ADI公司革命性MEMS開關(guān)技術(shù)的基本原理

作者：Eric Carty, Padraig Fitzgerald, and Padraig McDaid

本文介紹ADI公司在微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）開關(guān)技術(shù)方面的突破。與傳統(tǒng)的機(jī)電繼電器相比，ADI公司的MEMS開關(guān)技術(shù)在RF和DC開關(guān)性能、可靠性和小型化方面實(shí)現(xiàn)了巨大的飛躍。

介紹

在過(guò)去的30年中，MEMS開關(guān)一直被吹捧為性能有限的機(jī)電繼電器的卓越替代品，因此通過(guò)提供易于使用的小型開關(guān)，能夠以最小的損耗可靠地將0 Hz/dc路由到100s的GHz信號(hào)，徹底改變了電子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式。這種性能優(yōu)勢(shì)影響著各種設(shè)備類型和應(yīng)用。電氣測(cè)試和測(cè)量系統(tǒng)、國(guó)防系統(tǒng)應(yīng)用和醫(yī)療設(shè)備只是達(dá)到以前無(wú)法達(dá)到的性能和外形水平的一些領(lǐng)域，所有這些都可以通過(guò)MEMS開關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

圖1.ADI MEMS開關(guān)技術(shù)。

當(dāng)代開關(guān)技術(shù)都有缺點(diǎn)，沒(méi)有一種技術(shù)是理想的解決方案。繼電器的缺點(diǎn)包括帶寬窄、致動(dòng)壽命有限、通道數(shù)量有限和封裝尺寸大。與繼電器相比，MEMS技術(shù)一直具有提供世界級(jí)RF開關(guān)性能的潛力，并在小尺寸內(nèi)將可靠性提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

阻礙許多試圖開發(fā)MEMS開關(guān)技術(shù)的公司面臨的挑戰(zhàn)是提供大批量生產(chǎn)的可靠產(chǎn)品。最早參與MEMS開關(guān)研究的公司之一是Foxboro公司，該公司于1984年申請(qǐng)了世界上第一批機(jī)電開關(guān)專利之一。ADI自1990年以來(lái)一直參與MEMS開關(guān)技術(shù)研究，早期的學(xué)術(shù)項(xiàng)目。到1998年，ADI公司成功開發(fā)出MEMS開關(guān)設(shè)計(jì)，并推出了早期原型。2011年，ADI大幅增加了MEMS開關(guān)項(xiàng)目投資。這推動(dòng)了他們自己最先進(jìn)的MEMS開關(guān)制造工廠的建設(shè)?，F(xiàn)在，ADI能夠提供始終需要的東西;量產(chǎn)、可靠、高性能、小尺寸MEMS開關(guān)，取代老化的繼電器技術(shù)。

ADI在MEMS方面有著悠久的歷史。世界上第一個(gè)成功開發(fā)、制造和商業(yè)化的MEMS加速度計(jì)產(chǎn)品是ADI公司的ADXL50加速度計(jì)，該器件于1991年發(fā)布。ADI于2002年發(fā)布了首款集成MEMS陀螺儀ADXRS150。從那時(shí)起，ADI已經(jīng)建立了龐大的MEMS產(chǎn)品業(yè)務(wù)，并在制造可靠、高性能MEMS產(chǎn)品方面享有無(wú)與倫比的聲譽(yù)。ADI已為汽車、工業(yè)和消費(fèi)類應(yīng)用出貨超過(guò)10億個(gè)慣性傳感器。正是這種血統(tǒng)帶來(lái)了推動(dòng)MEMS開關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的經(jīng)驗(yàn)和信念。

MEMS 開關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)

ADI MEMS開關(guān)技術(shù)的核心是靜電驅(qū)動(dòng)的微加工懸臂梁開關(guān)元件的概念。從本質(zhì)上講，它可以被認(rèn)為是微米級(jí)的機(jī)械繼電器，具有通過(guò)靜電驅(qū)動(dòng)的金屬對(duì)金屬觸點(diǎn)。

