一文帶你深入了解機(jī)械耐用、功耗低的MEMS開關(guān)

解決大問題需要開創(chuàng)性的技術(shù)。機(jī)電繼電器早在電報(bào)問世之初就已存在，但沒有其他替代的開關(guān)技術(shù)可滿足所有市場(chǎng)需求——特別是對(duì)于測(cè)試和測(cè)量、通信、防務(wù)、醫(yī)療保健和消費(fèi)類市場(chǎng)中智能性和互聯(lián)性更強(qiáng)的應(yīng)用需求。

作為不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求的一個(gè)例子，測(cè)試和測(cè)量終端用戶要求多標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試解決方案的尺寸盡可能最小，在0 Hz/dc至數(shù)百GHz的頻率范圍內(nèi)需要實(shí)現(xiàn)最高并行測(cè)試。機(jī)電繼電器的帶寬窄、動(dòng)作壽命有限、通道數(shù)有限以及封裝尺寸較大，因此對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的限制日益增大。

微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 開關(guān)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(nèi)部最先進(jìn)的MEMS開關(guān)制造設(shè)備，ADI公司目前可以批量生產(chǎn)高性能的快速小型MEMS開關(guān)，此類開關(guān)的特點(diǎn)是機(jī)械耐用、功耗低且具有靜電放電 (ESD) 保護(hù)功能。

ADI MEMS開關(guān)技術(shù)的關(guān)鍵是靜電驅(qū)動(dòng)的微機(jī)械加工黃金懸臂梁開關(guān)元件概念。可以將MEMS開關(guān)視作微米尺度的機(jī)械繼電器，其金屬對(duì)金屬觸點(diǎn)通過高壓直流靜電驅(qū)動(dòng)。

圖1顯示了單個(gè)MEMS開關(guān)懸臂的特寫圖。其中可看到并聯(lián)的的五個(gè)觸點(diǎn)和具有下面有空隙的鉸鏈結(jié)構(gòu)。這一開關(guān)設(shè)計(jì)用于ADGM1304單刀四擲 (SP4T) MEMS開關(guān)和具有增強(qiáng)型ESD保護(hù)性能的ADGM1004SP4T開關(guān)。

圖1. 特寫圖顯示了一個(gè)MEMS懸臂開關(guān)梁

ADI設(shè)計(jì)了一個(gè)配套驅(qū)動(dòng)器集成電路 (IC)，以產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)開關(guān)所需 的高直流電壓，保證快速可靠的驅(qū)動(dòng)和長(zhǎng)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(qū)動(dòng)器IC。被封裝在一起的驅(qū)動(dòng)器功耗非常低——典型值為10 mW，比RF繼電器的典型驅(qū)動(dòng)器要求低10倍。

圖2. ADGM1004增強(qiáng)型ESD保護(hù)MEMS開關(guān)

借助ADGM1304 MEMS開關(guān)產(chǎn)品，ADI開發(fā)了ADGM1004 MEMS開關(guān)，通過集成固態(tài)ESD保護(hù)技術(shù)來增強(qiáng)RF端口ESD性能。ADGM1004開關(guān)的RF端口人體模型 (HBM) ESD額定值已增加到5 kV。這個(gè)級(jí)別的ESD保護(hù)可謂MEMS開關(guān)行業(yè)首創(chuàng)。

集成式固態(tài)ESD保護(hù)是專有的ADI技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)非常高的ESD保護(hù) 同時(shí)對(duì)MEMS開關(guān)RF性能影響最小。圖3顯示了采用SMD QFN封裝的ESD保護(hù)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(duì)RF和ESD性能進(jìn)行了優(yōu)化。

圖3. ADGM1004驅(qū)動(dòng)器IC（左）和MEMS開關(guān)芯片（右），帶RF端口ESD保護(hù)芯片安放在MEMS管芯之上并線焊至金屬引線框架。

為了實(shí)現(xiàn)ADGM1004產(chǎn)品，ADI將三種專有光刻技術(shù)與組裝和MEMS封蓋技術(shù)相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)這一性能突破。

MEMS開關(guān)的優(yōu)勢(shì)是它在一個(gè)非常小的表貼封裝中實(shí)現(xiàn)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(guān)的實(shí)測(cè)插入損耗和關(guān)斷隔離性能。插入損耗在2.5 GHz時(shí)僅為0.45 dB，在帶寬高達(dá)13 GHz時(shí)為–3 dB。RF功率處理額定值為32 dBm（無壓縮），三階交調(diào)截點(diǎn) (IP3) 線性度在頻率范圍內(nèi)恒定為67 dBm（典型值），頻率極低時(shí)無性能降低。

圖4. ADGM1004 MEMS開關(guān)RF性能線性標(biāo)度<10 MHz

ADGM1004 MEMS開關(guān)設(shè)計(jì)為0 Hz/dc精密應(yīng)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(yīng)用的易用性。

表2. ADGM1004精度規(guī)格II

無論什么市場(chǎng)，小尺寸解決方案都是一項(xiàng)關(guān)鍵要求。圖5利用實(shí)物 照片比較了ADGM1004 SP4T MEMS開關(guān)的封裝設(shè)計(jì)與典型DPDT機(jī)電繼電器的尺寸，ADGM100體積縮小了高達(dá)95%。

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

最后，為了幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員，我們對(duì)ADGM1004開關(guān)的熱切換壽命（進(jìn)行RF功率傳輸時(shí)對(duì)通道進(jìn)行切換）進(jìn)行了特性化測(cè)試。圖6顯示了進(jìn)行2 GHz、10 dBm RF信號(hào)熱切換時(shí)的壽命概率。樣本測(cè)試的故障前平均循環(huán)次數(shù) (T50) 為34億次。更高的功率測(cè)試結(jié)果，請(qǐng)參見ADGM1004數(shù)據(jù)手冊(cè)。

圖6. 10 dBm RF信號(hào)熱切換時(shí)95%置信區(qū)間 (CI) 下的對(duì)數(shù)正態(tài)故障概率。

具有開創(chuàng)性的增強(qiáng)型ESD保護(hù)性能的ADGM1004 MEMS開關(guān)可以大幅提高易用性，同時(shí)在RF應(yīng)用和0 Hz/dc應(yīng)用中都能保持卓越的開關(guān)性能。ADI的MEMS開關(guān)技術(shù)具有從0 Hz/dc開始的世界頂級(jí)的帶寬性能，相比RF繼電器，MEMS開關(guān)的體積縮小多達(dá)95%，可靠性提升10倍，速度提升30倍，功耗降低10倍。ADGM1004 MEMS開關(guān)為ADI公司性能優(yōu)異的開關(guān)產(chǎn)品陣營(yíng)又添異彩。