MEMS開關(guān)主要類型

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，電子開關(guān)的作用主要是控制電路的通與斷，且必須快速高效地響應(yīng)輸入信號(hào)。微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）開關(guān)是由半導(dǎo)體制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)的、具有3D結(jié)構(gòu)的微小可調(diào)元件。與傳統(tǒng)的PN結(jié)二極管和場效應(yīng)晶體管（FET）相比，MEMS開關(guān)可降低功耗、降低插入損耗并改善隔離，在高集成度和小尺寸方面具有更多優(yōu)勢。

MEMS開關(guān)市場規(guī)模的快速增長為信號(hào)控制系統(tǒng)的增強(qiáng)提供了令人信服的證據(jù)。目前，MEMS開關(guān)技術(shù)成了軍事防御系統(tǒng)、醫(yī)療器械、汽車、微光機(jī)電系統(tǒng)（MOEMS）和無線通信領(lǐng)域的“寵兒”。

MEMS開關(guān)主要類型

在過去的幾十年里，幾種MEMS開關(guān)技術(shù)不斷發(fā)展，了解其工作原理對開發(fā)新型器件至關(guān)重要。雖然沒有既定的MEMS開關(guān)分類，但可以根據(jù)不同特征（如對外部電源的要求）進(jìn)行分類。當(dāng)前的MEMS開關(guān)可分為有源和無源。有源開關(guān)包括電氣、機(jī)械、光化學(xué)和類似能量場轉(zhuǎn)換為機(jī)械能以產(chǎn)生位移。無源MEMS開關(guān)利用本身結(jié)構(gòu)為慣性執(zhí)行器收集能量，由于不需要額外的能量輸入，因此具有出色的存儲(chǔ)效率，并能夠抵御電磁波的干擾。

在另一種分類方式中，MEMS開關(guān)通?？梢苑譃榉枪杌凸杌?。硅基MEMS開關(guān)是在SOI襯底上進(jìn)行一系列相對簡單的工藝流程制造，制作出高度精確的形狀。但是，當(dāng)硅基MEMS開關(guān)的結(jié)構(gòu)層材料直接作為觸點(diǎn)時(shí)，相比導(dǎo)電材料其電阻會(huì)增加，導(dǎo)致信號(hào)不清。為了降低接觸電阻，必須使用低電阻金屬覆蓋于電極接觸表面。此外，硅也不適合高負(fù)載和沖擊系統(tǒng)的襯底和結(jié)構(gòu)層。

硅基MEMS開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖

非硅基MEMS開關(guān)主要采用超精密加工方法，或光刻、鍍鋅（電鍍）和注塑成型（LGA）等制造深寬比（aspect-ratio）較大的微型結(jié)構(gòu)的先進(jìn)光刻技術(shù)。在金屬基MEMS開關(guān)中，多層可調(diào)結(jié)構(gòu)通常通過微電鍍實(shí)現(xiàn)或采用鎳制造。與硅基MEMS開關(guān)的特性相比，金屬元件具有出色的導(dǎo)電性能、機(jī)械特性和韌性。金屬基MEMS開關(guān)能夠解決接觸電阻偏大的問題，但金屬的微結(jié)構(gòu)制造尚未成熟。在整個(gè)制造過程中，開關(guān)可能會(huì)變形，因此產(chǎn)品良率偏低。

此外，MEMS開關(guān)還可以根據(jù)接觸模式（即電容式和電阻式）進(jìn)行分類。這種分類方式在射頻應(yīng)用中很受歡迎。電容式MEMS開關(guān)適用于3 MHz至30 MHz的高頻應(yīng)用，利用電容耦合實(shí)現(xiàn)電路的開或關(guān)。相比之下，電阻式MEMS開關(guān)通常用于30 kHz至300 kHz的低頻應(yīng)用。

性能要求

MEMS開關(guān)的性能在設(shè)計(jì)和制造階段不斷優(yōu)化。主要性能參數(shù)包括切換時(shí)間、驅(qū)動(dòng)電壓、可靠性和功耗。可靠性是設(shè)計(jì)優(yōu)化的關(guān)鍵參數(shù)，可以通過潛在失效模式分析進(jìn)行改善。

電容式MEMS開關(guān)因利用其電氣特性而非機(jī)械性能，容易損壞。電荷對電壓的變化率和電荷積累應(yīng)變指數(shù)可用于評估此類開關(guān)的故障率。大多數(shù)情況下，電容式MEMS開關(guān)出現(xiàn)失效都是因?yàn)榻殡妼又须姾傻牟粩喾e累而最終導(dǎo)致閂鎖效應(yīng)和驅(qū)動(dòng)電壓漂移。因此，電容式MEMS開關(guān)的優(yōu)化技術(shù)必須側(cè)重于減少電荷積累。

大多數(shù)電阻式MEMS開關(guān)失效是由接觸疲勞引起。機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致觸點(diǎn)表面磨損和變形，而電氣應(yīng)力主要導(dǎo)致觸點(diǎn)表面的熔化和電遷移，最終導(dǎo)致較高的接觸電阻。一般來說，接觸阻力必須低于1歐姆至2歐姆。因此，正確選擇接觸材料對可靠性至關(guān)重要?？筛鶕?jù)材料的熔點(diǎn)、硬度、電阻、對有機(jī)污染和無機(jī)污染的敏感度進(jìn)行選擇。

結(jié)論

目前已經(jīng)開發(fā)出許多MEMS開關(guān)，可以分為有源和無源、硅基和非硅基、電容式和電阻式。設(shè)計(jì)MEMS開關(guān)時(shí)，必須優(yōu)化的主要性能參數(shù)是切換時(shí)間、驅(qū)動(dòng)電壓、可靠性和功耗。設(shè)計(jì)工程師正專注于改善上述參數(shù)，確保MEMS開關(guān)行業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

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