革機電繼電器的命，MEMS開關是如何做到的？

過去30年來，MEMS開關一直被認為是性能有限的機電繼電器的出色替代器件，因為它易於使用，尺寸很小，能夠以極小的損耗可靠地傳送0 Hz/dc至數百GHz信號，有望徹底改變電子系統的實現方式。這種性能優勢會對大量不同的設備和應用產生重要影響。在MEMS開關技術的幫助下，很多領域都將達到前所未有的性能水準和尺寸規格，包括電氣測試與測量系統、防務系統應用、醫療保健設備。

與繼電器相比，MEMS技術一直就有實現最高水平RF開關性能的潛力，其可靠性要高出好幾個數量級，而且尺寸很小。但是，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。Foxboro Company是最早開始MEMS開關研究的公司之一，其於1984年申請了世界最早的機電開關專利之一。

ADI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終於開發出一種MEMS開關設計，並根據該設計製作了一些早期原型產品。2011年，ADI大幅增加了MEMS開關項目投入，從而推動了自有先進MEMS開關製造設施的建設。現在，ADI已能夠滿足業界一直以來的需求：量產、可靠、高性能、小尺寸的MEMS開關取代衰老的繼電器技術。

圖1. ADI MEMS開關技術

ADI與MEMS技術有著深厚的歷史淵源。世界上第一款成功開發、製造並商用的MEMS加速度計是ADI於1991年發布的ADXL50加速度計。ADI於2002年發布第一款集成式MEMS陀螺儀ADXRS150，以此為開端，ADI建立了龐大的MEMS產品業務和無可匹敵的高可靠性、高性能MEMS產品製造商聲譽。ADI已為汽車、工業和消費電子應用交付了逾10億隻慣性感測器。正是這種優良傳統所帶來的經驗和信念將MEMS開關技術變為現實。

MEMS開關基本原理

ADI MEMS開關技術的關鍵是靜電驅動的微加工懸臂樑開關元件概念。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。

開關採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。圖2是開關的簡化示意圖，情況A表示開關處於斷開位置。將一個直流電壓施加於柵極時，開關樑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。

圖2. MEMS開關動作過程，A和C表示開關關斷，B表示開關接通

該過程如圖2中的情況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樑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。最後，當移除柵極電壓時（圖2中的情況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，然後回到原始關斷位置。

圖3顯示了利用MEMS技術製造開關的四個主要步驟。開關建構在一個高電阻率硅晶圓(1)上，晶圓上面沉積一層很厚的電介質，以便提供與下方襯底的優良電氣隔離。利用標準後端CMOS互連工藝實現到MEMS開關的互連。低電阻率金屬和多晶硅用於形成到MEMS開關的電氣連接，並且嵌入到電介質層(2)中。標示為紅色的金屬過孔(2)用於提供到開關輸入、輸出和柵極電極的連接，以及焊晶元上其他位置的引線焊盤的連接。懸臂式MEMS開關本身利用犧牲層進行表面微加工，在懸臂樑下方產生氣隙。懸臂式開關梁結構和焊盤(3)利用金形成。開關觸點和柵極電極由低電阻率金屬薄膜沉積在電介質表面而形成。

圖3. MEMS開關製造概覽

引線焊盤也是利用上述步驟製成。利用金線焊接將MEMS晶元連接到一個金屬引線框，然後封裝到塑料四方扁平無引線(QFN)封裝中以便能輕鬆表貼在PCB上。晶元並不局限於任何一種封裝技術。這是因為一個高電阻率硅帽(4)被焊接到MEMS晶元，在MEMS開關器件周圍形成一個氣密保護外殼。無論使用何種外部封裝技術，這種氣密外殼都能提高開關的環境魯棒性和使用壽命。

圖4為採用單刀四擲(ST4T)多路復用器配置的四個MEMS開關的放大圖。每個開關梁有五個並聯阻性觸點，用以降低開關閉合時的電阻並提高功率處理能力。

圖4. 特寫圖顯示了四個MEMS懸臂式開關梁（SP4T配置）

如開頭所述，MEMS開關需要高直流驅動電壓來以靜電力驅動開關。為使器件儘可能容易使用並進一步保障性能，ADI設計了配套驅動器集成電路(IC)來產生高直流電壓，其與MEMS開關共同封裝於QFN規格尺寸中。此外，所產生的高驅動電壓以受控方式施加於開關的柵極電極。它以微秒級時間斜升至高電壓。斜升有助於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。

圖5顯示了一個QFN封裝中的驅動器IC和MEMS晶元實例。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，並且其功耗要求非常低，大約在10 mW到20 mW範圍內。

圖5. 驅動器IC（左）和MEMS開關晶元（右）安裝併線焊在金屬引線框架上

可靠性

可靠性如何是所有新技術的主要「教義」之一，ADI對此極為關注。新型MEMS技術製造工藝是支持開發機械魯棒、高性能開關設計的基礎。它與氣密性硅帽工藝相結合，是實現真正可靠的長壽命MEMS開關的關鍵。為將MEMS開關成功商業化，需要進行大量針對MEMS開關的特定可靠性測試，例如開關循環、壽命測試、機械衝擊測試等。除了這種認證之外，為保證達到儘可能高的質量水準，還利用全部標準IC可靠性測試對器件進行了質量認證。表1是已進行的環境和機械測試總結。

