【導(dǎo)讀】在過(guò)去的30年間，MEMS開(kāi)關(guān)被一致認(rèn)為是性能有限的機(jī)電式繼電器的優(yōu)越取代品。 透過(guò)易于使用、能夠以損失最小的情況下，可靠的進(jìn)行從0 Hz/dc至數(shù)百GHz路由的小型開(kāi)關(guān)，因而徹底改變了電子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的方法。
此性能上的優(yōu)勢(shì)會(huì)對(duì)大量設(shè)備類(lèi)型與應(yīng)用范圍造成沖擊。 透過(guò)MEMS開(kāi)關(guān)技術(shù)，讓電子量測(cè)系統(tǒng)、國(guó)防系統(tǒng)應(yīng)用以及健康照護(hù)設(shè)備得以在性能與外型上實(shí)現(xiàn)以往難以達(dá)成的水平。
建立龐大產(chǎn)品事業(yè)
現(xiàn)代的開(kāi)關(guān)技術(shù)都具有其缺點(diǎn)，因而沒(méi)有一項(xiàng)技術(shù)可以成為理想的解決方案。 繼電器的缺點(diǎn)包含了狹窄帶寬、有限的致動(dòng)壽命、有限的信道數(shù)量以及大型的包裝尺寸。 相較于繼電器，MEMS技術(shù)一直都具有提供世界級(jí)RF開(kāi)關(guān)性能的潛力，以及在小巧外型中實(shí)現(xiàn)可靠度的數(shù)量級(jí)提升。
許多嘗試開(kāi)發(fā)MEMS開(kāi)關(guān)技術(shù)的公司都是已經(jīng)有可靠的產(chǎn)品量產(chǎn)時(shí)投入，卻因這個(gè)挑戰(zhàn)受到阻礙。 首先跨入MEMS開(kāi)關(guān)研究的公司之一就是Foxboro公司，在1984年就提交了世界第一個(gè)機(jī)電式MEMS開(kāi)關(guān)專利。 ADI從1990年開(kāi)始就已經(jīng)以早期學(xué)術(shù)項(xiàng)目跨入了MEMES開(kāi)關(guān)技術(shù)的研究；在1998年時(shí)，ADI就已經(jīng)開(kāi)發(fā)出導(dǎo)向早期原型的MEMS開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)；而在2011年時(shí)，ADI對(duì)于其MEMS開(kāi)關(guān)計(jì)劃做了大幅的投資，由此帶動(dòng)了ADI自身最先進(jìn)MEMS開(kāi)關(guān)制造設(shè)施的建構(gòu)。
現(xiàn)在，ADI已經(jīng)有能力提供業(yè)界所需「可量產(chǎn)」、「高可靠」、「高性能」、「小巧外型」的MEMS開(kāi)關(guān)，藉以取代已經(jīng)過(guò)時(shí)的繼電器技術(shù)。
ADI在MEMS方面擁有豐富的經(jīng)歷。 ADI首款成功的開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)以及在全球商業(yè)化的MEMS加速度計(jì)產(chǎn)品是在1991年發(fā)表的ADXL50加速度計(jì)；ADI在2002年發(fā)表首款整合式MEMS陀螺儀-ADXRS150。 以此為起始，ADI建立了龐大的MEMS產(chǎn)品事業(yè)以及無(wú)與倫比的聲譽(yù)，能夠生產(chǎn)出可靠、高性能的MEMS產(chǎn)品。 ADI已經(jīng)生產(chǎn)了超過(guò)十億個(gè)使用于汽車(chē)、工業(yè)與消費(fèi)性應(yīng)用裝置的慣性傳感器。 正是如此的血統(tǒng)帶來(lái)了經(jīng)驗(yàn)與信任，驅(qū)動(dòng)MEMS開(kāi)關(guān)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。
MEMS開(kāi)關(guān)的基礎(chǔ)
ADI的MEMS開(kāi)關(guān)技術(shù)的核心就是靜電致動(dòng)，懸臂梁開(kāi)關(guān)組件的概念。 在本質(zhì)上，它可以被視為是微米級(jí)機(jī)械繼電器，具有可以透過(guò)靜電致動(dòng)的金屬對(duì)金屬接點(diǎn)。
該開(kāi)關(guān)被鏈接在三組終端的組態(tài)設(shè)定當(dāng)中。 在功能性上，終端可以被視為是源極、閘極、以及汲極等。 圖一中所示為A狀況之開(kāi)關(guān)的簡(jiǎn)化圖形呈現(xiàn)，顯示該開(kāi)關(guān)處于關(guān)閉的位置。 當(dāng)施以dc電壓至閘極時(shí)，在開(kāi)關(guān)梁會(huì)生成靜電的下拉力量。
