MEMS開關基本原理及性能優勢

過去30年來，MEMS開關一直被標榜為性能有限的機電繼電器的出色替代器件，因為它易于使用，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。

圖1 ADI MEMS開關技術

目前的開關技術都或多或少存在缺點，沒有一種技術是理想解決方案。繼電器的缺點包括帶寬較窄、動作壽命有限、通道數有限以及封裝尺寸較大。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，其于1984年申請了世界最早的機電開關專利之一。ADI公司自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公司終于開發出一種MEMS開關設計，并根據該設計制作了一些早期原型產品。2011年，ADI公司大幅增加了MEMS開關項目投入，從而推動了自有先進MEMS開關制造設施的建設?，F在，ADI公司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。

ADI公司與MEMS技術有著深厚的歷史淵源。世界上第一款成功開發、制造并商用的MEMS加速度計是ADI公司于1991年發布的 ADXL50 加速度計。ADI公司于2002年發布第一款集成式MEMS陀螺儀 ADXRS150。以此為開端，ADI公司建立了龐大的MEMS產品業務和無可匹敵的高可靠性、高性能MEMS產品制造商聲譽。ADI公司已為汽車、工業和消費電子應用交付了逾10億只慣性傳感器。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。

ADI MEMS開關技術的關鍵是靜電驅動的微加工懸臂梁開關元件概念。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。

開關采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表示開關處于斷開位置。將一個直流電壓施加于柵極時，開關梁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。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梁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。最后，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，然后回到原始關斷位置。

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

圖3顯示了利用MEMS技術制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。利用標準后端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于形成到MEMS開關的電氣連接，并且嵌入到電介質層(2)中。標示為紅色的金屬過孔(2)用于提供到開關輸入、輸出和柵極電極的連接，以及焊芯片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，在懸臂梁下方產生氣隙。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開關制造概覽

引線焊盤也是利用上述步驟制成。利用金線焊接將MEMS芯片連接到一個金屬引線框，然后封裝到塑料四方扁平無引線(QFN)封裝中以便能輕松表貼在PCB上。芯片并不局限于任何一種封裝技術。這是因為一個高電阻率硅帽(4)被焊接到MEMS芯片，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為采用單刀四擲(ST4T)多路復用器配置的四個MEMS開關的放大圖。每個開關梁有五個并聯阻性觸點，用以降低開關閉合時的電阻并提高功率處理能力。

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。為使器件盡可能容易使用并進一步保障性能，ADI公司設計了配套驅動器集成電路(IC)來產生高直流電壓，其與MEMS開關共同封裝于QFN規格尺寸中。此外，所產生的高驅動電壓以受控方式施加于開關的柵極電極。它以微秒級時間斜升至高電壓。斜升有助于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芯片實例。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，并且其功耗要求非常低，大約在10 mW到20 mW范圍內。

圖5 驅動器IC（左）和MEMS開關芯片（右）安裝并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公司對此極為關注。新型MEMS技術制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、機械沖擊測試等。除了這種認證之外，為保證達到盡可能高的質量水準，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儀器儀表應用中，開關動作壽命長至關重要。相比于機電繼電器，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儀器儀表開關使用情況各異，某個開關可能長期保持接通狀態。ADI公司已知曉這種情況，并竭力讓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項測試用于確保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、寬帶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。

采用ADI MEMS開關技術的單個開關單元的RonCoff乘積小于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。

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

（2）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。

（3）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，后者的額定循環次數通常少于1000萬次。

（4）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。對于直流信號，該開關技術允許200 mA以上的電流通過。

最后，無論什么市場，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后的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，其體積僅相當于繼電器的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。這一優勢對于迫切需要提高通道密度的自動測試設備制造商特別有價值。

圖8 ADI引線框芯片級封裝MEMS開關（四開關）與典型機電式RF繼電器（四開關）的尺寸比較

結語

ADI公司開發的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、超低功耗要求以及芯片級封裝，使該MEMS開關技術成為ADI公司開關產品的革命性新突破。

最新MEMS開關產品：

（1）ADGM1304：集成驅動器的0 Hz/dc至14 GHz、SP4T MEMS開關

（2）ADGM1004：集成驅動器的0 Hz/dc至13 GHz、2.5 kV HBM ESD SP4T MEMS開關

關于ADI

亞德諾半導體公司（Analog Devices，以下簡稱ADI）是一家全球領先的半導體芯片制造商，公司總部設在美國馬薩諸塞州。亞德諾半導體技術有限公司專為消費與工業產品制造數/模轉換（ADC）、模/數轉換（DAC）、MEMS與數字處理器（DSP）芯片。

20多年來，ADI公司一直是MEMS創新產品的領導者。ADI傳感器產品組合專注于運動、溫度和聲音領域，主要包括：MEMS加速度計、MEMS陀螺儀、慣性測量單元（IMU）、MEMS麥克風、磁場傳感器、光學傳感器、溫度傳感器和控制器件。ADI的高性能MEMS和傳感器產品組合提供一系列分立式元器件和即插即用解決方案，高效、可靠地滿足當今復雜的應用要求，廣泛應用在消費電子、軍事、工業、醫療、家居和汽車等領域。