發布日期：2022-04-17 點擊率：108
【導讀】傳統機電繼電器 (Electromechanical Relay, EMR) 從發明至今已有上百年歷史，一直被廣泛使用， 直至微機電系統(MEMS)開關技術在近幾十年之快速發展，憑借其易于使用、尺寸小、可以極小的損耗可靠地傳送0Hz/dc至數百GHz信號等特性，MEMS開關在射頻測試儀器、儀表和射頻開關應用上，成為出色的可替代器件，并改變著電子系統的實現方式。
不少公司試圖開發MEMS開關技術，不過都同樣面臨著大規模生產并大批量提供可靠產品的挑戰 。其中ADI公司積極投入MEMS開關項目，并建設了自有先進的MEMS開關制造設施，以滿足業界對于量產的需求。
基本原理
ADI MEMS開關技術的關鍵是靜電驅動的微加工懸臂梁開關組件概念。本質上可以將它視作微米尺度的機械開關，其金屬對金屬觸點通過靜電驅動。
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。過程如下圖情況B所示。
這時，源極和漏極之間的電路閉合，開關接通。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（下圖情況C），即柵極電極上為0V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。
下圖1為采用單刀四擲 (ST4T) 多路復用器配置的四個MEMS開關的放大圖。每個開關梁有五個并聯阻性觸點，用以降低開關閉合時的電阻并提高功率處理能力。
圖1 ，四個MEMS懸臂式開關梁（SP4T配置）
MEMS開關需要高直流驅動電壓來以靜電力驅動開關。為使器件盡可能容易使用并進一步保障性能，ADI公司設計了配套驅動器集成電路（IC）來產生高直流電壓，其與MEMS開關共同封裝于QFN規格尺寸中。此外，所產生的高驅動電壓以受控方式施加于開關的柵極電極。它以微秒級時間斜升至高電壓。斜升有助于控制開關梁的吸引和下拉，改善開關的動作性能、可靠性和使用壽命。下圖2顯示了一個QFN封裝中的驅動器IC和MEMS芯片實例。驅動器IC僅需要一個低電壓、低電流電源，可與標準CMOS邏輯驅動電壓兼容。這種一同封裝的驅動器使得開關非常容易使用，并且其功耗要求非常低，大約在10mW到20mW范圍內。
圖2，驅動器IC（左）和MEMS開關芯片（右）安裝并線焊在金屬引線框架上
性能優勢
以ADGM1004/ADGM1304 SP4T 系列為例，其各項參數與傳統機電繼電器比較 (圖3) 有著不少明顯優勢。
圖3， ADGM1004/ ADGM1304 MEMS與傳統機電繼電器比較
ADGM1004/ADGM1304 SP4T 同時含整合式驅動器，適用于繼電器替代品、RF 測試儀器，以及 RF 切換。產品規格詳情及相關評估板eval-ADGM1004EBZ可瀏覽Digi-Key 產品專頁。
應用示例
過去，要在ATE測試設備中實現dc/RF開關功能，必須使用EMR開關。但是，由于存在以下問題，使用繼電器可能會限制系統性能：
繼電器開關的尺寸較大，必須遵守“禁區”設計規則，這意味著它要占用很大面積，缺乏測試可擴展性。
繼電器開關的使用壽命有限，僅為數百萬個周期。
必須級聯多個繼電器，才能實現需要的開關配置（例如，SP4T配置需要三個SPDT繼電器）。
使用繼電器時，可能遇到PCB組裝問題，通常導致很高的PCB返工率。
由于布線限制和繼電器性能限制，實現全帶寬性能可能非常困難。
繼電器驅動速度緩慢，為毫秒級的時間量級，從而限制了測試速度。
以典型的dc/RF開關扇出16:1多路復用功能為例 (圖4)，需要九個DPDT EMR繼電器和一個繼電器驅動器IC，來實現18:1多路復用功能（八個DPDT繼電器只能產生14:1多路復用功能）。圖5中，顯示了相同的扇出開關功能，僅使用五個ADGM1304或ADGM1004SP4T MEMS開關，因而得以簡化。
圖6中顯示了實現這兩個原理圖的視覺演示PCB的照片。左側顯示了物理繼電器解決方案，說明了繼電器解決方案占用了多大的面積、保持布線連接之間的對稱如何困難，以及對驅動器IC的需求。從右側則可看出，占用PCB面積減小，開關功能的布線復雜性降低。按面積計算，MEMS開關使占用面積減少68%以上，按體積計算，則可能減少95%以上。
ADGM1304 和ADGM1004 MEMS開關內置低電壓、可獨立控制的開關驅動器；因此，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0.95mm，ADGM1004的封裝高度為1.45mm），因此開關可以安裝PCB的反面。較小的封裝高度增大了可實現的信道密度。
圖6. DC/RF扇出測試板的視覺比較：實現16:1多路復用功能，使用九個EMR開關（左黃）和五個MEMS開關（右紅）
本文小結
最后，小尺寸解決方案通常對于任何市場都是一項關鍵要求。MEMS在這方面具有令人信服的優勢。下圖7以實物照片比較了封裝后的ADI SP4T（四開關）MEMS開關設計和典型DPDT（四開關）機電繼電器的尺寸。MEMS開關節省了大量空間，其體積僅相當于繼電器的5%。這種超小尺寸顯著節省了PCB板面積，增加PCB板的雙面開發之可能。這一優勢對于迫切需要提高信道密度的自動測試設備制造商特別有價值。
圖7，ADI引線框芯片級封裝MEMS開關（四開關）與典型機電式RF繼電器（四開關）的尺寸比較
推薦閱讀：
只需7步，秒懂MOS管選型
MEMS氣體傳感器的設計與工藝
電感知識：參數、線圈、作用、與磁珠的聯系與區別、計算公式、注意事項
無刷電機IPM模塊存在哪些問題？高效逆變器驅動IC將取而代之？
雷電對流量傳感器的影響及應對措施
下一篇： PLC、DCS、FCS三大控
上一篇： 半橋諧振LLC+CoolMOS
