詳解ADI的MEMS開關(guān)技術(shù)

在過去的30年間，MEMS開關(guān)被一致認(rèn)為是性能有限的機電式繼電器的優(yōu)越取代品。 透過易于使用、能夠以損失最小的情況下，可靠的進(jìn)行從0 Hz/dc至數(shù)百GHz路由的小型開關(guān)，因而徹底改變了電子系統(tǒng)實現(xiàn)的方法。

此性能上的優(yōu)勢會對大量設(shè)備類型與應(yīng)用范圍造成沖擊。 透過MEMS開關(guān)技術(shù)，讓電子量測系統(tǒng)、國防系統(tǒng)應(yīng)用以及健康照護設(shè)備得以在性能與外型上實現(xiàn)以往難以達(dá)成的水平。

建立龐大產(chǎn)品事業(yè)

現(xiàn)代的開關(guān)技術(shù)都具有其缺點，因而沒有一項技術(shù)可以成為理想的解決方案。 繼電器的缺點包含了狹窄帶寬、有限的致動壽命、有限的信道數(shù)量以及大型的包裝尺寸。 相較于繼電器，MEMS技術(shù)一直都具有提供世界級RF開關(guān)性能的潛力，以及在小巧外型中實現(xiàn)可靠度的數(shù)量級提升。

許多嘗試開發(fā)MEMS開關(guān)技術(shù)的公司都是已經(jīng)有可靠的產(chǎn)品量產(chǎn)時投入，卻因這個挑戰(zhàn)受到阻礙。 首先跨入MEMS開關(guān)研究的公司之一就是Foxboro公司，在1984年就提交了世界第一個機電式MEMS開關(guān)專利。 ADI從1990年開始就已經(jīng)以早期學(xué)術(shù)項目跨入了MEMES開關(guān)技術(shù)的研究；在1998年時，ADI就已經(jīng)開發(fā)出導(dǎo)向早期原型的MEMS開關(guān)設(shè)計；而在2011年時，ADI對于其MEMS開關(guān)計劃做了大幅的投資，由此帶動了ADI自身最先進(jìn)MEMS開關(guān)制造設(shè)施的建構(gòu)。

現(xiàn)在，ADI已經(jīng)有能力提供業(yè)界所需「可量產(chǎn)」、「高可靠」、「高性能」、「小巧外型」的MEMS開關(guān)，藉以取代已經(jīng)過時的繼電器技術(shù)。

ADI在MEMS方面擁有豐富的經(jīng)歷。 ADI首款成功的開發(fā)、生產(chǎn)以及在全球商業(yè)化的MEMS加速度計產(chǎn)品是在1991年發(fā)表的ADXL50加速度計；ADI在2002年發(fā)表首款整合式MEMS陀螺儀-ADXRS150。 以此為起始，ADI建立了龐大的MEMS產(chǎn)品事業(yè)以及無與倫比的聲譽，能夠生產(chǎn)出可靠、高性能的MEMS產(chǎn)品。 ADI已經(jīng)生產(chǎn)了超過十億個使用于汽車、工業(yè)與消費性應(yīng)用裝置的慣性傳感器。 正是如此的血統(tǒng)帶來了經(jīng)驗與信任，驅(qū)動MEMS開關(guān)技術(shù)的實現(xiàn)。

MEMS開關(guān)的基礎(chǔ)

ADI的MEMS開關(guān)技術(shù)的核心就是靜電致動，懸臂梁開關(guān)組件的概念。 在本質(zhì)上，它可以被視為是微米級機械繼電器，具有可以透過靜電致動的金屬對金屬接點。

該開關(guān)被鏈接在三組終端的組態(tài)設(shè)定當(dāng)中。 在功能性上，終端可以被視為是源極、閘極、以及汲極等。 圖一中所示為A狀況之開關(guān)的簡化圖形呈現(xiàn)，顯示該開關(guān)處于關(guān)閉的位置。 當(dāng)施以dc電壓至閘極時，在開關(guān)梁會生成靜電的下拉力量。

