第 1 部分介紹了基礎(chǔ)知識，第 2 部分探討了干簧繼電器及其在 ATE 應(yīng)用中的應(yīng)用，而最后一節(jié)則介紹了基于 MEMS 的繼電器及其在 ATE 應(yīng)用中的功能。

顛覆：基于MEMS的GHz繼電器

磁驅(qū)動簧片繼電器的優(yōu)點(diǎn)和功能是顯而易見的，那么為什么要改變呢？這是通常的故事：技術(shù)不斷發(fā)展，并且經(jīng)常使相關(guān)技術(shù)適應(yīng)現(xiàn)有應(yīng)用程序。

這是繼電器需要有形身體接觸的情況。微機(jī)電系統(tǒng) （MEMS） 技術(shù)自 1990 年代商業(yè)化以來不斷發(fā)展，最初是用于觸發(fā)安全氣囊的開/關(guān)加速度計，然后是用于導(dǎo)航的加速度計和陀螺儀。MEMS技術(shù)現(xiàn)在也用于需要物理電路觸點(diǎn)開關(guān)的情況。

MEMS 開關(guān)技術(shù)基于靜電驅(qū)動的微機(jī)械懸臂梁開關(guān)元件。它是一種微米級機(jī)械繼電器，具有通過靜電驅(qū)動的金屬對金屬觸點(diǎn)，而不是像簧片繼電器或傳統(tǒng)電樞繼電器那樣使用磁性。

該開關(guān)以三端子配置連接。圖 1 是開關(guān)的簡化圖形表示，案例 A 顯示開關(guān)處于關(guān)閉位置。當(dāng)直流電壓施加到柵極上時，開關(guān)梁上會產(chǎn)生靜電下拉力。這與平行板電容器中看到的靜電力相同，具有相互吸引的正負(fù)電極板。

圖 1.基于 MEMS 的開關(guān)使用靜電力而不是磁力來驅(qū)動。（圖片來源：ADI公司)

當(dāng)柵極電壓上升到足夠高的值時，它會產(chǎn)生足夠的吸引力（紅色箭頭）來克服開關(guān)梁的電阻彈簧力，并且柵極開始向下移動，直到觸點(diǎn)接觸漏極，如情況 B 2 所示。這樣就完成了源極和漏極之間的電路，開關(guān)現(xiàn)在導(dǎo)通。

將開關(guān)梁向下拉所需的實(shí)際力與懸臂梁的彈簧常數(shù)及其運(yùn)動阻力有關(guān)。請注意，即使在 ON 位置，開關(guān)梁仍然有彈力將開關(guān)向上拉（藍(lán)色箭頭），但只要向下拉的靜電力（紅色箭頭）較大，開關(guān)就會保持打開狀態(tài)。

最后，當(dāng)柵極電壓被移除（情況 C）時，柵極電極上為 0 伏，靜電吸引力消失。開關(guān)梁充當(dāng)彈簧，具有足夠的恢復(fù)力（藍(lán)色箭頭）來打開源極和漏極之間的連接，然后返回到原來的關(guān)閉位置。

這似乎是一個簡單的概念，但實(shí)際制造是一個巨大的挑戰(zhàn)，需要許多關(guān)鍵的 CMOS IC 步驟，包括濺射、分層、蝕刻等。此外，為了提高可靠性，將高電阻率硅電容粘合到 MEMS 芯片上，以在 MEMS 開關(guān)磁芯周圍形成密封保護(hù)外殼。通過以這種方式密封開關(guān)，可以提高開關(guān)的環(huán)境穩(wěn)健性和循環(huán)壽命，而不受所使用的外部封裝技術(shù)的影響。

請注意，MEMS開關(guān)不限于基本的SPST配置，如圖2所示，其中四個MEMS開關(guān)采用單刀四擲（ST4P）多路復(fù)用器配置。每個開關(guān)梁有五個并聯(lián)的歐姆觸點(diǎn)，以減少電阻并增加開關(guān)閉合時的功率處理能力。

圖 2.這種基于單擲四極 （SP4T） MEMS 的觸點(diǎn)閉合設(shè)計提供四個電路路徑，每個路徑都有多個并聯(lián)觸點(diǎn)以降低電阻。（圖片來源：ADI公司)

合適的驅(qū)動電路是干簧開關(guān)和基于MEMS的開關(guān)之間的另一個主要區(qū)別。干簧開關(guān)需要驅(qū)動線圈的電流驅(qū)動，而 MEMS 開關(guān)需要高電壓來產(chǎn)生靜電場。為了減少高壓挑戰(zhàn)，一些基于 MEMS 的開關(guān)供應(yīng)商將高壓驅(qū)動芯片與 MEMS 器件共同封裝，因此用戶只需以適中功率（10 至 20 mW）施加低電壓（通常為 5 伏）即可驅(qū)動。

請注意，與基于干簧繼電器的器件相比，基于 MEMS 的開關(guān)確實(shí)有其缺點(diǎn)。一個重要的區(qū)別是 MEMS 器件與“熱插拔”不兼容，即在通電的情況下插入或移除器件或其電路板。必須關(guān)閉系統(tǒng)或機(jī)箱電源，插入或移除設(shè)備或主板，然后才能通電。

基于 MEMS 的繼電器可以輕松處理低千兆赫茲范圍內(nèi)的信號。認(rèn)識到這些繼電器的潛力，干簧繼電器和 ATE 開關(guān)系統(tǒng)供應(yīng)商（例如 Pickering）已與 MESM 供應(yīng)商合作，提供使用這種新技術(shù)的系統(tǒng)。

例如，Pickering與Menlo Microsystems（一家專門為各種應(yīng)用開發(fā)先進(jìn)MEMS技術(shù)的技術(shù)公司）合作，開發(fā)和銷售基于MEMS的PXI和PXIe射頻多路復(fù)用器產(chǎn)品線。Menlo Micro 的理想開關(guān)提供高達(dá) 4 GHz 的出色射頻特性和超過 30 億次作的使用壽命，與基于 EMR 的解決方案通常提供的最高 1000 萬次作相比有了顯著改進(jìn)。

圖 3.像這樣的射頻多路復(fù)用器板具有三種不同的通道數(shù)，使用基于 MEMS 的開關(guān)而不是干簧繼電器。（圖片來源：Pickering Electronics)

雖然這些極端的生命周期數(shù)字似乎沒有必要，但某些設(shè)備的壽命測試確實(shí)需要這種級別的高強(qiáng)度運(yùn)行。圖3所示的Pickering 40/42-878 PXI和PXIe MEMS射頻多路復(fù)用器可處理高達(dá)25 W的功率，工作時間為50微秒，遠(yuǎn)快于傳統(tǒng)的干簧開關(guān)。

Pickering 和 Menlo Microsystems 并不是干簧和 MEMS 繼電器的唯一供應(yīng)商。其他一些來源包括 Coto Technology、Cynergy3/Sensata Technologies、Littelfuse、Toward Technologies 和 Standex Electronics。

結(jié)論

在導(dǎo)體之間提供物理、歐姆、機(jī)械接觸的繼電器仍然被廣泛需要。幾十年前，傳統(tǒng)的基于電樞的繼電器加入了簧片繼電器，干簧繼電器已經(jīng)從僅音頻頻段發(fā)展到千兆赫茲功能。反過來，干簧繼電器也面臨著基于 MEMS 的繼電器的挑戰(zhàn)，這些繼電器在許多方面提供可比的性能，但也具有獨(dú)特的屬性。