一文帶你深入了解機械耐用、功耗低的MEMS開關

解決大問題需要開創(chuàng)性的技術。機電繼電器早在電報問世之初就已存在，但沒有其他替代的開關技術可滿足所有市場需求——特別是對于測試和測量、通信、防務、醫(yī)療保健和消費類市場中智能性和互聯性更強的應用需求。

作為不斷增長的市場需求的一個例子，測試和測量終端用戶要求多標準測試解決方案的尺寸盡可能最小，在0 Hz/dc至數百GHz的頻率范圍內需要實現最高并行測試。機電繼電器的帶寬窄、動作壽命有限、通道數有限以及封裝尺寸較大，因此對系統設計人員的限制日益增大。

微機電系統 (MEMS) 開關具有創(chuàng)新性，可以替代繼電器并將行業(yè)推向更高水平。憑借內部最先進的MEMS開關制造設備，ADI公司目前可以批量生產高性能的快速小型MEMS開關，此類開關的特點是機械耐用、功耗低且具有靜電放電 (ESD) 保護功能。

ADI MEMS開關技術的關鍵是靜電驅動的微機械加工黃金懸臂梁開關元件概念。可以將MEMS開關視作微米尺度的機械繼電器，其金屬對金屬觸點通過高壓直流靜電驅動。

圖1顯示了單個MEMS開關懸臂的特寫圖。其中可看到并聯的的五個觸點和具有下面有空隙的鉸鏈結構。這一開關設計用于ADGM1304單刀四擲 (SP4T) MEMS開關和具有增強型ESD保護性能的ADGM1004SP4T開關。

圖1. 特寫圖顯示了一個MEMS懸臂開關梁

ADI設計了一個配套驅動器集成電路 (IC)，以產生驅動開關所需 的高直流電壓，保證快速可靠的驅動和長使用壽命，并使器件易 于使用。

圖2顯示了采用超小型SMD QFN封裝的MEMS芯片和驅動器IC。被封裝在一起的驅動器功耗非常低——典型值為10 mW，比RF繼電器的典型驅動器要求低10倍。

圖2. ADGM1004增強型ESD保護MEMS開關

借助ADGM1304 MEMS開關產品，ADI開發(fā)了ADGM1004 MEMS開關，通過集成固態(tài)ESD保護技術來增強RF端口ESD性能。ADGM1004開關的RF端口人體模型 (HBM) ESD額定值已增加到5 kV。這個級別的ESD保護可謂MEMS開關行業(yè)首創(chuàng)。

集成式固態(tài)ESD保護是專有的ADI技術，可實現非常高的ESD保護 同時對MEMS開關RF性能影響最小。圖3顯示了采用SMD QFN封裝的ESD保護元件。其中，芯片安放在MEMS芯片上，通過焊線連接至封裝的RF引腳。這些都是針對RF和ESD性能進行了優(yōu)化。

圖3. ADGM1004驅動器IC（左）和MEMS開關芯片（右），帶RF端口ESD保護芯片安放在MEMS管芯之上并線焊至金屬引線框架。

為了實現ADGM1004產品，ADI將三種專有光刻技術與組裝和MEMS封蓋技術相結合，以實現這一性能突破。

MEMS開關的優(yōu)勢是它在一個非常小的表貼封裝中實現了0 Hz/dc精密性和寬帶RF性能。圖4顯示了ADGM1004單刀四擲 (SP4T) MEMS開關的實測插入損耗和關斷隔離性能。插入損耗在2.5 GHz時僅為0.45 dB，在帶寬高達13 GHz時為–3 dB。RF功率處理額定值為32 dBm（無壓縮），三階交調截點 (IP3) 線性度在頻率范圍內恒定為67 dBm（典型值），頻率極低時無性能降低。

圖4. ADGM1004 MEMS開關RF性能線性標度<10 MHz

ADGM1004 MEMS開關設計為0 Hz/dc精密應用提供極高的性能。表1列出了這些重要規(guī)格。

表1. ADGM1004精度規(guī)格I

表1列出了HBM ESD額定值，RF端口的額定值為5 kV HBM，相比ADGM1304器件的100V HBM有大幅提升。這提高了人工處理ESD敏感型應用的易用性。

表2. ADGM1004精度規(guī)格II

無論什么市場，小尺寸解決方案都是一項關鍵要求。圖5利用實物 照片比較了ADGM1004 SP4T MEMS開關的封裝設計與典型DPDT機電繼電器的尺寸，ADGM100體積縮小了高達95%。

圖5. ADGM1004 MEMS開關（四開關）與典型機電式RF繼電器（四開關）的比較。

最后，為了幫助系統設計人員，我們對ADGM1004開關的熱切換壽命（進行RF功率傳輸時對通道進行切換）進行了特性化測試。圖6顯示了進行2 GHz、10 dBm RF信號熱切換時的壽命概率。樣本測試的故障前平均循環(huán)次數 (T50) 為34億次。更高的功率測試結果，請參見ADGM1004數據手冊。

圖6. 10 dBm RF信號熱切換時95%置信區(qū)間 (CI) 下的對數正態(tài)故障概率。

具有開創(chuàng)性的增強型ESD保護性能的ADGM1004 MEMS開關可以大幅提高易用性，同時在RF應用和0 Hz/dc應用中都能保持卓越的開關性能。ADI的MEMS開關技術具有從0 Hz/dc開始的世界頂級的帶寬性能，相比RF繼電器，MEMS開關的體積縮小多達95%，可靠性提升10倍，速度提升30倍，功耗降低10倍。ADGM1004 MEMS開關為ADI公司性能優(yōu)異的開關產品陣營又添異彩。