相同的靜電下拉力量可以在平行板電容器中看到，具有會彼此相互吸引的正電荷板與負(fù)電荷板。 當(dāng)閘極電壓遞增到足夠高的值，它就會產(chǎn)生出足夠的吸引力（紅色箭頭）來克服開關(guān)梁的電阻彈簧力，而開關(guān)梁就會開始下移直到接點碰觸到汲極。 這個狀況顯示于圖一當(dāng)中的B狀況。 如此就完成了源極與汲極之間的電路，而開關(guān)現(xiàn)在是開啟的狀態(tài)。 將開關(guān)梁往下拉所需的實際力量與懸臂梁的彈簧常數(shù)以及其對于移動的抵抗力有關(guān)。

請注意，即便是在開啟位置上，開關(guān)梁仍然會有將開關(guān)往上拉動的彈簧力（藍(lán)色箭頭），但是只要向下拉動的靜電力量比較大，那么開關(guān)就會維持在開啟的狀態(tài)。 最后，當(dāng)閘極電壓被移除時（圖一中的C狀況），也就是在閘極電極上0 V，靜電吸引力也會跟著消失，而開關(guān)梁會以具有足夠回復(fù)力（藍(lán)色箭頭）的彈簧而動作，開啟源極與汲極之間的鏈接，然后回返至原本的關(guān)閉位置。

圖一 ： MEMS開關(guān)致動程序，A與C代表開關(guān)關(guān)閉，B代表開啟

圖二中所示為利用MEMS技術(shù)制造開關(guān)的四個主要步驟。 該開關(guān)是以高電阻率的硅芯片（具有沈積在頂部的厚電介質(zhì)層以提供與下方基板的優(yōu)越電氣隔離）所建構(gòu)。 使用了標(biāo)準(zhǔn)的后端CMOS內(nèi)部鏈接制程實現(xiàn)與MEMS開關(guān)的內(nèi)部鏈接。 低電阻率金屬與多晶硅都被用來制作與MEMS開關(guān)的電氣鏈接，而且都被嵌入至電介質(zhì)層當(dāng)中。

以紅色標(biāo)示的金屬導(dǎo)孔是用來提供與開關(guān)輸入、輸出的鏈接，以及提供閘極電極給芯片中任何位置的引線接合焊盤。 懸臂MEMS開關(guān)本身就是利用犧牲層予以表面微加工處理，藉以在懸臂梁之下建立空氣間隙。 懸臂開關(guān)梁結(jié)構(gòu)與接合焊盤都是利用黃金制作的。 開關(guān)接點與閘極電極都是利用低電阻的薄金屬制成的，沈積在電介質(zhì)表面上。

圖二 ： MEMS開關(guān)制造的概觀

引線接合焊盤也是利用上述的步驟建構(gòu)的。 黃金引線接合是用來將MEMS芯片鏈接至金屬引線框架，封裝至塑料四邊扁平無接腳（QFN）芯片當(dāng)中，使其易于表面黏著于PCB上。 該芯片不會受到任何一種封裝技術(shù)類型的限制。 這是因為有高電阻率硅帽接合至MEMS芯片，在MEMS開關(guān)組件外圍形成了密封保護外殼。 以此方式將開關(guān)密閉包覆可以提高開關(guān)對于環(huán)境的耐受度以及周期壽命，無論所使用的外部封裝技術(shù)為何。

圖三中所示為四組在單刀四擲（SP4T）乘法器組態(tài)設(shè)定下的MEMS開關(guān)。 每組開關(guān)梁具有五組并聯(lián)的奧姆接點，用以在開關(guān)關(guān)閉時降低電阻與提高電力的處理。

圖三 ： 顯示四組懸臂開關(guān)梁的特寫圖形（SP4T組態(tài)設(shè)定）

如同一開始所提到的，MEMS開關(guān)需要高dc驅(qū)動電壓以靜電方式致動開關(guān)。 為了要盡可能的讓零件易于使用而且更進(jìn)一步的保證其性能，ADI已經(jīng)設(shè)計了搭配的驅(qū)動器IC，用以生成高dc電壓并且與MEMS開關(guān)共同封裝在一個QFN當(dāng)中。

