MEMS開關(guān)基本原理及性能優(yōu)勢

過去30年來，MEMS開關(guān)一直被標(biāo)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(shù)百GHz信號，有望徹底改變電子系統(tǒng)的實現(xiàn)方式。這種性能優(yōu)勢會對大量不同的設(shè)備和應(yīng)用產(chǎn)生重要影響。在MEMS開關(guān)技術(shù)的幫助下，很多領(lǐng)域都將達到前所未有的性能水準(zhǔn)和尺寸規(guī)格，包括電氣測試與測量系統(tǒng)、防務(wù)系統(tǒng)應(yīng)用、醫(yī)療保健設(shè)備。

圖1 ADI MEMS開關(guān)技術(shù)

目前的開關(guān)技術(shù)都或多或少存在缺點，沒有一種技術(shù)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(shù)有限以及封裝尺寸較大。與繼電器相比，MEMS技術(shù)一直就有實現(xiàn)最高水平RF開關(guān)性能的潛力，其可靠性要高出好幾個數(shù)量級，而且尺寸很小。但是，難以通過大規(guī)模生產(chǎn)來大批量提供可靠產(chǎn)品的挑戰(zhàn)，讓許多試圖開發(fā)MEMS開關(guān)技術(shù)的公司停滯不前。Foxboro Company是最早開始MEMS開關(guān)研究的公司之一，其于1984年申請了世界最早的機電開關(guān)專利之一。ADI公司自1990年開始通過一些學(xué)術(shù)項目涉足MEMS開關(guān)技術(shù)研究。到1998年，ADI公司終于開發(fā)出一種MEMS開關(guān)設(shè)計，并根據(jù)該設(shè)計制作了一些早期原型產(chǎn)品。2011年，ADI公司大幅增加了MEMS開關(guān)項目投入，從而推動了自有先進MEMS開關(guān)制造設(shè)施的建設(shè)?，F(xiàn)在，ADI公司已能夠滿足業(yè)界一直以來的需求：量產(chǎn)、可靠、高性能、小尺寸的MEMS開關(guān)取代衰老的繼電器技術(shù)。

ADI公司與MEMS技術(shù)有著深厚的歷史淵源。世界上第一款成功開發(fā)、制造并商用的MEMS加速度計是ADI公司于1991年發(fā)布的 ADXL50 加速度計。ADI公司于2002年發(fā)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(chǎn)品業(yè)務(wù)和無可匹敵的高可靠性、高性能MEMS產(chǎn)品制造商聲譽。ADI公司已為汽車、工業(yè)和消費電子應(yīng)用交付了逾10億只慣性傳感器。正是這種優(yōu)良傳統(tǒng)所帶來的經(jīng)驗和信念將MEMS開關(guān)技術(shù)變?yōu)楝F(xiàn)實。

ADI MEMS開關(guān)技術(shù)的關(guān)鍵是靜電驅(qū)動的微加工懸臂梁開關(guān)元件概念。本質(zhì)上可以將它視作微米尺度的機械開關(guān)，其金屬對金屬觸點通過靜電驅(qū)動。

開關(guān)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(guān)的簡化示意圖，情況A表示開關(guān)處于斷開位置。將一個直流電壓施加于柵極時，開關(guān)梁上就會產(chǎn)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(dāng)柵極電壓斜升至足夠高的值時，它會產(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，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(guān)現(xiàn)已接通。拉下開關(guān)梁所需的實際力大小與懸臂梁的彈簧常數(shù)及其對運動的阻力有關(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（藍色箭頭），但只要下拉靜電力（紅色箭頭）更大，開關(guān)就會保持接通狀態(tài)。最后，當(dāng)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(guān)梁作為彈簧具有足夠大的恢復(fù)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(guān)斷位置。

