而在過(guò)去30年，MEMS開(kāi)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至數百GHz信號，一直被標榜為性能有限的機電繼電器的出色替代器件，但因為難以通過(guò)大規模生產(chǎn)來(lái)大批量提供可靠產(chǎn)品的挑戰，讓許多試圖開(kāi)發(fā)MEMS開(kāi)關(guān)技術(shù)的公司停滯不前。在MEMSRF開(kāi)關(guān)在手機等終端應用中普及前，本文以ADI 高性能MEMS開(kāi)關(guān)器件為例，詳細解讀其基本實(shí)現原理與相較傳統開(kāi)關(guān)的諸多優(yōu)勢。

 

創(chuàng )新微機械結構跨入MEMS開(kāi)關(guān)商業(yè)化門(mén)檻

 

據相關(guān)文獻資料顯示，世界上第一個(gè)MEMS開(kāi)關(guān)是由美國IBM的K.E.Peterson研制成功的，受當時(shí)MEMS加工工藝的限制，該開(kāi)關(guān)的性能并不穩定；直到20世紀90年代，隨著(zhù)MEMS加工技術(shù)發(fā)展，MEMS開(kāi)關(guān)才取得了跨越式的進(jìn)步：如1991年Larson制作的旋轉式MEMS開(kāi)關(guān)，1996年Goldsmith等人研制出一種低驅動(dòng)電壓電容式MEMS開(kāi)關(guān)，1998年P(guān)achero設計的螺旋型懸臂式MEMS開(kāi)關(guān)結構等，以上各類(lèi)開(kāi)關(guān)不同性能都在一定程度上有所提升。

 

ADI公司自1990年開(kāi)始通過(guò)一些學(xué)術(shù)項目涉足MEMS開(kāi)關(guān)技術(shù)研究，到1998年，ADI公司終于開(kāi)發(fā)出一種MEMS開(kāi)關(guān)設計，并根據該設計制作了一些早期原型產(chǎn)品。2011年，ADI公司大幅增加了MEMS開(kāi)關(guān)項目投入，從而推動(dòng)了自有先進(jìn)MEMS開(kāi)關(guān)制造設施的建設。直到2016年，ADI公司已能量產(chǎn)出可靠、高性能、小尺寸的MEMS開(kāi)關(guān)以取代過(guò)時(shí)的繼電器技術(shù)。ADI MEMS開(kāi)關(guān)技術(shù)的關(guān)鍵是靜電驅動(dòng)的微機械加工黃金懸臂梁開(kāi)關(guān)元件概念，可以將MEMS開(kāi)關(guān)視作微米尺度的機械繼電器，其金屬對金屬觸點(diǎn)通過(guò)高壓直流靜電驅動(dòng)。下圖顯示了單個(gè)MEMS開(kāi)關(guān)懸臂的特寫(xiě)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構。

 

MEMS懸臂開(kāi)關(guān)梁特寫(xiě)

 

開(kāi)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(kāi)關(guān)的簡(jiǎn)化示意圖，情況A表示開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)位置。將一個(gè)直流電壓施加于柵極時(shí)，開(kāi)關(guān)梁上就會(huì )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帶電板之間的吸引力是相同的。當柵極電壓斜升至足夠高的值時(shí)，它會(huì )產(chǎn)生足夠大的吸引力（紅色箭頭）來(lái)克服開(kāi)關(guān)梁的彈簧阻力，開(kāi)關(guān)梁開(kāi)始向下移動(dòng)，直至觸點(diǎn)接觸漏極。該過(guò)程如情況B所示。因此，源極和漏極之間的電路閉合，開(kāi)關(guān)現已接通。拉下開(kāi)關(guān)梁所需的實(shí)際力大小與懸臂梁的彈簧常數及其對運動(dòng)的阻力有關(guān)。注意：即使在接通位置，開(kāi)關(guān)梁仍有上拉開(kāi)關(guān)的彈簧力（藍色箭頭），但只要下拉靜電力（紅色箭頭）更大，開(kāi)關(guān)就會(huì )保持接通狀態(tài)。最后，當移除柵極電壓時(shí)（情況C），即柵極電極上為0 V時(shí)，靜電吸引力消失，開(kāi)關(guān)梁作為彈簧具有足夠大的恢復力（藍色箭頭）來(lái)斷開(kāi)源極和漏極之間的連接，然后回到原始關(guān)斷位置。

 

MEMS開(kāi)關(guān)動(dòng)作過(guò)程，A和C表示開(kāi)關(guān)關(guān)斷，B表示開(kāi)關(guān)接通

 

這一開(kāi)關(guān)設計用于A(yíng)DGM1304單刀四擲 (SP4T) MEMS開(kāi)關(guān)和具有增強型ESD保護性能的ADGM1004SP4T開(kāi)關(guān)。此外，ADI還設計了一個(gè)配套驅動(dòng)器集成電路，以產(chǎn)生驅動(dòng)開(kāi)關(guān)所需的高直流電壓，保證快速可靠的驅動(dòng)和長(cháng)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芯片和驅動(dòng)器IC。被封裝在一起的驅動(dòng)器功耗非常低——典型值為10 mW，比RF繼電器的典型驅動(dòng)器要求低10倍。

 

ADGM1004增強型ESD保護MEMS開(kāi)關(guān)

 

超高性能、高可靠性致勝MEMS開(kāi)關(guān)商業(yè)化

 

眾所知周，在測試儀器儀表中，開(kāi)關(guān)尺寸非常重要，可決定在測試設備儀器電路板或待測器件接口TIU板上能夠實(shí)現的功能和通道數。得益于創(chuàng )造性設計思路，ADI 的MEMS開(kāi)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(kāi)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(lái)看，尺寸可縮小90%以上。

 

 

ADGM1004 MEMS開(kāi)關(guān)（四開(kāi)關(guān)）與典型機電式RF繼電器（四開(kāi)關(guān)）的比較

 

高帶寬是驅動(dòng)開(kāi)關(guān)進(jìn)入新應用領(lǐng)域的關(guān)鍵，除了 MEMS 技術(shù)的物理尺寸優(yōu)勢之外，MEMS 開(kāi)關(guān)的電氣和機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、集成電源的驅動(dòng)器是 MEMS 開(kāi)關(guān)的另外幾大關(guān)鍵優(yōu)勢。ADGM1304和ADGM1004 MEMS開(kāi)關(guān)內置低電壓、可獨立控制的開(kāi)關(guān)驅動(dòng)器，它們不需要外部驅動(dòng)器 IC。由于MEMS開(kāi)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(kāi)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(chǎng)感應器件充電模型（FICDM）的 ESD 額定值為 1.25 kV，從而進(jìn)一步增強了易用性。

 

本文小結

 

自硅晶體管發(fā)明以來(lái)，已有近70多年的歷史，而機電繼電器發(fā)明已有185年以上的歷史，這些傳統技術(shù)的主要缺點(diǎn)會(huì )限制許多終端產(chǎn)品和系統的性能。與傳統機電繼電器相比，ADI 的MEMS開(kāi)關(guān)技術(shù)使RF 和DC開(kāi)關(guān)性能、可靠性及小型化實(shí)現了跨越式發(fā)展，ADGM1304和具有開(kāi)創(chuàng )性的增強型ESD保護性能的ADGM1004 RF MEMS開(kāi)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(lái)的十分之一，未來(lái)將在航空航天和防務(wù)、醫療保健以及通信基礎設施設備等行業(yè)內逐步取代繼電器。

 

 

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