此外，產(chǎn)生出來的高致動電壓會以受控的方式被施加于開關(guān)的閘極電極上。 它會在微秒時間尺度內(nèi)遞增至高電壓。 遞增的方式有助于控制開關(guān)梁如何被吸引以及下拉，并且改善開關(guān)的致動性、可靠度、與周期壽命。

圖四中所示為QFN封裝當(dāng)中處于原位的驅(qū)動器IC與MEMS芯片。 驅(qū)動器IC只需要低電壓、低電流供電，而且與標(biāo)準(zhǔn)CMOS邏輯驅(qū)動電壓兼容。 此共同包裝的驅(qū)動器讓開關(guān)非常的易于使用，而且其只有非常低的電力需求：在10 mW 至20 mW的區(qū)域內(nèi)。

圖四 ： 驅(qū)動IC（左側(cè)），MEMS開關(guān)芯片（右側(cè)）被黏著和線焊至金屬導(dǎo)線架上

MEMS開關(guān)的可靠度

任何新技術(shù)的關(guān)鍵性原則就是其究竟有多可靠，這點ADI非常清楚。 新的MEMS技術(shù)生產(chǎn)制程就是實現(xiàn)機構(gòu)堅固、高性能開關(guān)設(shè)計開發(fā)的基礎(chǔ)。 以此搭配密封的硅覆蓋制程，對于提供確實可靠的長效MEMS開關(guān)而言是相當(dāng)關(guān)鍵的。

為了要成功的將MEMS開關(guān)帶向商業(yè)化，需要針對MEMS進(jìn)行廣泛的可靠度測試，像是開關(guān)操作循環(huán)、壽命測試、以及機械震動測試等。 除了這個檢驗，以及為了盡可能保證最高的質(zhì)量之外，零件都已經(jīng)通過全范圍的標(biāo)準(zhǔn)IC可靠度測試加以驗證。

在RF儀器應(yīng)用中，足夠長的開關(guān)致動壽命是最為重要的。 相較于機電繼電器，MEMS技術(shù)的開發(fā)已經(jīng)為周期壽命帶來了數(shù)量級的改善。 在85 °C下的高溫作業(yè)壽命（HTOL I）測試以及早期失效（ELF）鑒定測試可以嚴(yán)格的保證零件的周期壽命。

持續(xù)開啟壽命（COL）性能是另一項MEMS開關(guān)技術(shù)的關(guān)鍵參數(shù)。 舉例來說，RF儀器開關(guān)的使用方式可以改變，而開關(guān)可以有更多時間停留在開啟狀態(tài)。 ADI已經(jīng)體認(rèn)到這項事實，并且針對MEMS開關(guān)技術(shù)致力于實現(xiàn)卓越的COL壽命性能，藉以減輕壽命風(fēng)險。 從最初的50 °C 下7年COL壽命性能水平至今，ADI已經(jīng)進(jìn)一步的開發(fā)出能夠提供領(lǐng)先同級產(chǎn)品，具有85 °C下10年COL的技術(shù)。

MEMS開關(guān)技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了一整套的機械耐用性認(rèn)證測試。 表1當(dāng)中列舉了總共5項測試，用以確保MEMS開關(guān)的機械耐久性。 由于MEMS開關(guān)組件的小巧尺寸與低慣性，因而很明顯的遠(yuǎn)較機電繼電器耐用。

強大的性能優(yōu)勢

MEMS開關(guān)的關(guān)鍵性力量，就是它能夠在小巧的表面安裝外型上同時提供0 Hz/dc的精密度與寬帶RF性能以及卓越的可靠度vs. 繼電器。

任何開關(guān)技術(shù)的最重要質(zhì)量因子之一，就是單一開關(guān)的導(dǎo)通電阻乘以關(guān)閉電容。 通常會將此稱作RonCoff系數(shù)，并且以飛秒（femtoseconds）加以表示。 當(dāng)RonCoff下降時，開關(guān)的插入損耗也會隨之減少，而關(guān)閉隔離就會獲得改善。 對于單一開關(guān)單元，ADI MEMS開關(guān)技術(shù)的RonCoff系數(shù)小于8，此將可以保證其做為技術(shù)選擇的地位，進(jìn)而實現(xiàn)世界級的開關(guān)性能。

