開創(chuàng)性的5 kV ESD MEMS開關技術

　　簡介

　　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(lián)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(shù)百GHz的頻率范圍內(nèi)需要實現(xiàn)最高并行測試。機電繼電器的帶寬窄、動作壽命有限、通道數(shù)有限以及封裝尺寸較大，因此對系統(tǒng)設計人員的限制日益增大。

　　微機電系統(tǒng)(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(nèi)部最先進的MEMS開關制造設備，ADI公司目前可以批量生產(chǎn)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。

　　MEMS開關技術

　　ADI MEMS開關技術的關鍵是靜電驅(qū)動的微機械加工黃金懸臂梁開關元件概念?？梢詫EMS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(qū)動。圖1顯示了單個MEMS開關懸臂的特寫圖。其中可看到并聯(lián)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ADGM1004 SP4T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(qū)動器集成電路(IC)，以產(chǎn)生驅(qū)動開關所需的高直流電壓，保證快速可靠的驅(qū)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(qū)動器IC。被封裝在一起的驅(qū)動器功耗非常低——典型值為10 mW，比RF繼電器的典型驅(qū)動器要求低10倍。

　　圖2.ADGM1004增強型ESD保護MEMS開關

　　集成ESD保護

　　借助ADGM1304 MEMS開關產(chǎn)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(xiàn)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(qū)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(xiàn)ADGM1004產(chǎn)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(xiàn)這一性能突破。

　　RF和0 Hz/DC性能

　　MEMS開關的優(yōu)勢是它在一個非常小的表貼封裝中實現(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(diào)截點(IP3)線性度在頻率范圍內(nèi)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1ADGM1004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2ADGM1004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(tǒng)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(shù)(T50)為34億次。更高的功率測試結果，請參見ADGM1004數(shù)據(jù)手冊。

　　結語

　　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(chǎn)品陣營又添異彩。

　　作者簡介

　　Eric Carty于1998年獲得愛爾蘭國立梅努斯大學實驗物理碩士學位。加入ADI公司之前，他擔任了10年的RF無源器件設計工程師。2009年，他成為ADI公司的高級應用工程師，主要從事RF開關和MEMS技術的研發(fā)工作。他目前負責管理ADI公司的開關與多路復用器應用部門。聯(lián)系方式：eric.carty@analog.com。

　　Padraig McDaid 1998年畢業(yè)于愛爾蘭利默里克大學，獲得電子工程學士學位。Padraig負責管理ADI公司的開關與多路復用器市場營銷部門，重點關注MEMS技術研發(fā)。2009年加入ADI公司之前，Padraig曾在多家跨國公司和中小型企業(yè)從事過RF設計、應用和營銷工作。聯(lián)系方式：padraig.mcdaid@analog.com。