【導(dǎo)讀】傳統(tǒng)機(jī)電繼電器 (Electromechanical Relay, EMR) 從發(fā)明至今已有上百年歷史，一直被廣泛使用， 直至微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)開關(guān)技術(shù)在近幾十年之快速發(fā)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(shù)百GHz信號等特性，MEMS開關(guān)在射頻測試儀器、儀表和射頻開關(guān)應(yīng)用上，成為出色的可替代器件，并改變著電子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式。
不少公司試圖開發(fā)MEMS開關(guān)技術(shù)，不過都同樣面臨著大規(guī)模生產(chǎn)并大批量提供可靠產(chǎn)品的挑戰(zhàn) 。其中ADI公司積極投入MEMS開關(guān)項(xiàng)目，并建設(shè)了自有先進(jìn)的MEMS開關(guān)制造設(shè)施，以滿足業(yè)界對于量產(chǎn)的需求。
基本原理
ADI MEMS開關(guān)技術(shù)的關(guān)鍵是靜電驅(qū)動(dòng)的微加工懸臂梁開關(guān)組件概念。本質(zhì)上可以將它視作微米尺度的機(jī)械開關(guān)，其金屬對金屬觸點(diǎn)通過靜電驅(qū)動(dòng)。
開關(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。下圖是開關(guān)的簡化示意圖，情況A表示開關(guān)處于斷開位置。
將一個(gè)直流電壓施加于柵極時(shí)，開關(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(fù)帶電板之間的吸引力是相同的。當(dāng)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）來克服開關(guān)梁的彈簧阻力，開關(guān)梁開始向下移動(dòng)，直至觸點(diǎn)接觸漏極。過程如下圖情況B所示。
這時(shí)，源極和漏極之間的電路閉合，開關(guān)接通。拉下開關(guān)梁所需的實(shí)際力大小與懸臂梁的彈簧常數(shù)及其對運(yùn)動(dòng)的阻力有關(guān)。注意：即使在接通位置，開關(guān)梁仍有上拉開關(guān)的彈簧力（藍(lán)色箭頭），但只要下拉靜電力（紅色箭頭）更大，開關(guān)就會(huì)保持接通狀態(tài)。
最后，當(dāng)移除柵極電壓時(shí)（下圖情況C），即柵極電極上為0V時(shí)，靜電吸引力消失，開關(guān)梁作為彈簧具有足夠大的恢復(fù)力（藍(lán)色箭頭）來斷開源極和漏極之間的連接，然后回到原始關(guān)斷位置。
下圖1為采用單刀四擲 (ST4T) 多路復(fù)用器配置的四個(gè)MEMS開關(guān)的放大圖。每個(gè)開關(guān)梁有五個(gè)并聯(lián)阻性觸點(diǎn)，用以降低開關(guān)閉合時(shí)的電阻并提高功率處理能力。
圖1 ，四個(gè)MEMS懸臂式開關(guān)梁（SP4T配置）
MEMS開關(guān)需要高直流驅(qū)動(dòng)電壓來以靜電力驅(qū)動(dòng)開關(guān)。為使器件盡可能容易使用并進(jìn)一步保障性能，ADI公司設(shè)計(jì)了配套驅(qū)動(dòng)器集成電路（IC）來產(chǎn)生高直流電壓，其與MEMS開關(guān)共同封裝于QFN規(guī)格尺寸中。此外，所產(chǎn)生的高驅(qū)動(dòng)電壓以受控方式施加于開關(guān)的柵極電極。它以微秒級時(shí)間斜升至高電壓。斜升有助于控制開關(guān)梁的吸引和下拉，改善開關(guān)的動(dòng)作性能、可靠性和使用壽命。下圖2顯示了一個(gè)QFN封裝中的驅(qū)動(dòng)器IC和MEMS芯片實(shí)例。驅(qū)動(dòng)器IC僅需要一個(gè)低電壓、低電流電源，可與標(biāo)準(zhǔn)CMOS邏輯驅(qū)動(dòng)電壓兼容。這種一同封裝的驅(qū)動(dòng)器使得開關(guān)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(nèi)。