交換機(jī)以三端子配置連接。從功能上講，端子可以被認(rèn)為是源極、柵極和漏極。圖 2 顯示了開關(guān)的簡(jiǎn)化圖形表示，案例 A 顯示開關(guān)處于關(guān)閉位置。當(dāng)直流電壓施加到柵極時(shí)，開關(guān)梁上會(huì)產(chǎn)生靜電下拉力。這與平行板電容器中的靜電力相同，具有相互吸引的帶正電和負(fù)電荷的板。當(dāng)柵極電壓斜坡上升到足夠高的值時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生足夠的吸引力（紅色箭頭）以克服開關(guān)梁的電阻彈簧力，并且光束開始向下移動(dòng)，直到觸點(diǎn)接觸漏極。如圖 2 中的案例 B 所示。這樣就完成了源極和漏極之間的電路，現(xiàn)在開關(guān)導(dǎo)通。將開關(guān)梁向下拉動(dòng)所需的實(shí)際力與懸臂梁的彈簧常數(shù)及其運(yùn)動(dòng)阻力有關(guān)。請(qǐng)注意，即使在打開位置，開關(guān)光束仍然具有將開關(guān)向上拉動(dòng)的彈簧力（藍(lán)色箭頭），但只要向下拉動(dòng)的靜電力（紅色箭頭）較大，開關(guān)就會(huì)保持打開狀態(tài)。最后，當(dāng)柵極電壓被移除（圖2中的情況C），即柵極上的0 V時(shí)，靜電吸引力消失，開關(guān)束充當(dāng)具有足夠恢復(fù)力的彈簧（藍(lán)色箭頭）打開源極和漏極之間的連接，然后返回到原來(lái)的關(guān)閉位置。

圖2.MEMS開關(guān)致動(dòng)過(guò)程中，A和C顯示開關(guān)關(guān)閉，B顯示開關(guān)打開。

圖3顯示了使用MEMS技術(shù)制造開關(guān)的四個(gè)主要步驟。該開關(guān)構(gòu)建在高電阻率硅晶圓 （1） 上，該晶圓頂部沉積有厚介電層，以提供與下方基板的出色電氣隔離。采用標(biāo)準(zhǔn)后端CMOS互連工藝實(shí)現(xiàn)與MEMS開關(guān)的互連。低電阻率金屬和多晶硅用于與MEMS開關(guān)建立電氣連接，并嵌入到介電層（2）中。標(biāo)記為紅色 （2） 的金屬過(guò)孔用于提供與開關(guān)輸入、輸出和柵極電極的連接，以連接到芯片上其他位置的引線鍵合焊盤。懸臂式MEMS開關(guān)本身使用犧牲層進(jìn)行表面微加工，以在懸臂梁下產(chǎn)生氣隙。懸臂開關(guān)梁結(jié)構(gòu)和粘結(jié)墊（3）使用金形成。開關(guān)觸點(diǎn)和柵極電極使用沉積在電介質(zhì)表面上的低電阻薄金屬形成。

圖3.MEMS 開關(guān)制造概述。

引線鍵合焊盤也是使用上述步驟構(gòu)建的。金線鍵合用于將MEMS芯片連接到金屬引線框架，封裝在塑料四扁平無(wú)鉛（QFN）封裝中，以便于PCB上的表面安裝。該芯片不限于任何一種類型的封裝技術(shù)。這是因?yàn)楦唠娮杪使杳保?）粘合在MEMS芯片上，在MEMS開關(guān)器件周圍形成密封保護(hù)外殼。無(wú)論使用何種外部封裝技術(shù)，以這種方式密封開關(guān)都可以提高開關(guān)的環(huán)境魯棒性和循環(huán)壽命。

圖4顯示了單刀四擲（ST4T）多路復(fù)用器配置中四個(gè)MEMS開關(guān)的放大圖。每個(gè)開關(guān)光束具有五個(gè)并聯(lián)的歐姆觸點(diǎn)，以降低電阻并在開關(guān)閉合時(shí)增加功率處理能力。