圖2 MEMS開關(guān)動作過程，A和C表示開關(guān)關(guān)斷，B表示開關(guān)接通

圖3顯示了利用MEMS技術(shù)制造開關(guān)的四個主要步驟。開關(guān)建構(gòu)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(zhì)，以便提供與下方襯底的優(yōu)良電氣隔離。利用標(biāo)準(zhǔn)后端CMOS互連工藝實現(xiàn)到MEMS開關(guān)的互連。低電阻率金屬和多晶硅用于形成到MEMS開關(guān)的電氣連接，并且嵌入到電介質(zhì)層(2)中。標(biāo)示為紅色的金屬過孔(2)用于提供到開關(guān)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(guān)本身利用犧牲層進行表面微加工，在懸臂梁下方產(chǎn)生氣隙。懸臂式開關(guān)梁結(jié)構(gòu)和焊盤(3)利用金形成。開關(guān)觸點和柵極電極由低電阻率金屬薄膜沉積在電介質(zhì)表面而形成。

圖3 MEMS開關(guān)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(shù)。這是因為一個高電阻率硅帽(4)被焊接到MEMS芯片，在MEMS開關(guān)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(shù)，這種氣密外殼都能提高開關(guān)的環(huán)境魯棒性和使用壽命。

圖4為采用單刀四擲(ST4T)多路復(fù)用器配置的四個MEMS開關(guān)的放大圖。每個開關(guān)梁有五個并聯(lián)阻性觸點，用以降低開關(guān)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(guān)梁（SP4T配置）

如開頭所述，MEMS開關(guān)需要高直流驅(qū)動電壓來以靜電力驅(qū)動開關(guān)。為使器件盡可能容易使用并進一步保障性能，ADI公司設(shè)計了配套驅(qū)動器集成電路(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)動電壓以受控方式施加于開關(guān)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(guān)梁的吸引和下拉，改善開關(guān)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(qū)動器IC和MEMS芯片實例。驅(qū)動器IC僅需要一個低電壓、低電流電源，可與標(biāo)準(zhǔn)CMOS邏輯驅(qū)動電壓兼容。這種一同封裝的驅(qū)動器使得開關(guān)非常容易使用，并且其功耗要求非常低，大約在10 mW到20 mW范圍內(nèi)。

圖5 驅(qū)動器IC（左）和MEMS開關(guān)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(shù)的主要"教義"之一，ADI公司對此極為關(guān)注。新型MEMS技術(shù)制造工藝是支持開發(fā)機械魯棒、高性能開關(guān)設(shè)計的基礎(chǔ)。它與氣密性硅帽工藝相結(jié)合，是實現(xiàn)真正可靠的長壽命MEMS開關(guān)的關(guān)鍵。為將MEMS開關(guān)成功商業(yè)化，需要進行大量針對MEMS開關(guān)的特定可靠性測試，例如開關(guān)循環(huán)、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(zhì)量水準(zhǔn)，還利用全部標(biāo)準(zhǔn)IC可靠性測試對器件進行了質(zhì)量認證。表1是已進行的環(huán)境和機械測試總結(jié)。

表1 MEMS開關(guān)技術(shù)認證測試

在RF儀器儀表應(yīng)用中，開關(guān)動作壽命長至關(guān)重要。相比于機電繼電器，MEMS技術(shù)的循環(huán)壽命高出一個數(shù)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(yán)格保證了器件的循環(huán)壽命。

持續(xù)導(dǎo)通壽命(COL)性能是MEMS開關(guān)技術(shù)的另一個重要參數(shù)。例如，RF儀器儀表開關(guān)使用情況各異，某個開關(guān)可能長期保持接通狀態(tài)。ADI公司已知曉這種情況，并竭力讓MEMS開關(guān)技術(shù)實現(xiàn)出色的COL性能以降低壽命風(fēng)險。通過深入開發(fā)，COL性能已從最初的50°C下7年（平均失效前時間）提升到業(yè)界領(lǐng)先的85°C下10年。