圖2，驅(qū)動(dòng)器IC（左）和MEMS開關(guān)芯片（右）安裝并線焊在金屬引線框架上
性能優(yōu)勢
以ADGM1004/ADGM1304 SP4T 系列為例，其各項(xiàng)參數(shù)與傳統(tǒng)機(jī)電繼電器比較 (圖3) 有著不少明顯優(yōu)勢。
圖3， ADGM1004/ ADGM1304 MEMS與傳統(tǒng)機(jī)電繼電器比較
ADGM1004/ADGM1304 SP4T 同時(shí)含整合式驅(qū)動(dòng)器，適用于繼電器替代品、RF 測試儀器，以及 RF 切換。產(chǎn)品規(guī)格詳情及相關(guān)評估板EVAL-ADGM1004EBZ可瀏覽Digi-Key 產(chǎn)品專頁。
應(yīng)用示例
過去，要在ATE測試設(shè)備中實(shí)現(xiàn)dc/RF開關(guān)功能，必須使用EMR開關(guān)。但是，由于存在以下問題，使用繼電器可能會(huì)限制系統(tǒng)性能：
繼電器開關(guān)的尺寸較大，必須遵守“禁區(qū)”設(shè)計(jì)規(guī)則，這意味著它要占用很大面積，缺乏測試可擴(kuò)展性。
繼電器開關(guān)的使用壽命有限，僅為數(shù)百萬個(gè)周期。
必須級聯(lián)多個(gè)繼電器，才能實(shí)現(xiàn)需要的開關(guān)配置（例如，SP4T配置需要三個(gè)SPDT繼電器）。
使用繼電器時(shí)，可能遇到PCB組裝問題，通常導(dǎo)致很高的PCB返工率。
由于布線限制和繼電器性能限制，實(shí)現(xiàn)全帶寬性能可能非常困難。
繼電器驅(qū)動(dòng)速度緩慢，為毫秒級的時(shí)間量級，從而限制了測試速度。
以典型的dc/RF開關(guān)扇出16:1多路復(fù)用功能為例 (圖4)，需要九個(gè)DPDT EMR繼電器和一個(gè)繼電器驅(qū)動(dòng)器IC，來實(shí)現(xiàn)18:1多路復(fù)用功能（八個(gè)DPDT繼電器只能產(chǎn)生14:1多路復(fù)用功能）。圖5中，顯示了相同的扇出開關(guān)功能，僅使用五個(gè)ADGM1304或ADGM1004SP4T MEMS開關(guān)，因而得以簡化。
圖6中顯示了實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)原理圖的視覺演示PCB的照片。左側(cè)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(qū)動(dòng)器IC的需求。從右側(cè)則可看出，占用PCB面積減小，開關(guān)功能的布線復(fù)雜性降低。按面積計(jì)算，MEMS開關(guān)使占用面積減少68%以上，按體積計(jì)算，則可能減少95%以上。
ADGM1304 和ADGM1004 MEMS開關(guān)內(nèi)置低電壓、可獨(dú)立控制的開關(guān)驅(qū)動(dòng)器；因此，它們不需要外部驅(qū)動(dòng)器IC。由于MEMS開關(guān)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(guān)可以安裝PCB的反面。較小的封裝高度增大了可實(shí)現(xiàn)的信道密度。
圖6. DC/RF扇出測試板的視覺比較：實(shí)現(xiàn)16:1多路復(fù)用功能，使用九個(gè)EMR開關(guān)（左黃）和五個(gè)MEMS開關(guān)（右紅）
本文小結(jié)
最后，小尺寸解決方案通常對于任何市場都是一項(xiàng)關(guān)鍵要求。MEMS在這方面具有令人信服的優(yōu)勢。下圖7以實(shí)物照片比較了封裝后的ADI SP4T（四開關(guān)）MEMS開關(guān)設(shè)計(jì)和典型DPDT（四開關(guān)）機(jī)電繼電器的尺寸。MEMS開關(guān)節(jié)省了大量空間，其體積僅相當(dāng)于繼電器的5%。這種超小尺寸顯著節(jié)省了PCB板面積，增加PCB板的雙面開發(fā)之可能。這一優(yōu)勢對于迫切需要提高信道密度的自動(dòng)測試設(shè)備制造商特別有價(jià)值。
圖7，ADI引線框芯片級封裝MEMS開關(guān)（四開關(guān)）與典型機(jī)電式RF繼電器（四開關(guān)）的尺寸比較
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