相同的靜電下拉力量可以在平行板電容器中看到，具有會(huì)彼此相互吸引的正電荷板與負(fù)電荷板。 當(dāng)閘極電壓遞增到足夠高的值，它就會(huì)產(chǎn)生出足夠的吸引力（紅色箭頭）來(lái)克服開(kāi)關(guān)梁的電阻彈簧力，而開(kāi)關(guān)梁就會(huì)開(kāi)始下移直到接點(diǎn)碰觸到汲極。 這個(gè)狀況顯示于圖一當(dāng)中的B狀況。 如此就完成了源極與汲極之間的電路，而開(kāi)關(guān)現(xiàn)在是開(kāi)啟的狀態(tài)。 將開(kāi)關(guān)梁往下拉所需的實(shí)際力量與懸臂梁的彈簧常數(shù)以及其對(duì)于移動(dòng)的抵抗力有關(guān)。
請(qǐng)注意，即便是在開(kāi)啟位置上，開(kāi)關(guān)梁仍然會(huì)有將開(kāi)關(guān)往上拉動(dòng)的彈簧力（藍(lán)色箭頭），但是只要向下拉動(dòng)的靜電力量比較大，那么開(kāi)關(guān)就會(huì)維持在開(kāi)啟的狀態(tài)。 最后，當(dāng)閘極電壓被移除時(shí)（圖一中的C狀況），也就是在閘極電極上0 V，靜電吸引力也會(huì)跟著消失，而開(kāi)關(guān)梁會(huì)以具有足夠回復(fù)力（藍(lán)色箭頭）的彈簧而動(dòng)作，開(kāi)啟源極與汲極之間的鏈接，然后回返至原本的關(guān)閉位置。
圖一 ： MEMS開(kāi)關(guān)致動(dòng)程序，A與C代表開(kāi)關(guān)關(guān)閉，B代表開(kāi)啟
圖二中所示為利用MEMS技術(shù)制造開(kāi)關(guān)的四個(gè)主要步驟。 該開(kāi)關(guān)是以高電阻率的硅芯片（具有沈積在頂部的厚電介質(zhì)層以提供與下方基板的優(yōu)越電氣隔離）所建構(gòu)。 使用了標(biāo)準(zhǔn)的后端CMOS內(nèi)部鏈接制程實(shí)現(xiàn)與MEMS開(kāi)關(guān)的內(nèi)部鏈接。 低電阻率金屬與多晶硅都被用來(lái)制作與MEMS開(kāi)關(guān)的電氣鏈接，而且都被嵌入至電介質(zhì)層當(dāng)中。
以紅色標(biāo)示的金屬導(dǎo)孔是用來(lái)提供與開(kāi)關(guān)輸入、輸出的鏈接，以及提供閘極電極給芯片中任何位置的引線接合焊盤(pán)。 懸臂MEMS開(kāi)關(guān)本身就是利用犧牲層予以表面微加工處理，藉以在懸臂梁之下建立空氣間隙。 懸臂開(kāi)關(guān)梁結(jié)構(gòu)與接合焊盤(pán)都是利用黃金制作的。 開(kāi)關(guān)接點(diǎn)與閘極電極都是利用低電阻的薄金屬制成的，沈積在電介質(zhì)表面上。
圖二 ： MEMS開(kāi)關(guān)制造的概觀
引線接合焊盤(pán)也是利用上述的步驟建構(gòu)的。 黃金引線接合是用來(lái)將MEMS芯片鏈接至金屬引線框架，封裝至塑料四邊扁平無(wú)接腳（QFN）芯片當(dāng)中，使其易于表面黏著于PCB上。 該芯片不會(huì)受到任何一種封裝技術(shù)類(lèi)型的限制。 這是因?yàn)橛懈唠娮杪使杳苯雍现罬EMS芯片，在MEMS開(kāi)關(guān)組件外圍形成了密封保護(hù)外殼。 以此方式將開(kāi)關(guān)密閉包覆可以提高開(kāi)關(guān)對(duì)于環(huán)境的耐受度以及周期壽命，無(wú)論所使用的外部封裝技術(shù)為何。
圖三中所示為四組在單刀四擲（SP4T）乘法器組態(tài)設(shè)定下的MEMS開(kāi)關(guān)。 每組開(kāi)關(guān)梁具有五組并聯(lián)的奧姆接點(diǎn)，用以在開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)降低電阻與提高電力的處理。
圖三 ： 顯示四組懸臂開(kāi)關(guān)梁的特寫(xiě)圖形（SP4T組態(tài)設(shè)定）
如同一開(kāi)始所提到的，MEMS開(kāi)關(guān)需要高dc驅(qū)動(dòng)電壓以靜電方式致動(dòng)開(kāi)關(guān)。 為了要盡可能的讓零件易于使用而且更進(jìn)一步的保證其性能，ADI已經(jīng)設(shè)計(jì)了搭配的驅(qū)動(dòng)器IC，用以生成高dc電壓并且與MEMS開(kāi)關(guān)共同封裝在一個(gè)QFN當(dāng)中。
此外，產(chǎn)生出來(lái)的高致動(dòng)電壓會(huì)以受控的方式被施加于開(kāi)關(guān)的閘極電極上。 它會(huì)在微秒時(shí)間尺度內(nèi)遞增至高電壓。 遞增的方式有助于控制開(kāi)關(guān)梁如何被吸引以及下拉，并且改善開(kāi)關(guān)的致動(dòng)性、可靠度、與周期壽命。
