看ADI MEMS开关如何取代百年继电器

两年前的11月，ADI公司在MEMS技术领域取得的重大突破，宣布推出革命性的0Hz(DC)至GHz开关解决方案——ADGM1304和ADGM1004 RF MEMS开关。业界首次提供了一种可替代传统继电器方法的出色方案，将100多年前即被电子行业采用的机电继电器突破性拓展——

同类最佳的0 Hz/dc至Ka波段及以上的性能；

比继电器高出若干数量级的循环寿命；

出色的线性度；

超低功耗要求（继电器的十分之一）；

芯片级封装（体积缩小95%）；

速度提高30倍；

可靠性提高了10倍

……

两年内，MEMS开关已经帮助大量的自动测试设备(ATE)以及其他仪器仪表现实精确性和多功能性，帮助客户降低测试成本和功耗，缩短产品上市时间。MEMS开关即将在航空航天和防务、医疗保健以及通信基础设施设备等行业内取代继电器。

百年继电器就这样被颠覆

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1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1. 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1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1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。

一个MEMS悬臂开关梁

（其中可看到并联的的五个触点和具有下面有空隙的铰链结构。）

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、可靠性和使用寿命。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10 mW到20 mW范围内。

实力担当——ADGM1304和ADGM1004

ADGM1304是一款宽带、单刀四掷(SP4T)开关，其工作频率可低至0 Hz/DC，是各种RF应用的理想开关解决方案。实现更小、更灵活和更可靠的低插入损耗开关大幅减小尺寸和元件数量，并显著降低成本。

ADGM1304 实力对比

与固态继电器等其他开关替代产品不同，ADGM1304具备出色的精度，并提供从0 Hz (DC)到14 GHz的RF性能；

与机电继电器相比，高度可靠的ADGM1304可将冷开关生命周期提高10倍，同时延长ATE系统工作寿命，减少由于继电器故障导致的代价高昂的停机；

与DPDT继电器设计相比，集成式电荷泵无需外部驱动器，这进一步减小了ATE系统尺寸，而多路复用器配置也可简化扇出式结构。

借助ADGM1304 MEMS开关产品，ADI开发了ADGM1004 MEMS开关，通过集成固态ESD保护技术来增强RF端口ESD性能。ADGM1004开关的RF端口人体模型 (HBM) ESD额定值已增加到5 kV。这个级别的ESD保护可谓MEMS开关行业首创。

ADGM1004与典型机电式RF继电器（四开关）的尺寸比较

集成式固态ESD保护是专有的ADI技术，可实现非常高的ESD保护同时对MEMS开关RF性能影响最小。图3显示了采用SMD QFN封装的ESD保护元件。其中，芯片安放在MEMS芯片上，通过焊线连接至封装的RF引脚。这些都是针对RF和ESD性能进行了优化。

为了实现ADGM1004产品，不仅继承了ADGM1304的所有性能，ADI更是将三种专有光刻技术与组装和MEMS封盖技术相结合，以实现这一性能突破。

ADGM1304:https://www.analog.com/cn/products/ADGM1304.html

ADGM1004:https://www.analog.com/cn/products/ADGM1004.html

与机电继电器相比，高度可靠的ADGM1304和ADGM1004可将冷开关生命周期提高10倍，同时延长ATE系统工作寿命，减少由于继电器故障导致的代价高昂的停机。此外，ADGM1304和ADGM1004 MEMS开关封装高度极低，设计人员可以在ATE测试板两侧表面贴装器件，以提高通道密度并降低成本，且不会增加设备体积。

距离这两款革命性突破的 MEMS 开关的发布已经过去两年了，ADI 也一直致力于 MEMS 技术的发展