MEMS開關(guān)技術(shù)經(jīng)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(guān)的機械耐久性。MEMS開關(guān)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(yōu)勢

MEMS開關(guān)的關(guān)鍵優(yōu)勢是它在一個非常小的表貼封裝中實現(xiàn)了0 Hz/dc精密性能、寬帶RF性能以及比繼電器優(yōu)越得多的可靠性。

任何開關(guān)技術(shù)最重要的品質(zhì)因數(shù)之一是單個開關(guān)的導(dǎo)通電阻與關(guān)斷電容的乘積。它通常被稱為RonCoff乘積，單位為飛秒(fs)。當(dāng)RonCoff降低時，開關(guān)的插入損耗也會降低，關(guān)斷隔離性能隨之提高。

采用ADI MEMS開關(guān)技術(shù)的單個開關(guān)單元的RonCoff乘積小于8，這保證了該技術(shù)是實現(xiàn)世界一流開關(guān)性能的不二選擇。

利用這一根本優(yōu)勢和精心設(shè)計，便可達到優(yōu)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(guān)的實測插入損耗和關(guān)斷隔離性能。26.5 GHz時的插入損耗僅為1 dB，QFN封裝實現(xiàn)了32 GHz以上的帶寬。

圖6 SPDT MEMS開關(guān)性能，QFN封裝

圖7顯示了在一款單刀雙擲(SPST) MEMS原型開關(guān)管芯上利用探針測量測得的插入損耗和關(guān)斷隔離性能的寬頻掃描結(jié)果。40 GHz時的插入損耗為1 dB，關(guān)斷隔離約為-30 dB。

圖7 SPST MEMS開關(guān)性能，片上探針測量

此外，MEMS開關(guān)設(shè)計固有的超高性能表現(xiàn)在如下方面。

（1）精密直流性能：已實現(xiàn)<2 Ω RON、0.5 nA關(guān)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(yōu)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(diào)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(huán)。這遠遠超過了當(dāng)今市場上的任何機械繼電器，后者的額定循環(huán)次數(shù)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(guān)技術(shù)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(guān)鍵要求。MEMS在這方面同樣具有令人信服的優(yōu)勢。圖8利用實物照片比較了封裝后的ADI SP4T（四開關(guān)）MEMS開關(guān)設(shè)計和典型DPDT（四開關(guān)）機電繼電器的尺寸。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，尤其是它使得PCB板的雙面開發(fā)利用成為可能。這一優(yōu)勢對于迫切需要提高通道密度的自動測試設(shè)備制造商特別有價值。

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

結(jié)語

ADI公司開發(fā)的MEMS開關(guān)技術(shù)使開關(guān)性能和尺寸縮減實現(xiàn)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(shù)量級的循環(huán)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(guān)技術(shù)成為ADI公司開關(guān)產(chǎn)品的革命性新突破。

最新MEMS開關(guān)產(chǎn)品：

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

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

關(guān)于ADI

亞德諾半導(dǎo)體公司（Analog Devices，以下簡稱ADI）是一家全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體芯片制造商，公司總部設(shè)在美國馬薩諸塞州。亞德諾半導(dǎo)體技術(shù)有限公司專為消費與工業(yè)產(chǎn)品制造數(shù)/模轉(zhuǎn)換（ADC）、模/數(shù)轉(zhuǎn)換（DAC）、MEMS與數(shù)字處理器（DSP）芯片。

20多年來，ADI公司一直是MEMS創(chuàng)新產(chǎn)品的領(lǐng)導(dǎo)者。ADI傳感器產(chǎn)品組合專注于運動、溫度和聲音領(lǐng)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(fēng)、磁場傳感器、光學(xué)傳感器、溫度傳感器和控制器件。ADI的高性能MEMS和傳感器產(chǎn)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(dāng)今復(fù)雜的應(yīng)用要求，廣泛應(yīng)用在消費電子、軍事、工業(yè)、醫(yī)療、家居和汽車等領(lǐng)域。