【導讀】近日，有媒體報道稱，進入21世紀后，MEMS開關技術在經過長時間且動蕩的技術開發之后，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公司在四年前開創的，目前已經在自動測試設備、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模生產來大批量提供可靠產品的挑戰，讓許多試圖開發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原理與相較傳統開關的諸多優勢。
創新微機械結構跨入MEMS開關商業化門檻
據相關文獻資料顯示，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定；直到20世紀90年代，隨著MEMS加工技術發展，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公司終于開發出一種MEMS開關設計，并根據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。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板上能夠實現的功能和通道數。得益于創造性設計思路，ADI 的MEMS開關既具備了EMR的優點，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 技術的物理尺寸優勢之外，MEMS 開關的電氣和機械性能也具有很大優勢。下表顯示ADGM1304和ADGM1004器件的一些關鍵規格，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
自硅晶體管發明以來，已有近70多年的歷史，而機電繼電器發明已有185年以上的歷史，這些傳統技術的主要缺點會限制許多終端產品和系統的性能。與傳統機電繼電器相比，ADI 的MEMS開關技術使RF 和DC開關性能、可靠性及小型化實現了跨越式發展，ADGM1304和具有開創性的增強型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、醫療保健以及通信基礎設施設備等行業內逐步取代繼電器。
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