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1、机电继电器的终结者！深扒MEMS开关技术EEWorld导语：传统机电继电器(ElectromechanicalRelay,EMR)从创造至今已有上百年度历史，一直被广泛使用，直至微机电系统(MEMS)开关技术在近几十年度之快速开展，凭借其易于使用、尺寸小、可以极小的损耗可靠地传送0Hz/dc至数百GHz信号等特性，MEMS开关在射频测试仪器、仪表和射频开关应用上，成为出色的可替代器件，并改变着电子系统的实现方式。传统机电继电器(ElectromechanicalRelay,EMR)从创造至今已有上百年度历史，一直被广泛使用，直至微机电系统(MEMS)开关技术在近几十年度之快速开展，凭借其易于使
2、用、尺寸小、可以极小的损耗可靠地传送0Hz/dc至数百GHz信号等特性，MEMS开关在射频测试仪器、仪表和射频开关应用上，成为出色的可替代器件，并改变着电子系统的实现方式。不少公司试图开发MEMS开关技术，不过都同样面临着大规模消费并大批量提供可靠产品的挑战。其中ADI公司积极投入MEMS开关工程，并建立了自有先进的MEMS开关制造设施，以知足业界对于量产的需求。根本原理ADIMEMS开关技术的关键是静电驱动的微加工悬臂梁开关组件概念。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展连接。功能上可以将这些端子视为源极、栅极和漏极。下列图是开关的简化示意
3、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一样的。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制开关梁的弹簧阻力，开关梁开场向下挪动，直至触点接触漏极。经过如下列图情况B所示。这时，源极和漏极之间的电路闭合，开关接通。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，当移除栅极电压时下列图情况C，即栅极电极上为0V时，静电吸引力消失，开关梁作为弹簧
4、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。下列图1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进步功率处理才能。图1，四个MEMS悬臂式开关梁SP4T配置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公司设计了配套驱动器集成电路IC来产生高直流电压，其与MEMS开关共同封装于QFN规格尺寸中。此外，所产生的高驱动电压以受控方式施加于开关的栅极电极。它以微秒级时间斜升至高电压。斜升有助于控制开关梁的吸引和下拉，改善开关的动作性能、可靠
5、性和使用寿命。下列图2显示了一个QFN封装中的驱动器IC和MEMS芯片实例。驱动器IC仅需要一个低电压、低电流电源，可与标准CMOS逻辑驱动电压兼容。这种一同封装的驱动器使得开关非常容易使用，并且其功耗要求非常低，大约在10mW到20mW范围内。图2，驱动器IC左和MEMS开关芯片右安装并线焊在金属引线框架上性能优势以ADGM1004/ADGM1304SP4T系列为例，其各项参数与传统机电继电器比拟(图3)有着不少明显优势。图3，ADGM1004/ADGM1304MEMS与传统机电继电器比拟ADGM1004/ADGM1304SP4T同時含整合式驱动器，适用于继电器替代品、RF测试仪器，和RF切
6、换。产品规格详情及相关评估板EVAL-ADGM1004EBZ可阅读Digi-Key产品专页。应用例如过去，要在ATE测试设备中实现dc/RF开关功能，必须使用EMR开关。但是，由于存在以下问题，使用继电器可能会限制系统性能：继电器开关的尺寸较大，必须遵守“禁区设计规那么，这意味着它要占用很大面积，缺乏测试可扩展性。继电器开关的使用寿命有限，仅为数百万个周期。必须级联多个继电器，才能实现需要的开关配置例如，SP4T配置需要三个SPDT继电器。使用继电器时，可能遇到PCB组装问题，通常导致很高的PCB返工率。由于布线限制和继电器性能限制，实现全带宽性能可能非常困难。继电器驱动速度缓慢，为毫秒级的时
7、间量级，进而限制了测试速度。以典型的dc/RF开关扇出16:1多路复用功能为例(图4)，需要九个DPDTEMR继电器和一个继电器驱动器IC，来实现18:1多路复用功能八个DPDT继电器只能产生14:1多路复用功能。图5中，显示了一样的扇出开关功能，仅使用五个ADGM1304或者ADGM1004SP4TMEMS开关，因此得以简化。图6中显示了实现这两个原理图的视觉演示PCB的照片。左侧显示了物理继电器解决方案，讲明了继电器解决方案占用了多大的面积、保持布线连接之间的对称怎样困难，和对驱动器IC的需求。从右侧那么可看出，占用PCB面积减小，开关功能的布线复杂性降低。按面积计算，MEMS开关使占用面
8、积减少68%以上，按体积计算，那么可能减少95%以上。ADGM1304和ADGM1004MEMS开关内置低电压、可独立控制的开关驱动器；因此，它们不需要外部驱动器IC。由于MEMS开关封装的高度较小ADGM1304的封装高度为0.95mm，ADGM1004的封装高度为1.45mm，因此开关可以安装PCB的反面。较小的封装高度增大了可实现的信道密度。图6.DC/RF扇出测试板的视觉比拟：实现16:1多路复用功能，使用九个EMR开关左黄和五个MEMS开关右红本文小结最后，小尺寸解决方案通常对于任何市场都是一项关键要求。MEMS在这方面具有令人信服的优势。下列图7以实物照片比拟了封装后的ADISP4T四开关MEMS开关设计和典型DPDT四开关机电继电器的尺寸。MEMS开关节省了大量空间，其体积仅相当于继电器的5%。这种超小尺寸显着节省了PCB板面积，增加PCB板的双面开发之可能。这一优势对于迫切需要进步信道密度的自动测试设备制造商十分有价值。图7，ADI引线框芯片级封装MEMS开关四开关与典型机电式RF继电器四开关的尺寸比拟