MEMS开关

MEMS器件在射频比如无线通信上有很好的应用。RF MEMS谐振器和诱导器品质因子在微波上有大幅度提高。MEMS开关极大地改进了高频性能和降低了能耗。本篇概要介绍MEMS开关。 
自从1979年彼特森（K. E. Petersen）提出微加工继电器以来，许多种类的MEMS开关被开发出来。随着微加工技术的发展，MEMS开关的价格因为材料成本的降低和使用寿命的延长而下降。 
MEMS开关是用微机械加工技术集成在普通硅片上的开关。它用在射频到毫米波（0.1到1000GHz）的通讯上。与传统半导体器件比如双极型晶体管和金属氧化物场效应晶体管相比，MEMS开关的优点在于信号失真小、信号跟驱动隔开、功耗低、线性好、尺寸小和寿命长等。它可以被广泛地应用于远程通讯系统、无线通讯、自动测试设备和快速数据采集等。 
MEMS开关的工作原理各式各样，大多数用静电驱动。MEMS开关的微接触力从几十到几百微牛顿，其基本电学性能主要是在这个范围内的接触电阻、击穿电压、热耗散和表面损毁等。 
表一列出了MEMS继电器（MMR）跟砷化钾场效应管、二极管以及电磁继电器（EMR）的性能比较。 

（表一）  
大多数MEMS开关的结构包含三部分：（1）机械可活动部件——悬臂或横梁；（2）电驱动部件——电容或线圈；（3）信号线路——接触点和引线。对应不同的驱动机制，相应的MEMS开关的类型有静电、电磁、压电体以及热等。下面是几种典型的MEMS开关。

一、静电驱动的MEMS开关 
在静电驱动的MEMS开关中，电压使正反电荷聚集在两块平行的电容板上，从而产生静电吸引力。一般需要50伏左右电压才能产生足够的吸引力。图一是原理图。 
图二是一个65微米乘30微米的MEMS开关。

 （图一）
 

（图二）

二、电磁驱动的MEMS开关

电磁开关利用电磁吸引或排斥力作驱动。线圈通电时产生磁场将镀有软磁材料的悬臂向下拉。 图三是一个结构示意图。

图四是一个“U”芯的电磁开关。器件尺寸为5x4平方毫米，接触电阻0.4欧姆，驱动功率16毫瓦，以及开关速度1毫秒。 

（图三） 

（图四）

三、热驱动MEMS开关 
　　图五是一个典型的热驱动MEMS开关的示意图。悬臂含有热膨胀系数不同的两种材料。当悬臂被加热时，两种材料的不同膨胀将会导致悬臂弯曲，自由端接触衬底上的电极。这种开关的优点是接触力很大，缺点是开关慢。 图六是一个制造在硅片上的热驱动MEMS开关。悬臂是p+型硅，大小500x100x4立方微米，上面镀有膨胀系数不同的氮化硅和金。

 （图五）

 （图六）

四、压电体驱动的MEMS开关
　　压电体开关的工作原理是在不同电压下，压电材料会机械膨胀或收缩。一般悬梁长度在0.1到1毫米，宽在20到200微米。（图七）压电体MEMS开关的开启很快，在100纳秒到一微妙之间。 

（图七）  
　　下面是几种MEMS开关的性能比较。（表二）最后一种叫磁闭锁（Magnetic Latching）的MEMS开关具有驱动电压低、功耗小、开关快，尤其它具有双稳态，也就是说它的开和关两个状态在无需外界帮助或者消耗能量下都能保持稳定。笔者将另外撰文专门介绍这种MEMS开关。

MEMS开关	驱动电压	接触电阻	功率消耗	开关速度	双稳态
静电	高	一般	低	一般	没有
电磁	低	一般	高	一般	没有
热	一般	低	高	慢	没有
压电	低	低	低	快	没有
磁闭锁	低	低	低	快	有