圖4.特寫圖顯示了四個(gè)MEMS懸臂開關(guān)光束（SP4T配置）。

如開頭所述，MEMS開關(guān)需要高直流驅(qū)動(dòng)電壓來(lái)靜電驅(qū)動(dòng)開關(guān)。為了使該器件盡可能易于使用并進(jìn)一步保證性能，ADI公司設(shè)計(jì)了一個(gè)配套驅(qū)動(dòng)器集成電路（IC）來(lái)產(chǎn)生高直流電壓，并與MEMS開關(guān)共同封裝在QFN外形尺寸中。此外，產(chǎn)生的高致動(dòng)電壓以受控方式施加到開關(guān)的柵極上。它在微秒級(jí)時(shí)間內(nèi)斜坡上升到高電壓。斜坡有助于控制開關(guān)光束的吸引和拉下方式，并提高開關(guān)的驅(qū)動(dòng)、可靠性和循環(huán)壽命。圖5顯示了QFN封裝中的驅(qū)動(dòng)器IC和MEMS原位芯片。驅(qū)動(dòng)器IC只需要一個(gè)低電壓、低電流電源，并且與標(biāo)準(zhǔn)CMOS邏輯驅(qū)動(dòng)電壓兼容。這種共同封裝的驅(qū)動(dòng)器使開關(guān)非常易于使用，并且具有非常低的功耗要求，范圍為10 mW至20 mW。

圖5.驅(qū)動(dòng)IC（左），MEMS開關(guān)芯片（右）安裝在金屬引線框架上并引線鍵合。

可靠性

任何新技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵原則是其可靠性，這是ADI敏銳地意識(shí)到這一點(diǎn)。新的MEMS技術(shù)制造工藝是開發(fā)機(jī)械堅(jiān)固、高性能開關(guān)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。這與密封的硅封蓋工藝相結(jié)合，對(duì)于提供真正可靠的長(zhǎng)壽命MEMS開關(guān)至關(guān)重要。為了成功將MEMS開關(guān)商業(yè)化，需要針對(duì)MEMS進(jìn)行廣泛的可靠性測(cè)試，例如開關(guān)循環(huán)、壽命測(cè)試和機(jī)械沖擊測(cè)試。除了此認(rèn)證之外，為了保證最高水平的質(zhì)量，該器件已通過(guò)一系列標(biāo)準(zhǔn)IC可靠性測(cè)試進(jìn)行了認(rèn)證。

較長(zhǎng)的開關(guān)致動(dòng)壽命在射頻儀器應(yīng)用中至關(guān)重要。與機(jī)電繼電器相比，MEMS技術(shù)的開發(fā)使循環(huán)壽命提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。85°C高溫工作壽命（HTOL I）測(cè)試和早期壽命失效（ELF）鑒定測(cè)試嚴(yán)格保證了零件的循環(huán)壽命。

連續(xù)開啟壽命（COL）性能是MEMS開關(guān)技術(shù)的另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。例如，射頻儀表開關(guān)的用法可以變化，開關(guān)可以長(zhǎng)時(shí)間處于開啟狀態(tài)。ADI已經(jīng)認(rèn)識(shí)到這一事實(shí)，并專注于為MEMS開關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)出色的COL壽命性能，以降低壽命風(fēng)險(xiǎn)。從50°C下7年的初始COL性能水平（平均故障前時(shí)間），ADI進(jìn)一步開發(fā)了該技術(shù)，在85°C下提供一流的10年COL。

MEMS開關(guān)技術(shù)經(jīng)過(guò)了一套全面的機(jī)械魯棒性鑒定測(cè)試。表1列出了確保MEMS開關(guān)機(jī)械耐久性的五項(xiàng)測(cè)試。由于MEMS開關(guān)元件體積小，慣性低，因此比機(jī)電繼電器更堅(jiān)固。

引人注目的性能優(yōu)勢(shì)

MEMS開關(guān)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于，它以微小的表面貼裝外形尺寸將0 Hz/dc精度和寬帶RF性能與繼電器相比具有更高的可靠性。

對(duì)于任何開關(guān)技術(shù)來(lái)說(shuō)，最重要的品質(zhì)因數(shù)之一是導(dǎo)通電阻乘以單個(gè)開關(guān)的關(guān)斷電容。這通常被稱為RonCoff乘積，以飛秒為單位表示。隨著RonCoff的減少，開關(guān)的插入損耗也隨之降低，關(guān)斷隔離度得到改善。

