第 1 部分介紹了基礎知識，第 2 部分探討了干簧繼電器及其在 ATE 應用中的應用，而最后一節則介紹了基于 MEMS 的繼電器及其在 ATE 應用中的功能。

顛覆：基于MEMS的GHz繼電器

磁驅動簧片繼電器的優點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：技術不斷發展，并且經常使相關技術適應現有應用程序。

這是繼電器需要有形身體接觸的情況。微機電系統 （MEMS） 技術自 1990 年代商業化以來不斷發展，最初是用于觸發安全氣囊的開/關加速度計，然后是用于導航的加速度計和陀螺儀。MEMS技術現在也用于需要物理電路觸點開關的情況。

MEMS 開關技術基于靜電驅動的微機械懸臂梁開關元件。它是一種微米級機械繼電器，具有通過靜電驅動的金屬對金屬觸點，而不是像簧片繼電器或傳統電樞繼電器那樣使用磁性。

該開關以三端子配置連接。圖 1 是開關的簡化圖形表示，案例 A 顯示開關處于關閉位置。當直流電壓施加到柵極上時，開關梁上會產生靜電下拉力。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電極板。

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

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

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

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

這似乎是一個簡單的概念，但實際制造是一個巨大的挑戰，需要許多關鍵的 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 開關磁芯周圍形成密封保護外殼。通過以這種方式密封開關，可以提高開關的環境穩健性和循環壽命，而不受所使用的外部封裝技術的影響。

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

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

合適的驅動電路是干簧開關和基于MEMS的開關之間的另一個主要區別。干簧開關需要驅動線圈的電流驅動，而 MEMS 開關需要高電壓來產生靜電場。為了減少高壓挑戰，一些基于 MEMS 的開關供應商將高壓驅動芯片與 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）即可驅動。

請注意，與基于干簧繼電器的器件相比，基于 MEMS 的開關確實有其缺點。一個重要的區別是 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。必須關閉系統或機箱電源，插入或移除設備或主板，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的信號。認識到這些繼電器的潛力，干簧繼電器和 ATE 開關系統供應商（例如 Pickering）已與 MESM 供應商合作，提供使用這種新技術的系統。

例如，Pickering與Menlo Microsystems（一家專門為各種應用開發先進MEMS技術的技術公司）合作，開發和銷售基于MEMS的PXI和PXIe射頻多路復用器產品線。Menlo Micro 的理想開關提供高達 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。

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

雖然這些極端的生命周期數字似乎沒有必要，但某些設備的壽命測試確實需要這種級別的高強度運行。圖3所示的Pickering 40/42-878 PXI和PXIe MEMS射頻多路復用器可處理高達25 W的功率，工作時間為50微秒，遠快于傳統的干簧開關。

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

結論

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