此基本的優(yōu)勢即可用來達(dá)成優(yōu)越的RF性能位準(zhǔn)，再搭配上謹(jǐn)慎的設(shè)計。 圖五所示為針對原型QFN，單刀雙擲（SPDT）MEMS開關(guān)進(jìn)行量測所得的插入損耗以及關(guān)閉隔離。 插入損耗在26.5 GHz下只有1 dB，而且在QFN封裝當(dāng)中已經(jīng)實現(xiàn)了超過32 GHz的帶寬。

圖五 ： SPDT MEMS開關(guān)性能，采用QFN封裝

圖六所示為來自于原型插入損耗與關(guān)閉隔離的更廣大頻率掃描，在芯片單刀雙擲（SPST）開關(guān)的探測量測中。 在40 GHz下，1 dB的插入損耗與– 30 dB區(qū)域的關(guān)閉隔離就能夠達(dá)成。

圖六 ： 在裸芯片探測的量測下，SPST MEMS開關(guān)性能

此外，MEMS開關(guān)的設(shè)計本身就能夠在以下的領(lǐng)域中提供非常高的性能：

**精密dc性能：小于2 Ω RON、0.5 nA的關(guān)閉漏泄、以及– 110 dBc的總諧波失真（THD + N）的精密性能位準(zhǔn)已經(jīng)獲得實現(xiàn)，具有以波束與基板優(yōu)化為基礎(chǔ)而改善所有位準(zhǔn)的潛力。

**線性度性能：高于69 dBm的三階截斷點（IP3）位準(zhǔn)以27 dBm的輸入音調(diào)加以實現(xiàn)。 在整個作業(yè)頻率波段上還有增加超過75 dBm的潛力。

**致動壽命：保證最少10億次致動周期。 此已經(jīng)遠(yuǎn)超過目前市場上的機械繼電器～一般額定值低于一千萬次周期。

**電源處理（RF /dc）：超過40 dBm的電源已經(jīng)在整個作業(yè)頻率波段中經(jīng)過測試，而且在較低或是較高的頻率中不會降級。 在dc信號方面，此開關(guān)技術(shù)可以通過200 mA以上的電流。

最后，具有小巧尺寸的解決方案通常是所有市場共通的關(guān)鍵需求。 MEMS于此再次的提供了引人注目的優(yōu)勢。 圖七所示為經(jīng)過封裝的ADI SP4T（四組開關(guān)）MEMS開關(guān)設(shè)計與典型DPDT（四組開關(guān)）機電繼電器的等比例比較。

以體積來說，空間的節(jié)省相當(dāng)明顯。 在此情況下MEMS開關(guān)只需要繼電器體積的5％。 此非常小巧的尺寸會顯著的帶動電路板空間的節(jié)省，特別是雙面電路板開發(fā)的實現(xiàn)。 對于汽車測試設(shè)備生產(chǎn)廠商而言，這點特別的有其價值，因為更高的信道密度是至為重要的。

圖七 ： 使用導(dǎo)線架芯片封裝的ADI MEMS開關(guān)（四組開關(guān)）相較于典型的機電RF繼電器（四組開關(guān)）

結(jié)論

ADI所開發(fā)出來的MEMS開關(guān)技術(shù)在開關(guān)性能與尺寸的縮減上有了飛躍式的進(jìn)步。 同級產(chǎn)品中最佳的性能：從0 Hz/dc 到Ka波段甚至以上、相較繼電器數(shù)量級的循環(huán)壽命改善、卓越的的線性度、非常低的電力需求、以及芯片等級封裝的供貨等，都使得ADI的MEMS開關(guān)技術(shù)為ADI的開關(guān)全產(chǎn)品系列帶來了革命性的新品項。