圖四中所示為QFN封裝當(dāng)中處于原位的驅(qū)動(dòng)器IC與MEMS芯片。 驅(qū)動(dòng)器IC只需要低電壓、低電流供電，而且與標(biāo)準(zhǔn)CMOS邏輯驅(qū)動(dòng)電壓兼容。 此共同包裝的驅(qū)動(dòng)器讓開(kāi)關(guān)非常的易于使用，而且其只有非常低的電力需求：在10 mW 至20 mW的區(qū)域內(nèi)。
圖四 ： 驅(qū)動(dòng)IC（左側(cè)），MEMS開(kāi)關(guān)芯片（右側(cè)）被黏著和線焊至金屬導(dǎo)線架上
MEMS開(kāi)關(guān)的可靠度
任何新技術(shù)的關(guān)鍵性原則就是其究竟有多可靠，這點(diǎn)ADI非常清楚。 新的MEMS技術(shù)生產(chǎn)制程就是實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)堅(jiān)固、高性能開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)。 以此搭配密封的硅覆蓋制程，對(duì)于提供確實(shí)可靠的長(zhǎng)效MEMS開(kāi)關(guān)而言是相當(dāng)關(guān)鍵的。
為了要成功的將MEMS開(kāi)關(guān)帶向商業(yè)化，需要針對(duì)MEMS進(jìn)行廣泛的可靠度測(cè)試，像是開(kāi)關(guān)操作循環(huán)、壽命測(cè)試、以及機(jī)械震動(dòng)測(cè)試等。 除了這個(gè)檢驗(yàn)，以及為了盡可能保證最高的質(zhì)量之外，零件都已經(jīng)通過(guò)全范圍的標(biāo)準(zhǔn)IC可靠度測(cè)試加以驗(yàn)證。
在RF儀器應(yīng)用中，足夠長(zhǎng)的開(kāi)關(guān)致動(dòng)壽命是最為重要的。 相較于機(jī)電繼電器，MEMS技術(shù)的開(kāi)發(fā)已經(jīng)為周期壽命帶來(lái)了數(shù)量級(jí)的改善。 在85 °C下的高溫作業(yè)壽命（HTOL I）測(cè)試以及早期失效（ELF）鑒定測(cè)試可以嚴(yán)格的保證零件的周期壽命。
持續(xù)開(kāi)啟壽命（COL）性能是另一項(xiàng)MEMS開(kāi)關(guān)技術(shù)的關(guān)鍵參數(shù)。 舉例來(lái)說(shuō)，RF儀器開(kāi)關(guān)的使用方式可以改變，而開(kāi)關(guān)可以有更多時(shí)間停留在開(kāi)啟狀態(tài)。 ADI已經(jīng)體認(rèn)到這項(xiàng)事實(shí)，并且針對(duì)MEMS開(kāi)關(guān)技術(shù)致力于實(shí)現(xiàn)卓越的COL壽命性能，藉以減輕壽命風(fēng)險(xiǎn)。 從最初的50 °C 下7年COL壽命性能水平至今，ADI已經(jīng)進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)出能夠提供領(lǐng)先同級(jí)產(chǎn)品，具有85 °C下10年COL的技術(shù)。
MEMS開(kāi)關(guān)技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了一整套的機(jī)械耐用性認(rèn)證測(cè)試。 表1當(dāng)中列舉了總共5項(xiàng)測(cè)試，用以確保MEMS開(kāi)關(guān)的機(jī)械耐久性。 由于MEMS開(kāi)關(guān)組件的小巧尺寸與低慣性，因而很明顯的遠(yuǎn)較機(jī)電繼電器耐用。
強(qiáng)大的性能優(yōu)勢(shì)
MEMS開(kāi)關(guān)的關(guān)鍵性力量，就是它能夠在小巧的表面安裝外型上同時(shí)提供0 Hz/dc的精密度與寬帶RF性能以及卓越的可靠度vs. 繼電器。
任何開(kāi)關(guān)技術(shù)的最重要質(zhì)量因子之一，就是單一開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻乘以關(guān)閉電容。 通常會(huì)將此稱作RonCoff系數(shù)，并且以飛秒（femtoseconds）加以表示。 當(dāng)RonCoff下降時(shí)，開(kāi)關(guān)的插入損耗也會(huì)隨之減少，而關(guān)閉隔離就會(huì)獲得改善。 對(duì)于單一開(kāi)關(guān)單元，ADI MEMS開(kāi)關(guān)技術(shù)的RonCoff系數(shù)小于8，此將可以保證其做為技術(shù)選擇的地位，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)世界級(jí)的開(kāi)關(guān)性能。
