电子产品世界

第 1 部分介绍了基础知识，第 2 部分探讨了干簧继电器及其在 ATE 应用中的应用，而最后一节则介绍了基于 MEMS 的继电器及其在 ATE 应用中的功能。

颠覆：基于MEMS的GHz继电器

磁驱动簧片继电器的优点和功能是显而易见的，那么为什么要改变呢？这是通常的故事：技术不断发展，并且经常使相关技术适应现有应用程序。

这是继电器需要有形身体接触的情况。微机电系统 （MEMS） 技术自 1990 年代商业化以来不断发展，最初是用于触发安全气囊的开/关加速度计，然后是用于导航的加速度计和陀螺仪。MEMS技术现在也用于需要物理电路触点开关的情况。

MEMS 开关技术基于静电驱动的微机械悬臂梁开关元件。它是一种微米级机械继电器，具有通过静电驱动的金属对金属触点，而不是像簧片继电器或传统电枢继电器那样使用磁性。

该开关以三端子配置连接。图 1 是开关的简化图形表示，案例 A 显示开关处于关闭位置。当直流电压施加到栅极上时，开关梁上会产生静电下拉力。这与平行板电容器中看到的静电力相同，具有相互吸引的正负电极板。

图 1.基于 MEMS 的开关使用静电力而不是磁力来驱动。（图片来源：ADI公司)

当栅极电压上升到足够高的值时，它会产生足够的吸引力（红色箭头）来克服开关梁的电阻弹簧力，并且栅极开始向下移动，直到触点接触漏极，如情况 B 2 所示。这样就完成了源极和漏极之间的电路，开关现在导通。

将开关梁向下拉所需的实际力与悬臂梁的弹簧常数及其运动阻力有关。请注意，即使在 ON 位置，开关梁仍然有弹力将开关向上拉（蓝色箭头），但只要向下拉的静电力（红色箭头）较大，开关就会保持打开状态。

最后，当栅极电压被移除（情况 C）时，栅极电极上为 0 伏，静电吸引力消失。开关梁充当弹簧，具有足够的恢复力（蓝色箭头）来打开源极和漏极之间的连接，然后返回到原来的关闭位置。

这似乎是一个简单的概念，但实际制造是一个巨大的挑战，需要许多关键的 CMOS IC 步骤，包括溅射、分层、蚀刻等。此外，为了提高可靠性，将高电阻率硅电容粘合到 MEMS 芯片上，以在 MEMS 开关磁芯周围形成密封保护外壳。通过以这种方式密封开关，可以提高开关的环境稳健性和循环寿命，而不受所使用的外部封装技术的影响。

请注意，MEMS开关不限于基本的SPST配置，如图2所示，其中四个MEMS开关采用单刀四掷（ST4P）多路复用器配置。每个开关梁有五个并联的欧姆触点，以减少电阻并增加开关闭合时的功率处理能力。

图 2.这种基于单掷四极 （SP4T） MEMS 的触点闭合设计提供四个电路路径，每个路径都有多个并联触点以降低电阻。（图片来源：ADI公司)

合适的驱动电路是干簧开关和基于MEMS的开关之间的另一个主要区别。干簧开关需要驱动线圈的电流驱动，而 MEMS 开关需要高电压来产生静电场。为了减少高压挑战，一些基于 MEMS 的开关供应商将高压驱动芯片与 MEMS 器件共同封装，因此用户只需以适中功率（10 至 20 mW）施加低电压（通常为 5 伏）即可驱动。

请注意，与基于干簧继电器的器件相比，基于 MEMS 的开关确实有其缺点。一个重要的区别是 MEMS 器件与“热插拔”不兼容，即在通电的情况下插入或移除器件或其电路板。必须关闭系统或机箱电源，插入或移除设备或主板，然后才能通电。

基于 MEMS 的继电器可以轻松处理低千兆赫兹范围内的信号。认识到这些继电器的潜力，干簧继电器和 ATE 开关系统供应商（例如 Pickering）已与 MESM 供应商合作，提供使用这种新技术的系统。

例如，Pickering与Menlo Microsystems（一家专门为各种应用开发先进MEMS技术的技术公司）合作，开发和销售基于MEMS的PXI和PXIe射频多路复用器产品线。Menlo Micro 的理想开关提供高达 4 GHz 的出色射频特性和超过 30 亿次作的使用寿命，与基于 EMR 的解决方案通常提供的最高 1000 万次作相比有了显着改进。

图 3.像这样的射频多路复用器板具有三种不同的通道数，使用基于 MEMS 的开关而不是干簧继电器。（图片来源：Pickering Electronics)

虽然这些极端的生命周期数字似乎没有必要，但某些设备的寿命测试确实需要这种级别的高强度运行。图3所示的Pickering 40/42-878 PXI和PXIe MEMS射频多路复用器可处理高达25 W的功率，工作时间为50微秒，远快于传统的干簧开关。

Pickering 和 Menlo Microsystems 并不是干簧和 MEMS 继电器的唯一供应商。其他一些来源包括 Coto Technology、Cynergy3/Sensata Technologies、Littelfuse、Toward Technologies 和 Standex Electronics。

结论

在导体之间提供物理、欧姆、机械接触的继电器仍然被广泛需要。几十年前，传统的基于电枢的继电器加入了簧片继电器，干簧继电器已经从仅音频频段发展到千兆赫兹功能。反过来，干簧继电器也面临着基于 MEMS 的继电器的挑战，这些继电器在许多方面提供可比的性能，但也具有独特的属性。

关键词： 干簧继电器 声带呼叫 GHz ATE MEMS中断