集成場效應晶體管（FET）的MEMS繼電器，可以提高功率水平，從而摘掉MEMS元件長期被扣的“低功率”帽子。
據麥姆斯諮詢報道，在2019年亞太經濟合作組織峰會上，Menlo Micro展示了一款採用MEMS技術製造的新型功率繼電器。Menlo Micro是一家從通用電氣（General Electric，GE）獨立出來的公司，致力於為磁共振成像（MRI）和其它醫療設備開發可靠、安全的功率開關。
Menlo Micro首先將獲得通用電氣許可的技術應用於射頻（RF）和其它低功率應用。現在，Menlo Micro已設計出可以處理150V、3A的MEMS繼電器：MM1200（如圖1所示）。該公司稱MM1200可以在85℃運行三十億次。用戶可以通過串行外圍接口（SPI）總線來操作這六個開關。六個開關中的任何一個都可以處理1A的電流，但封裝後的總電流限制為3A。
圖1：Menlo Micro推出的MEMS繼電器MM1200與傳統繼電器尺寸對比
這款繼電器的FET與MEMS觸點並聯。FET可以消除觸點的電弧，因為元件內部的控制電路會在觸點斷開後關閉FET。FET會在觸點閉合之前導通，因此導通時間僅為10µs，與傳統的MEMS開關相比速度大幅提高。
FET並聯
Menlo Micro提供的資料並未明確表明FET採用並聯模式，但可以通過推理得出這個結論。首先，資料稱“交流或直流電壓額定值為+150V”。“交流”表示是雙極器件，而“+”表示只能處理正電壓。要切換交流電，需要兩顆器件背靠背，類似於使用兩顆FET背靠背放置的固態繼電器（SSR）。此外，與FET相似，向觸點施加150V電壓時的漏電流規格為19pA，但暫無漏電流隨溫度變化的相關信息。
並聯FET實現機械觸點的想法很巧妙，可以兼顧兩種情況。還可能帶來兩種最壞的情況，例如：FET柵極電荷注入到源極和米勒效應。用戶應該確認應用中不會出現這些問題。考慮到溫度限制，器件分為85℃和100℃兩種版本。請注意，採用49引腳BGA封裝的器件，接地引腳數量為27個，滿足散熱要求。導通電阻為500mΩ，因此1A電流將產生500mW的多餘熱量。任何事物都具有兩面性，牢記這一點，用戶才能對可能出現的問題進行研究。
MEMS繼電器採用靜電驅動模式，不易受到雜散磁場的影響。對於傳統的繼電器來講，雜散磁場的問題卻難以克服。由於觸點是靜電驅動模式，必須提供75V的偏置電壓和5V的邏輯電壓，此時引腳功耗約100µA。
噪音問題
除了FET開關會注入電荷外，靜電柵極與觸點的距離還非常近（圖2）。這意味著75V偏置電壓的任何噪聲都可能“滲入”信號路徑。對大多數應用來講這或許不是問題，但潛在問題仍然需要注意。
圖2：通過對柵極施加75V電源信號，SPI命令可閉合Menlo Micro的MEMS繼電器內部觸點
而談及MEMS器件密閉性是否有助於實現所需的爬電距離和氣隙距離，Menlo Micro產品開發高級副總裁Chris Giovanniello這樣回答說：“是的，這是密封的，這很關鍵。我們能夠在很小的氣隙中承受200V或400V的高電壓，且不會產生電弧。”
當談及定價問題時，Giovanniello指出“當訂單達到數百萬量級，我們希望為客戶提供的報價是每通道不到1美元，因此該元件為6美元。”Menlo Micro已提供工程樣品，並計劃在2020年第一季度開始量產，該價格將兌現給已經確認的客戶。
帕申定律（Paschen’s Law）
為了允許靜電操作，用戶希望觸點距離達到最小。對於額定電源為150V的繼電器，這似乎是一個問題。Giovanniello提醒大家注意帕申定律，即觸點之間的距離與電弧電壓的關係（圖3）。他指出，通過查看圖表，“您將獲得一些與我們所做工作相關的物理學提示。這是違反物理規律的，但有時較小的氣隙可以為您提供更高電壓且不會產生電弧。”
圖3：帕申定律定義：當兩個觸點之間距離減小時，觸點之間的電弧電壓會升高
上圖顯示了擊穿電壓與氣壓和氣隙距離乘積的關係。靜電驅動需要很小的氣隙距離，來改善元件的電壓擊穿。Menlo Micro也有可能調整氣壓或填充氣體以獲得更高的擊穿電壓。
Menlo Micro在MEMS開關領域也頗有建樹（圖4），已成功開發出射頻（RF）開關。射頻開關技術源自通用電氣和康寧（Corning）。Menlo Micro使用擁有專利的合金材料電鍍在玻璃晶圓上，而康寧提供的晶圓採用玻璃通孔（TGV）工藝，從而實現MEMS性能。
圖4：Menlo Micro最初通過製造RF開關來打磨MEMS技術
Giovanniello解釋說：“Menlo Micro在製造高可靠性接觸開關的先進材料和工藝方面做出了大量創新。特別是定製合金，其機械強度高、使用壽命長、導電性高、損耗低。我們還可以在硅晶圓或玻璃晶圓上製造這些開關，無論是隔離還是射頻性能都已經達到最佳水平。這很獨特，因為很少有MEMS工藝是基於玻璃實現的。”
Menlo Micro在高功率MEMS開關領域也做了很多研究和開發。一些研究人員正在研究磁驅動，在較低的電壓下產生更大的接觸力。其它研究稱已經達到了擊穿電壓為1000V的里程碑，每個開關的負載電流接近1A。如果能夠投入生產，那將意味著在驅動引腳和觸點之間具有電氣隔離的真正雙極繼電器誕生了。
MEMS RF開關
大多數用於射頻應用的MEMS開關不必承載大電流（圖5）。亞德諾半導體（ADI）佈局了眾多MEMS開關產品，毫無疑問，這得益於他們對MEMS加速度計的開創性研究。ADI在其官網上對開關技術也進行了深入的剖析。
圖5：ADI針對射頻應用提供多種MEMS開關，圖中所示的引線鍵合則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、晶體管或三端雙向可控硅開關對傳統繼電器進行整流的思路也值得借鑑。由於觸點斷開時有源器件正在承受負載，因此用戶將同樣受益於無電弧放電的優勢。繼電器壽命可接近空載壽命。通過在觸點導通之前施加有源器件，還能延長觸點壽命，因為當觸點彈跳導通時將不會承載電流。
如果用戶希望器件壽命長，簧片繼電器不失為選擇之一。幾十年前，簧片繼電器為電話機應用而誕生，使用壽命很長，密封性與MEMS繼電器相當。製造商約十二家，相信您能夠找到適合自己的元件。傳統的電水壺發生著火現象之後，密封型繼電器逐漸受到歡迎（圖6）。
圖6：Cuisinart茶壺內燒燬的繼電器。拆下頂部，發現內部損壞程度很嚴重。非密封型繼電器在潮溼環
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