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揭开MEMS开关背后的技术秘密

电力电子 | 发布时间:2017-09-12 | 人气: | #评论# |本文关键字:MEMS,MEMS开关
摘要:微机电系统 (MEMS) 开关具有创新性,可以替代继电器并将行业推向更高水平。凭借内部最先进的MEMS开关制造设备,ADI公司目前可以批量生产高性能的快速小型MEMS开关,此类开关的特点是

解决大问题需要开创性的技术。机电继电器早在电报问世之初就已存在,但没有其他替代的开关技术可满足所有市场需求——特别是对于测试和测量、通信、防务、医疗保健和消费类市场中智能性和互联性更强的应用需求。作为不断增长的市场需求的一个例子,测试和测量终端用户要求多标准测试解决方案的尺寸尽可能最小,在0 Hz/dc至数百GHz的频率范围内需要实现最高并行测试。机电继电器的带宽窄、动作寿命有限、通道数有限以及封装尺寸较大,因此对系统设计人员的限制日益增大。

微机电系统 (MEMS) 开关具有创新性,可以替代继电器并将行业推向更高水平。凭借内部最先进的MEMS开关制造设备,ADI公司目前可以批量生产高性能的快速小型MEMS开关,此类开关的特点是机械耐用、功耗低且具有静电放电 (ESD) 保护功能。

MEMS开关技术

ADI MEMS开关技术的关键是静电驱动的微机械加工黄金悬臂梁开关元件概念。可以将MEMS开关视作微米尺度的机械继电器,其金属对金属触点通过高压直流静电驱动。

图1显示了单个MEMS开关悬臂的特写图。其中可看到并联的的五个触点和具有下面有空隙的铰链结构。这一开关设计用于ADGM1304单刀四掷 (SP4T) MEMS开关和具有增强型ESD保护性能的ADGM1004SP4T开关。

MEMS悬臂开关梁

图1. 特写图显示了一个MEMS悬臂开关梁

ADI设计了一个配套驱动器集成电路 (IC),以产生驱动开关所需的高直流电压,保证快速可靠的驱动和长使用寿命,并使器件易于使用。

图2显示了采用超小型SMD QFN封装的MEMS芯片和驱动器IC。被封装在一起的驱动器功耗非常低——典型值为10 mW,比RF继电器的典型驱动器要求低10倍。

ADGM1004增强型ESD保护MEMS开关

图2. ADGM1004增强型ESD保护MEMS开关

集成ESD保护

借助ADGM1304 MEMS开关产品,ADI开发了ADGM1004 MEMS开关,通过集成固态ESD保护技术来增强RF端口ESD性能。ADGM1004开关的RF端口人体模型 (HBM) ESD额定值已增加到5 kV。这个级别的ESD保护可谓MEMS开关行业首创。

集成式固态ESD保护是专有的ADI技术,可实现非常高的ESD保护同时对MEMS开关RF性能影响最小。图3显示了采用SMD QFN封装的ESD保护元件。其中,芯片安放在MEMS芯片上,通过焊线连接至封装的RF引脚。这些都是针对RF和ESD性能进行了优化。

ADGM1004驱动器IC(左)和MEMS开关芯片(右)

图3. ADGM1004驱动器IC(左)和MEMS开关芯片(右),带RF端口ESD保护芯片安放在MEMS管芯之上并线焊至金属引线框架。

为了实现ADGM1004产品,ADI将三种专有光刻技术与组装和MEMS封盖技术相结合,以实现这一性能突破。

RF和0 Hz/DC性能

MEMS开关的优势是它在一个非常小的表贴封装中实现了0 Hz/dc精密性和宽带RF性能。图4显示了ADGM1004单刀四掷 (SP4T) MEMS开关的实测插入损耗和关断隔离性能。插入损耗在2.5 GHz时仅为0.45 dB,在带宽高达13 GHz时为–3 dB。RF功率处理额定值为32 dBm(无压缩),三阶交调截点 (IP3) 线性度在频率范围内恒定为67 dBm(典型值),频率极低时无性能降低。

ADGM1004 MEMS开关RF性能线性标度<10 MHz

图4. ADGM1004 MEMS开关RF性能线性标度<10 MHz

ADGM1004 MEMS开关设计为0 Hz/dc精密应用提供极高的性能。表1列出了这些重要规格。

表1. ADGM1004精度规格I

HBM ESD额定值

表1列出了HBM ESD额定值,RF端口的额定值为5 kV HBM,相比ADGM1304器件的100V HBM有大幅提升。这提高了人工处理ESD敏感型应用的易用性。

表2. ADGM1004精度规格II

无论什么市场,小尺寸解决方案都是一项关键要求。图5利用实物照片比较了ADGM1004 SP4T MEMS开关的封装设计与典型DPDT机电继电器的尺寸,ADGM100体积缩小了高达95%。

ADGM1004 MEMS开关(四开关)与典型机电式RF继电器(四开关)的比较

图5. ADGM1004 MEMS开关(四开关)与典型机电式RF继电器(四开关)的比较。

最后,为了帮助系统设计人员,我们对ADGM1004开关的热切换寿命(进行RF功率传输时对通道进行切换)进行了特性化测试。图6显示了进行2 GHz、10 dBm RF信号热切换时的寿命概率。样本测试的故障前平均循环次数 (T50) 为34亿次。更高的功率测试结果,请参见ADGM1004数据手册。

10 dBm RF信号热切换时95%置信区间 (CI) 下的对数正态故障概率

图6. 10 dBm RF信号热切换时95%置信区间 (CI) 下的对数正态故障概率。

具有开创性的增强型ESD保护性能的ADGM1004 MEMS开关可以大幅提高易用性,同时在RF应用和0 Hz/dc应用中都能保持卓越的开关性能。ADI的MEMS开关技术具有从0 Hz/dc开始的世界顶级的带宽性能,相比RF继电器,MEMS开关的体积缩小多达95%,可靠性提升10倍,速度提升30倍,功耗降低10倍。


责任编辑:电气自动化网

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