MEMS开关：替代二极管和场效应晶体管的后备军
2021-04-08 21:29:27   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询介绍，电子开关的作用主要是控制电路的通与断，且必须快速高效地响应输入信号。微机电系统（MEMS）开关是由半导体制造技术实现的、具有3D结构的微小可调元件。与传统的PN结二极管和场效应晶体管（FET）相比，MEMS开关可降低功耗、降低插入损耗并改善隔离，在高集成度和小尺寸方面具有更多优势。

MEMS开关市场规模的快速增长为信号控制系统的增强提供了令人信服的证据。目前，MEMS开关技术成了军事防御系统、医疗器械、汽车、微光机电系统（MOEMS）和无线通信领域的“宠儿”。

MEMS开关主要类型

在过去的几十年里，几种MEMS开关技术不断发展，了解其工作原理对开发新型器件至关重要。虽然没有既定的MEMS开关分类，但可以根据不同特征（如对外部电源的要求）进行分类。当前的MEMS开关可分为有源和无源。有源开关包括电气、机械、光化学和类似能量场转换为机械能以产生位移。无源MEMS开关利用本身结构为惯性执行器收集能量，由于不需要额外的能量输入，因此具有出色的存储效率，并能够抵御电磁波的干扰。

在另一种分类方式中，MEMS开关通常可以分为非硅基和硅基。硅基MEMS开关是在SOI衬底上进行一系列相对简单的工艺流程制造，制作出高度精确的形状。但是，当硅基MEMS开关的结构层材料直接作为触点时，相比导电材料其电阻会增加，导致信号不清。为了降低接触电阻，必须使用低电阻金属覆盖于电极接触表面。此外，硅也不适合高负载和冲击系统的衬底和结构层。

硅基MEMS开关结构示意图

非硅基MEMS开关主要采用超精密加工方法，或光刻、镀锌（电镀）和注塑成型（LGA）等制造深宽比（aspect-ratio）较大的微型结构的先进光刻技术。在金属基MEMS开关中，多层可调结构通常通过微电镀实现或采用镍制造。与硅基MEMS开关的特性相比，金属元件具有出色的导电性能、机械特性和韧性。金属基MEMS开关能够解决接触电阻偏大的问题，但金属的微结构制造尚未成熟。在整个制造过程中，开关可能会变形，因此产品良率偏低。

此外，MEMS开关还可以根据接触模式（即电容式和电阻式）进行分类。这种分类方式在射频应用中很受欢迎。电容式MEMS开关适用于3 MHz至30 MHz的高频应用，利用电容耦合实现电路的开或关。相比之下，电阻式MEMS开关通常用于30 kHz至300 kHz的低频应用。

性能要求

MEMS开关的性能在设计和制造阶段不断优化。主要性能参数包括切换时间、驱动电压、可靠性和功耗。可靠性是设计优化的关键参数，可以通过潜在失效模式分析进行改善。

电容式MEMS开关因利用其电气特性而非机械性能，容易损坏。电荷对电压的变化率和电荷积累应变指数可用于评估此类开关的故障率。大多数情况下，电容式MEMS开关出现失效都是因为介电层中电荷的不断积累而最终导致闩锁效应和驱动电压漂移。因此，电容式MEMS开关的优化技术必须侧重于减少电荷积累。

大多数电阻式MEMS开关失效是由接触疲劳引起。机械应力导致触点表面磨损和变形，而电气应力主要导致触点表面的熔化和电迁移，最终导致较高的接触电阻。一般来说，接触阻力必须低于1欧姆至2欧姆。因此，正确选择接触材料对可靠性至关重要。可根据材料的熔点、硬度、电阻、对有机污染和无机污染的敏感度进行选择。

结论

目前已经开发出许多MEMS开关，可以分为有源和无源、硅基和非硅基、电容式和电阻式。设计MEMS开关时，必须优化的主要性能参数是切换时间、驱动电压、可靠性和功耗。设计工程师正专注于改善上述参数，确保MEMS开关行业的持续发展。