用于單個(gè)開關(guān)單元單元的ADI MEMS開關(guān)技術(shù)RonCoff產(chǎn)品為<8，保證了其作為實(shí)現(xiàn)世界級(jí)開關(guān)性能的首選技術(shù)的地位。

這一基本優(yōu)勢(shì)是利用的，加上精心的設(shè)計(jì)，達(dá)到了卓越的射頻性能水平。圖 6 顯示了原型 QFN 單刀雙擲 （SPDT） MEMS 開關(guān)的插入損耗和關(guān)斷隔離。在 26.5 GHz 時(shí)插入損耗僅為 1 dB，而采用 QFN 封裝時(shí)可實(shí)現(xiàn)超過(guò) 32 GHz 的帶寬。

圖6.單刀雙擲MEMS開關(guān)性能，QFN封裝。

圖7顯示了在芯片單刀雙擲（SPST）MEMS開關(guān)探測(cè)測(cè)量中，插入損耗和關(guān)斷隔離的更寬頻率掃描。在40 GHz時(shí)，在–30 dB范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了1 dB的插入損耗和關(guān)斷隔離。

圖7.單刀單刀單擲MEMS開關(guān)性能，片上探測(cè)測(cè)量。

此外，MEMS開關(guān)設(shè)計(jì)在以下方面具有非常高的性能。

精密直流性能：精度性能水平為 <2 Ω R上、0.5 nA 關(guān)斷漏電流和 –110 dBc 總諧波失真 （THD + N），有可能根據(jù)波束和基板優(yōu)化改善所有水平。

線性度性能：輸入音為27 dBm時(shí)，實(shí)現(xiàn)了超過(guò)69 dBm的三階交調(diào)截調(diào)截點(diǎn)（IP3）電平。在整個(gè)工作頻段內(nèi)，有可能增加到75 dBm以上。

致動(dòng)壽命：保證至少 10 億次致動(dòng)循環(huán)。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了當(dāng)今市場(chǎng)上的任何機(jī)械繼電器，其額定循環(huán)次數(shù)通常低于 1000 萬(wàn)次循環(huán)。

功率處理 （RF/dc）：超過(guò) 40 dBm 的功率已在整個(gè)工作頻段內(nèi)進(jìn)行了測(cè)試，并且在較低或較高頻率下不會(huì)降低。在直流信號(hào)方面，開關(guān)技術(shù)可以通過(guò)超過(guò)200 mA的電流。

最后，擁有小尺寸解決方案通常是所有市場(chǎng)的關(guān)鍵要求。MEMS在這方面再次提供了令人信服的優(yōu)勢(shì)。圖8顯示了封裝的ADI SP4T（四開關(guān)）MEMS開關(guān)設(shè)計(jì)與典型DPDT（四開關(guān)）機(jī)電繼電器的按比例比較。在體積方面，節(jié)省空間是巨大的。在這里，MEMS開關(guān)僅占繼電器體積的5%。這種非常小的尺寸顯著節(jié)省了電路板面積，特別是支持雙面板開發(fā)。這一優(yōu)勢(shì)對(duì)于自動(dòng)測(cè)試設(shè)備制造商來(lái)說(shuō)尤其有價(jià)值，因?yàn)樘?a href="http://srfitnesspt.com/tags/高通/" target="_blank">高通道密度至關(guān)重要。

圖8.采用引線框架芯片級(jí)封裝的ADI MEMS開關(guān)（四個(gè)開關(guān)）與典型的機(jī)電RF繼電器（四個(gè)開關(guān)）的比較。

結(jié)論

ADI開發(fā)的MEMS開關(guān)技術(shù)在開關(guān)性能和尺寸減小方面實(shí)現(xiàn)了飛躍。ADI公司的MEMS開關(guān)技術(shù)具有從0 Hz/dc到Ka波段及更高頻段的一流性能、與繼電器相比數(shù)量級(jí)的周期壽命改進(jìn)、出色的線性度、極低的功耗要求以及芯片級(jí)封裝的可用性，使ADI公司的MEMS開關(guān)技術(shù)成為ADI公司整體開關(guān)產(chǎn)品的革命性新成員。

審核編輯：郭婷