ADI MEMS开关技术详解

在过去的30年间，MEMS开关被一致认为是性能有限的机电式继电器的优越取代品。 透过易于使用、能够以损失最小的情况下，可靠的进行从0 Hz/dc至数百GHz路由的小型开关，因而彻底改变了电子系统实现的方法。

此性能上的优势会对大量设备类型与应用范围造成冲击。 透过MEMS开关技术，让电子量测系统、国防系统应用以及健康照护设备得以在性能与外型上实现以往难以达成的水平。

建立庞大产品事业
现代的开关技术都具有其缺点，因而没有一项技术可以成为理想的解决方案。 继电器的缺点包含了狭窄带宽、有限的致动寿命、有限的信道数量以及大型的包装尺寸。 相较于继电器，MEMS技术一直都具有提供世界级RF开关性能的潜力，以及在小巧外型中实现可靠度的数量级提升。

许多尝试开发MEMS开关技术的公司都是已经有可靠的产品量产时投入，却因这个挑战受到阻碍。 首先跨入MEMS开关研究的公司之一就是Foxboro公司，在1984年就提交了世界第一个机电式MEMS开关专利。 ADI从1990年开始就已经以早期学术项目跨入了MEMES开关技术的研究；在1998年时，ADI就已经开发出导向早期原型的MEMS开关设计；而在2011年时，ADI对于其MEMS开关计划做了大幅的投资，由此带动了ADI自身最先进MEMS开关制造设施的建构。

现在，ADI已经有能力提供业界所需「可量产」、「高可靠」、「高性能」、「小巧外型」的MEMS开关，藉以取代已经过时的继电器技术。

ADI在MEMS方面拥有丰富的经历。 ADI首款成功的开发、生产以及在全球商业化的MEMS加速度计产品是在1991年发表的ADXL50加速度计；ADI在2002年发表首款整合式MEMS陀螺仪-ADXRS150。 以此为起始，ADI建立了庞大的MEMS产品事业以及无与伦比的声誉，能够生产出可靠、高性能的MEMS产品。 ADI已经生产了超过十亿个使用于汽车、工业与消费性应用装置的惯性传感器。 正是如此的血统带来了经验与信任，驱动MEMS开关技术的实现。

MEMS开关的基础
ADI的MEMS开关技术的核心就是静电致动，悬臂梁开关组件的概念。 在本质上，它可以被视为是微米级机械继电器，具有可以透过静电致动的金属对金属接点。

该开关被链接在三组终端的组态设定当中。 在功能性上，终端可以被视为是源极、闸极、以及汲极等。 图一中所示为A状况之开关的简化图形呈现，显示该开关处于关闭的位置。 当施以dc电压至闸极时，在开关梁会生成静电的下拉力量。

相同的静电下拉力量可以在平行板电容器中看到，具有会彼此相互吸引的正电荷板与负电荷板。 当闸极电压递增到足够高的值，它就会产生出足够的吸引力（红色箭头）来克服开关梁的电阻弹簧力，而开关梁就会开始下移直到接点碰触到汲极。 这个状况显示于图一当中的B状况。 如此就完成了源极与汲极之间的电路，而开关现在是开启的状态。 将开关梁往下拉所需的实际力量与悬臂梁的弹簧常数以及其对于移动的抵抗力有关。

请注意，即便是在开启位置上，开关梁仍然会有将开关往上拉动的弹簧力（蓝色箭头），但是只要向下拉动的静电力量比较大，那么开关就会维持在开启的状态。 最后，当闸极电压被移除时（图一中的C状况），也就是在闸极电极上0 V，静电吸引力也会跟着消失，而开关梁会以具有足够回复力（蓝色箭头）的弹簧而动作，开启源极与汲极之间的链接，然后回返至原本的关闭位置。

图一 : MEMS开关致动程序，A与C代表开关关闭，B代表开启

图二中所示为利用MEMS技术制造开关的四个主要步骤。 该开关是以高电阻率的硅芯片(具有沈积在顶部的厚电介质层以提供与下方基板的优越电气隔离)所建构。 使用了标准的后端CMOS内部链接制程实现与MEMS开关的内部链接。 低电阻率金属与多晶硅都被用来制作与MEMS开关的电气链接，而且都被嵌入至电介质层当中。

以红色标示的金属导孔是用来提供与开关输入、输出的链接，以及提供闸极电极给芯片中任何位置的引线接合焊盘。 悬臂MEMS开关本身就是利用牺牲层予以表面微加工处理，藉以在悬臂梁之下建立空气间隙。 悬臂开关梁结构与接合焊盘都是利用黄金制作的。 开关接点与闸极电极都是利用低电阻的薄金属制成的，沈积在电介质表面上。

图二 : MEMS开关制造的概观

引线接合焊盘也是利用上述的步骤建构的。 黄金引线接合是用来将MEMS芯片链接至金属引线框架，封装至塑料四边扁平无接脚（QFN）芯片当中，使其易于表面黏着于PCB上。 该芯片不会受到任何一种封装技术类型的限制。 这是因为有高电阻率硅帽接合至MEMS芯片，在MEMS开关组件外围形成了密封保护外壳。 以此方式将开关密