Menlo Micro推出MEMS继电器，再创功率极限记录
2019-10-28 08:24:18   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

集成场效应晶体管（FET）的MEMS继电器，可以提高功率水平，从而摘掉MEMS元件长期被扣的“低功率”帽子。

据麦姆斯咨询报道，在2019年亚太经济合作组织峰会上，Menlo Micro展示了一款采用MEMS技术制造的新型功率继电器。Menlo Micro是一家从通用电气（General Electric，GE）独立出来的公司，致力于为磁共振成像（MRI）和其它医疗设备开发可靠、安全的功率开关。

Menlo Micro首先将获得通用电气许可的技术应用于射频（RF）和其它低功率应用。现在，Menlo Micro已设计出可以处理150V、3A的MEMS继电器：MM1200（如图1所示）。该公司称MM1200可以在85℃运行三十亿次。用户可以通过串行外围接口（SPI）总线来操作这六个开关。六个开关中的任何一个都可以处理1A的电流，但封装后的总电流限制为3A。

图1：Menlo Micro推出的MEMS继电器MM1200与传统继电器尺寸对比

这款继电器的FET与MEMS触点并联。FET可以消除触点的电弧，因为元件内部的控制电路会在触点断开后关闭FET。FET会在触点闭合之前导通，因此导通时间仅为10µs，与传统的MEMS开关相比速度大幅提高。

FET并联

Menlo Micro提供的资料并未明确表明FET采用并联模式，但可以通过推理得出这个结论。首先，资料称“交流或直流电压额定值为+150V”。“交流”表示是双极器件，而“+”表示只能处理正电压。要切换交流电，需要两颗器件背靠背，类似于使用两颗FET背靠背放置的固态继电器（SSR）。此外，与FET相似，向触点施加150V电压时的漏电流规格为19pA，但暂无漏电流随温度变化的相关信息。

并联FET实现机械触点的想法很巧妙，可以兼顾两种情况。还可能带来两种最坏的情况，例如：FET栅极电荷注入到源极和米勒效应。用户应该确认应用中不会出现这些问题。考虑到温度限制，器件分为85℃和100℃两种版本。请注意，采用49引脚BGA封装的器件，接地引脚数量为27个，满足散热要求。导通电阻为500mΩ，因此1A电流将产生500mW的多余热量。任何事物都具有两面性，牢记这一点，用户才能对可能出现的问题进行研究。

MEMS继电器采用静电驱动模式，不易受到杂散磁场的影响。对于传统的继电器来讲，杂散磁场的问题却难以克服。由于触点是静电驱动模式，必须提供75V的偏置电压和5V的逻辑电压，此时引脚功耗约100µA。

噪音问题

除了FET开关会注入电荷外，静电栅极与触点的距离还非常近（图2）。这意味着75V偏置电压的任何噪声都可能“渗入”信号路径。对大多数应用来讲这或许不是问题，但潜在问题仍然需要注意。

图2：通过对栅极施加75V电源信号，SPI命令可闭合Menlo Micro的MEMS继电器内部触点

而谈及MEMS器件密闭性是否有助于实现所需的爬电距离和气隙距离，Menlo Micro产品开发高级副总裁Chris Giovanniello这样回答说：“是的，这是密封的，这很关键。我们能够在很小的气隙中承受200V或400V的高电压，且不会产生电弧。”

当谈及定价问题时，Giovanniello指出“当订单达到数百万量级，我们希望为客户提供的报价是每通道不到1美元，因此该元件为6美元。”Menlo Micro已提供工程样品，并计划在2020年第一季度开始量产，该价格将兑现给已经确认的客户。

帕申定律（Paschen’s Law）

为了允许静电操作，用户希望触点距离达到最小。对于额定电源为150V的继电器，这似乎是一个问题。Giovanniello提醒大家注意帕申定律，即触点之间的距离与电弧电压的关系（图3）。他指出，通过查看图表，“您将获得一些与我们所做工作相关的物理学提示。这是违反物理规律的，但有时较小的气隙可以为您提供更高电压且不会产生电弧。”

图3：帕申定律定义：当两个触点之间距离减小时，触点之间的电弧电压会升高

上图显示了击穿电压与气压和气隙距离乘积的关系。静电驱动需要很小的气隙距离，来改善元件的电压击穿。Menlo Micro也有可能调整气压或填充气体以获得更高的击穿电压。

Menlo Micro在MEMS开关领域也颇有建树（图4），已成功开发出射频（RF）开关。射频开关技术源自通用电气和康宁（Corning）。Menlo Micro使用拥有专利的合金材料电镀在玻璃晶圆上，而康宁提供的晶圆采用玻璃通孔（TGV）工艺，从而实现MEMS性能。

图4：Menlo Micro最初通过制造RF开关来打磨MEMS技术

Giovanniello解释说：“Menlo Micro在制造高可靠性接触开关的先进材料和工艺方面做出了大量创新。特别是定制合金，其机械强度高、使用寿命长、导电性高、损耗低。我们还可以在硅晶圆或玻璃晶圆上制造这些开关，无论是隔离还是射频性能都已经达到最佳水平。这很独特，因为很少有MEMS工艺是基于玻璃实现的。”

Menlo Micro在高功率MEMS开关领域也做了很多研究和开发。一些研究人员正在研究磁驱动，在较低的电压下产生更大的接触力。其它研究称已经达到了击穿电压为1000V的里程碑，每个开关的负载电流接近1A。如果能够投入生产，那将意味着在驱动引脚和触点之间具有电气隔离的真正双极继电器诞生了。

MEMS RF开关

大多数用于射频应用的MEMS开关不必承载大电流（图5）。亚德诺半导体（ADI）布局了众多MEMS开关产品，毫无疑问，这得益于他们对MEMS加速度计的开创性研究。ADI在其官网上对开关技术也进行了深入的剖析。

图5：ADI针对射频应用提供多种MEMS开关，图中所示的引线键合则提出了更小元件尺寸的概念

即使不使用MEMS器件，Menlo Micro利用FET、晶体管或三端双向可控硅开关对传统继电器进行整流的思路也值得借鉴。由于触点断开时有源器件正在承受负载，因此用户将同样受益于无电弧放电的优势。继电器寿命可接近空载寿命。通过在触点导通之前施加有源器件，还能延长触点寿命，因为当触点弹跳导通时将不会承载电流。

如果用户希望器件寿命长，簧片继电器不失为选择之一。几十年前，簧片继电器为电话机应用而诞生，使用寿命很长，密封性与MEMS继电器相当。制造商约十二家，相信您能够找到适合自己的元件。传统的电水壶发生着火现象之后，密封型继电器逐渐受到欢迎（图6）。

图6：Cuisinart茶壶内烧毁的继电器。拆下顶部，发现内部损坏程度很严重。非密封型继电器在潮湿环境中使用存在隐患。

延伸阅读：

《亚德诺半导体RF MEMS开关：ADGM1304和ADGM1004》