彻底颠覆机电继电器，MEMS开关告诉你怎样实现这一切？

过去30年来，MEMS开关一直被认为是性能有限的机电继电器的出色替代器件，因为它易于使用，尺寸很小，能够以极小的损耗可靠地传送0 Hz/dc至数百GHz信号，有望彻底改变电子系统的实现方式。这种性能优势会对大量不同的设备和应用产生重要影响。在MEMS开关技术的帮助下，很多领域都将达到前所未有的性能水准和尺寸规格，包括电气测试与测量系统、防务系统应用、医疗保健设备。

与继电器相比，MEMS技术一直就有实现最高水平RF开关性能的潜力，其可靠性要高出好几个数量级，而且尺寸很小。但是，难以通过大规模生产来大批量提供可靠产品的挑战，让许多试图开发MEMS开关技术的公司停滞不前。Foxboro Company是最早开始MEMS开关研究的公司之一，其于1984年申请了世界最早的机电开关专利之一。

ADI自1990年开始通过一些学术项目涉足MEMS开关技术研究。到1998年，ADI终于开发出一种MEMS开关设计，并根据该设计制作了一些早期原型产品。2011年，ADI大幅增加了MEMS开关项目投入，从而推动了自有先进MEMS开关制造设施的建设。现在，ADI已能够满足业界一直以来的需求：量产、可靠、高性能、小尺寸的MEMS开关取代衰老的继电器技术。

图1. ADI MEMS开关技术

ADI与MEMS技术有着深厚的历史渊源。世界上第一款成功开发、制造并商用的MEMS加速度计是ADI于1991年发布的ADXL50加速度计。ADI于2002年发布第一款集成式MEMS陀螺仪ADXRS150，以此为开端，ADI建立了庞大的MEMS产品业务和无可匹敌的高可靠性、高性能MEMS产品制造商声誉。ADI已为汽车、工业和消费电子应用交付了逾10亿只惯性传感器。正是这种优良传统所带来的经验和信念将MEMS开关技术变为现实。

MEMS开关基本原理

ADI MEMS开关技术的关键是静电驱动的微加工悬臂梁开关元件概念。本质上可以将它视作微米尺度的机械开关，其金属对金属触点通过静电驱动。

开关采用三端子配置进行连接。功能上可以将这些端子视为源极、栅极和漏极。图2是开关的简化示意图，情况A表示开关处于断开位置。将一个直流电压施加于栅极时，开关梁上就会产生一个静电下拉力。这种静电力与平行板电容的正负带电板之间的吸引力是相同的。当栅极电压斜升至足够高的值时，它会产生足够大的吸引力（红色箭头）来克服开关梁的弹簧阻力，开关梁开始向下移动，直至触点接触漏极。

图2. MEMS开关动作过程，A和C表示开关关断，B表示开关接通

该过程如图2中的情况B所示。因此，源极和漏极之间的电路闭合，开关现已接通。拉下开关梁所需的实际力大小与悬臂梁的弹簧常数及其对运动的阻力有关。注意：即使在接通位置，开关梁仍有上拉开关的弹簧力（蓝色箭头），但只要下拉静电力（红色箭头）更大，开关就会保持接通状态。最后，当移除栅极电压时（图2中的情况C），即栅极电极上为0 V时，静电吸引力消失，开关梁作为弹簧具有足够大的恢复力（蓝色箭头）来断开源极和漏极之间的连接，然后回到原始关断位置。

图3显示了利用MEMS技术制造开关的四个主要步骤。开关建构在一个高电阻率硅晶圆(1)上，晶圆上面沉积一层很厚的电介质，以便提供与下方衬底的优良电气隔离。利用标准后端CMOS互连工艺实现到MEMS开关的互连。低电阻率金属和多晶硅用于形成到MEMS开关的电气连接，并且嵌入到电介质层(2)中。标示为红色的金属过孔(2)用于提供到开关输入、输出和栅极电极的连接，以及焊芯片上其他位置的引线焊盘的连接。悬臂式MEMS开关本身利用牺牲层进行表面微加工，在悬臂梁下方产生气隙。悬臂式开关梁结构和焊盘(3)利用金形成。开关触点和栅极电极由低电阻率金属薄膜沉积在电介质表面而形成。

图3. MEMS开关制造概览

引线焊盘也是利用上述步骤制成。利用金线焊接将MEMS芯片连接到一个金属引线框，然后封装到塑料四方扁平无引线(QFN)封装中以便能轻松表贴在PCB上。芯片并不局限于任何一种封装技术。这是因为一个高电阻率硅帽(4)被焊接到MEMS芯片，在MEMS开关器件周围形成一个气密保护外壳。无论使用何种外部封装技术，这种气密外壳都能提高开关的环境鲁棒性和使用寿命。

图4为采用单刀四掷(ST4T)多路复用器配置的四个MEMS开关的放大图。每个开关梁有五个并联阻性触点，用以降低开关闭合时的电阻并提高功率处理能力。

图4. 特写图显示了四个MEMS悬臂式开关梁（SP4T配置）

如开头所述，MEMS开关需要高直流驱动电压来以静电力驱动开关。为使器件尽可能容易使用并进一步保障性能，ADI设计了配套驱动器集成电路(IC)来产