。下圖顯示ADGM1304 0Hz/dc至14 GHz帶寬、單刀四擲(SP4T) MEMS開關(guān)，被放置在典型的3 GHz帶寬雙刀雙擲 (DPDT) EMR之上。就體積差異來看，尺寸可縮小90%以上。

 

 

ADGM1004 MEMS開關(guān)（四開關(guān)）與典型機(jī)電式RF繼電器（四開關(guān)）的比較

 

高帶寬是驅(qū)動開關(guān)進(jìn)入新應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵，除了 MEMS 技術(shù)的物理尺寸優(yōu)勢之外，MEMS 開關(guān)的電氣和機(jī)械性能也具有很大優(yōu)勢。下表顯示ADGM1304和ADGM1004器件的一些關(guān)鍵規(guī)格，與典型的更高頻率單刀擲 (SPDT) 8 GHz EMR 進(jìn)行比較，ADGM1304和ADGM1004器件具有出色的帶寬、插入損耗和切換時(shí)間，使用壽命為10億個(gè)周期。

 

 

低功耗、低電壓、集成電源的驅(qū)動器是 MEMS 開關(guān)的另外幾大關(guān)鍵優(yōu)勢。ADGM1304和ADGM1004 MEMS開關(guān)內(nèi)置低電壓、可獨(dú)立控制的開關(guān)驅(qū)動器，它們不需要外部驅(qū)動器 IC。由于MEMS開關(guān)封裝的高度較?。ˋDGM1304的封裝高度為 0.95 mm，ADGM1004的封裝高度為1.45 mm），因此開關(guān)可以安裝在PCB的反面，較小的封裝高度增大了可實(shí)現(xiàn)的通道密度。

 

此外，ADGM1004具有較高的靜電放電（ESD）額定值，人體模型（HBM）的 ESD 額定值為 2.5 kV，電場感應(yīng)器件充電模型（FICDM）的 ESD 額定值為 1.25 kV，從而進(jìn)一步增強(qiáng)了易用性。

 

本文小結(jié)

 

自硅晶體管發(fā)明以來，已有近70多年的歷史，而機(jī)電繼電器發(fā)明已有185年以上的歷史，這些傳統(tǒng)技術(shù)的主要缺點(diǎn)會限制許多終端產(chǎn)品和系統(tǒng)的性能。與傳統(tǒng)機(jī)電繼電器相比，ADI 的MEMS開關(guān)技術(shù)使RF 和DC開關(guān)性能、可靠性及小型化實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展，ADGM1304和具有開創(chuàng)性的增強(qiáng)型ESD保護(hù)性能的ADGM1004 RF MEMS開關(guān)的體積縮小了95%，速度加快了30倍，可靠性提高了10倍，而功耗僅為原來的十分之一，未來將在航空航天和防務(wù)、醫(yī)療保健以及通信基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備等行業(yè)內(nèi)逐步取代繼電器。

 

 

推薦閱讀：