表1. MEMS開關技術認證測試

在RF儀器儀錶應用中，開關動作壽命長至關重要。相比於機電繼電器，MEMS技術的循環壽命高出一個數量級。85°C時的高溫工作壽命(HTOL I)測試和早期壽命故障(ELF)認證測試，嚴格保證了器件的循環壽命。

持續導通壽命(COL)性能是MEMS開關技術的另一個重要參數。例如，RF儀器儀錶開關使用情況各異，某個開關可能長期保持接通狀態。ADI已知曉這種情況，並竭力讓MEMS開關技術實現出色的COL性能以降低壽命風險。通過深入開發，COL性能已從最初的50°C下7年（平均失效前時間）提升到業界領先的85°C下10年。

MEMS開關技術經歷了全面的機械魯棒性認證測試。表1中共有5項測試用於確保MEMS開關的機械耐久性。MEMS開關元件的尺寸和慣性更小，因此它的可靠性能比機電繼電器有顯著提高。

無與倫比的性能優勢

MEMS開關的關鍵優勢是它在一個非常小的表貼封裝中實現了0 Hz/dc精密性能、寬頻RF性能以及比繼電器優越得多的可靠性。

任何開關技術最重要的品質因數之一是單個開關的導通電阻與關斷電容的乘積。它通常被稱為RonCoff乘積，單位為飛秒(fs)。當RonCoff降低時，開關的插入損耗也會降低，關斷隔離性能隨之提高。

採用ADI MEMS開關技術的單個開關單元的RonCoff乘積小於8，這保證了該技術是實現世界一流開關性能的不二選擇。

利用這一根本優勢和精心設計，便可達到優異的RF性能水平。圖6顯示了一款QFN封裝、單刀雙擲(SPDT) MEMS原型開關的實測插入損耗和關斷隔離性能。26.5 GHz時的插入損耗僅為1 dB，QFN封裝實現了32 GHz以上的帶寬。

圖6. SPDT MEMS開關性能，QFN封裝

圖7顯示了在一款單刀雙擲(SPST) MEMS原型開關管芯上利用探針測量測得的插入損耗和關斷隔離性能的寬頻掃描結果。40 GHz時的插入損耗為1 dB，關斷隔離約為-30 dB。

圖7. SPST MEMS開關性能，片上探針測量

此外，MEMS開關設計固有的超高性能表現在如下方面：

• 精密直流性能：已實現<2 ? R ON、0.5 nA關斷漏電流、-110 dBc總諧波失真(THD + N)的精密性能，並且有能力通過梁和襯底優化全面提高性能水平。

• 線性度性能：輸入信號音為27 dBm時，三階交調截點(IP3)超過69 dBm。在全部工作頻段上有提高到75 dBm以上的潛力。

• 動作壽命：保證至少10億次動作循環。這遠遠超過了當今市場上的任何機械繼電器，後者的額定循環次數通常少於1000萬次。

• 功率處理(RF/dc)：已在全部工作頻段上測試了40 dBm以上的功率，在較低或較高頻率時性能不下降。對於直流信號，該開關技術允許200 mA以上的電流通過。

最後，無論什麼市場，小尺寸解決方案通常都是一項關鍵要求。MEMS在這方面同樣具有令人信服的優勢。圖8利用實物照片比較了封裝後的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，其體積僅相當於繼電器的5%。這種超小尺寸顯著節省了PCB板面積，尤其是它使得PCB板的雙面開發利用成為可能。這一優勢對於迫切需要提高通道密度的自動測試設備製造商特別有價值。

圖8. ADI引線框晶元級封裝MEMS開關（四開關）與典型機電式RF繼電器（四開關）的尺寸比較

ADI開發的MEMS開關技術使開關性能和尺寸縮減實現了大跨越。同類最佳的0 Hz/dc至Ka波段及以上的性能、比繼電器高出若干數量級的循環壽命、出色的線性度、超低功耗要求以及晶元級封裝，使該MEMS開關技術成為ADI開關產品的革命性新突破。

關於電子創新網

電子創新網及時發布有關創新設計的最新全球半導體產業信息、半導體供應商最新動態、展會研討會信息、技術趨勢信息以及人物訪談等相關新聞，關注公眾號獲取更多資訊。

掃描二維碼，關注更多精彩

【推介】以「新互聯、新智造、新未來」為主題的2017第三屆中國（廣東）國際「互聯網+」博覽會定於今年10月12-15日在廣東（潭洲）國際會展中心舉行，將設立智能製造、互聯網+前沿技術、智慧城市、互聯網+金融、電子商務、創新創業和智能家居生活七大主題展區，並全力引進虛擬現實和無人機板塊，加大國際企業參與度。預計吸引展商650家，展出規模45,000平方米。展品範圍包括：工業機器人及自動化、「互聯網+」應用成果、人工智慧、雲計算、大數據、物聯網、可見光通信、智慧政務解決方案與成果、網路銀行、電商平台、創客空間、智能家居等。同期還將配套舉辦開幕式及包括2017年中國機器人及人工智慧大賽、第七屆中國智能產業高峰論壇等在內的一系列專業高端活動、新產品趨勢發布和企業對接會等。歡迎報名參會！

點擊閱讀原文鏈接可以了解展會詳情

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！