此基本的優(yōu)勢(shì)即可用來(lái)達(dá)成優(yōu)越的RF性能位準(zhǔn)，再搭配上謹(jǐn)慎的設(shè)計(jì)。 圖五所示為針對(duì)原型QFN，單刀雙擲（SPDT）MEMS開(kāi)關(guān)進(jìn)行量測(cè)所得的插入損耗以及關(guān)閉隔離。 插入損耗在26.5 GHz下只有1 dB，而且在QFN封裝當(dāng)中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了超過(guò)32 GHz的帶寬。
圖五 ： SPDT MEMS開(kāi)關(guān)性能，采用QFN封裝
圖六所示為來(lái)自于原型插入損耗與關(guān)閉隔離的更廣大頻率掃描，在芯片單刀雙擲（SPST）開(kāi)關(guān)的探測(cè)量測(cè)中。 在40 GHz下，1 dB的插入損耗與– 30 dB區(qū)域的關(guān)閉隔離就能夠達(dá)成。
圖六 ： 在裸芯片探測(cè)的量測(cè)下，SPST MEMS開(kāi)關(guān)性能
此外，MEMS開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)本身就能夠在以下的領(lǐng)域中提供非常高的性能：
**精密dc性能：小于2 Ω RON、0.5 nA的關(guān)閉漏泄、以及– 110 dBc的總諧波失真（THD + N）的精密性能位準(zhǔn)已經(jīng)獲得實(shí)現(xiàn)，具有以波束與基板優(yōu)化為基礎(chǔ)而改善所有位準(zhǔn)的潛力。
**線性度性能：高于69 dBm的三階截?cái)帱c(diǎn)（IP3）位準(zhǔn)以27 dBm的輸入音調(diào)加以實(shí)現(xiàn)。 在整個(gè)作業(yè)頻率波段上還有增加超過(guò)75 dBm的潛力。
**致動(dòng)壽命：保證最少10億次致動(dòng)周期。 此已經(jīng)遠(yuǎn)超過(guò)目前市場(chǎng)上的機(jī)械繼電器～一般額定值低于一千萬(wàn)次周期。
**電源處理（RF /dc）：超過(guò)40 dBm的電源已經(jīng)在整個(gè)作業(yè)頻率波段中經(jīng)過(guò)測(cè)試，而且在較低或是較高的頻率中不會(huì)降級(jí)。 在dc信號(hào)方面，此開(kāi)關(guān)技術(shù)可以通過(guò)200 mA以上的電流。
最后，具有小巧尺寸的解決方案通常是所有市場(chǎng)共通的關(guān)鍵需求。 MEMS于此再次的提供了引人注目的優(yōu)勢(shì)。 圖七所示為經(jīng)過(guò)封裝的ADI SP4T（四組開(kāi)關(guān)）MEMS開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)與典型DPDT（四組開(kāi)關(guān)）機(jī)電繼電器的等比例比較。
以體積來(lái)說(shuō)，空間的節(jié)省相當(dāng)明顯。 在此情況下MEMS開(kāi)關(guān)只需要繼電器體積的5％。 此非常小巧的尺寸會(huì)顯著的帶動(dòng)電路板空間的節(jié)省，特別是雙面電路板開(kāi)發(fā)的實(shí)現(xiàn)。 對(duì)于汽車(chē)測(cè)試設(shè)備生產(chǎn)廠商而言，這點(diǎn)特別的有其價(jià)值，因?yàn)楦叩男诺烂芏仁侵翞橹匾摹?/div>
圖七 ： 使用導(dǎo)線架芯片封裝的ADI MEMS開(kāi)關(guān)（四組開(kāi)關(guān)）相較于典型的機(jī)電RF繼電器（四組開(kāi)關(guān)）
結(jié)論
ADI所開(kāi)發(fā)出來(lái)的MEMS開(kāi)關(guān)技術(shù)在開(kāi)關(guān)性能與尺寸的縮減上有了飛躍式的進(jìn)步。 同級(jí)產(chǎn)品中最佳的性能：從0 Hz/dc 到Ka波段甚至以上、相較繼電器數(shù)量級(jí)的循環(huán)壽命改善、卓越的的線性度、非常低的電力需求、以及芯片等級(jí)封裝的供貨等，都使得ADI的MEMS開(kāi)關(guān)技術(shù)為ADI的開(kāi)關(guān)全產(chǎn)品系列帶來(lái)了革命性的新品項(xiàng)。
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