【導讀】近日，有媒體報道稱，進入21世紀后，MEMS開關技術在經(jīng)過長時間且動蕩的技術開發(fā)之后，終于有望走向手機應用。值得一提的是，這項“有望走入手機”的產品的真正商用化是ADI公司在四年前開創(chuàng)的，目前已經(jīng)在自動測試設備、測試儀器儀表和高性能RF開關等領域獲得應用。
而在過去30年，MEMS開關盡管因易于使用、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，但因為難以通過大規(guī)模生產來大批量提供可靠產品的挑戰(zhàn)，讓許多試圖開發(fā)MEMS開關技術的公司停滯不前。在MEMSRF開關在手機等終端應用中普及前，本文以ADI 高性能MEMS開關器件為例，詳細解讀其基本實現(xiàn)原理與相較傳統(tǒng)開關的諸多優(yōu)勢。
創(chuàng)新微機械結構跨入MEMS開關商業(yè)化門檻
據(jù)相關文獻資料顯示，世界上第一個MEMS開關是由美國IBM的K.E.Peterson研制成功的，受當時MEMS加工工藝的限制，該開關的性能并不穩(wěn)定；直到20世紀90年代，隨著MEMS加工技術發(fā)展，MEMS開關才取得了跨越式的進步：如1991年Larson制作的旋轉式MEMS開關，1996年Goldsmith等人研制出一種低驅動電壓電容式MEMS開關，1998年Pachero設計的螺旋型懸臂式MEMS開關結構等，以上各類開關不同性能都在一定程度上有所提升。
ADI公司自1990年開始通過一些學術項目涉足MEMS開關技術研究，到1998年，ADI公司終于開發(fā)出一種MEMS開關設計，并根據(jù)該設計制作了一些早期原型產品。2011年，ADI公司大幅增加了MEMS開關項目投入，從而推動了自有先進MEMS開關制造設施的建設。直到2016年，ADI公司已能量產出可靠、高性能、小尺寸的MEMS開關以取代過時的繼電器技術。ADI MEMS開關技術的關鍵是靜電驅動的微機械加工黃金懸臂梁開關元件概念，可以將MEMS開關視作微米尺度的機械繼電器，其金屬對金屬觸點通過高壓直流靜電驅動。下圖顯示了單個MEMS開關懸臂的特寫圖，其中可看到并聯(lián)的五個觸點和具有下面有空隙的鉸鏈結構。
MEMS懸臂開關梁特寫
開關采用三端子配置進行連接。功能上可以將這些端子視為源極、柵極和漏極。下圖是開關的簡化示意圖，情況A表示開關處于斷開位置。將一個直流電壓施加于柵極時，開關梁上就會產生一個靜電下拉力。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，它會產生足夠大的吸引力（紅色箭頭）來克服開關梁的彈簧阻力，開關梁開始向下移動，直至觸點接觸漏極。該過程如情況B所示。因此，源極和漏極之間的電路閉合，開關現(xiàn)已接通。拉下開關梁所需的實際力大小與懸臂梁的彈簧常數(shù)及其對運動的阻力有關。注意：即使在接通位置，開關梁仍有上拉開關的彈簧力（藍色箭頭），但只要下拉靜電力（紅色箭頭）更大，開關就會保持接通狀態(tài)。最后，當移除柵極電壓時（情況C），即柵極電極上為0 V時，靜電吸引力消失，開關梁作為彈簧具有足夠大的恢復力（藍色箭頭）來斷開源極和漏極之間的連接，然后回到原始關斷位置。
MEMS開關動作過程，A和C表示開關關斷，B表示開關接通
這一開關設計用于ADGM1304單刀四擲 (SP4T) MEMS開關和具有增強型ESD保護性能的ADGM1004SP4T開關。此外，ADI還設計了一個配套驅動器集成電路，以產生驅動開關所需的高直流電壓，保證快速可靠的驅動和長使用壽命，并使器件易于使用。下圖顯示了采用超小型SMD QFN封裝的MEMS芯片和驅動器IC。被封裝在一起的驅動器功耗非常低——典型值為10 mW，比RF繼電器的典型驅動器要求低10倍。
ADGM1004增強型ESD保護MEMS開關
超高性能、高可靠性致勝MEMS開關商業(yè)化
眾所知周，在測試儀器儀表中，開關尺寸非常重要，可決定在測試設備儀器電路板或待測器件接口TIU板上能夠實現(xiàn)的功能和通道數(shù)。得益于創(chuàng)造性設計思路，ADI 的MEMS開關既具備了EMR的優(yōu)點，同時尺寸大幅縮小，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，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（四開關）與典型機電式RF繼電器（四開關）的比較
高帶寬是驅動開關進入新應用領域的關鍵，除了 MEMS 技術的物理尺寸優(yōu)勢之外，MEMS 開關的電氣和機械性能也具有很大優(yōu)勢。下表顯示ADGM1304和ADGM1004器件的一些關鍵規(guī)格，與典型的更高頻率單刀擲 (SPDT) 8 GHz EMR 進行比較，ADGM1304和ADGM1004器件具有出色的帶寬、插入損耗和切換時間，使用壽命為10億個周期。
低功耗、低電壓、集成電源的驅動器是 MEMS 開關的另外幾大關鍵優(yōu)勢。ADGM1304和ADGM1004 MEMS開關內置低電壓、可獨立控制的開關驅動器，它們不需要外部驅動器 IC。由于MEMS開關封裝的高度較小（ADGM1304的封裝高度為 0.95 mm，ADGM1004的封裝高度為1.45 mm），因此開關可以安裝在PCB的反面，較小的封裝高度增大了可實現(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，電場感應器件充電模型（FICDM）的 ESD 額定值為 1.25 kV，從而進一步增強了易用性。
本文小結
自硅晶體管發(fā)明以來，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(tǒng)技術的主要缺點會限制許多終端產品和系統(tǒng)的性能。與傳統(tǒng)機電繼電器相比，ADI 的MEMS開關技術使RF 和DC開關性能、可靠性及小型化實現(xiàn)了跨越式發(fā)展，ADGM1304和具有開創(chuàng)性的增強型ESD保護性能的ADGM1004 RF MEMS開關的體積縮小了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、醫(yī)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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