開(kāi)創(chuàng )性的5 kV ESD MEMS開(kāi)關(guān)技術(shù)

　　簡(jiǎn)介

　　解決大問(wèn)題需要開(kāi)創(chuàng )性的技術(shù)。機電繼電器早在電報問(wèn)世之初就已存在，但沒(méi)有其他替代的開(kāi)關(guān)技術(shù)可滿(mǎn)足所有市場(chǎng)需求——特別是對于測試和測量、通信、防務(wù)、醫療保健和消費類(lèi)市場(chǎng)中智能性和互聯(lián)性更強的應用需求。作為不斷增長(cháng)的市場(chǎng)需求的一個(gè)例子，測試和測量終端用戶(hù)要求多標準測試解決方案的尺寸盡可能最小，在0 Hz/dc至數百GHz的頻率范圍內需要實(shí)現最高并行測試。機電繼電器的帶寬窄、動(dòng)作壽命有限、通道數有限以及封裝尺寸較大，因此對系統設計人員的限制日益增大。

　　微機電系統(MEMS)開(kāi)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。憑借內部最先進(jìn)的MEMS開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)，此類(lèi)開(kāi)關(guān)的特點(diǎn)是機械耐用、功耗低且具有靜電放電(ESD)保護功能。

　　MEMS開(kāi)關(guān)技術(shù)

　　ADI MEMS開(kāi)關(guān)技術(shù)的關(guān)鍵是靜電驅動(dòng)的微機械加工黃金懸臂梁開(kāi)關(guān)元件概念?？梢詫EMS開(kāi)關(guān)視作微米尺度的機械繼電器，其金屬對金屬觸點(diǎn)通過(guò)高壓直流靜電驅動(dòng)。圖1顯示了單個(gè)MEMS開(kāi)關(guān)懸臂的特寫(xiě)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構。這一開(kāi)關(guān)設計用于A(yíng)DGM1304 單刀四擲(SP4T) MEMS開(kāi)關(guān)和具有增強型ESD保護性能的ADGM1004 SP4T開(kāi)關(guān)。

　　圖1.特寫(xiě)圖顯示了一個(gè)MEMS懸臂開(kāi)關(guān)梁。

　　ADI設計了一個(gè)配套驅動(dòng)器集成電路(IC)，以產(chǎn)生驅動(dòng)開(kāi)關(guān)所需的高直流電壓，保證快速可靠的驅動(dòng)和長(cháng)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芯片和驅動(dòng)器IC。被封裝在一起的驅動(dòng)器功耗非常低——典型值為10 mW，比RF繼電器的典型驅動(dòng)器要求低10倍。

　　圖2.ADGM1004增強型ESD保護MEMS開(kāi)關(guān)

　　集成ESD保護

　　借助ADGM1304 MEMS開(kāi)關(guān)產(chǎn)品，ADI開(kāi)發(fā)了ADGM1004 MEMS開(kāi)關(guān)，通過(guò)集成固態(tài)ESD保護技術(shù)來(lái)增強RF端口ESD性能。ADGM1004開(kāi)關(guān)的RF端口人體模型(HBM) ESD額定值已增加到5 kV。這個(gè)級別的ESD保護可謂MEMS開(kāi)關(guān)行業(yè)首創(chuàng )。

　　集成式固態(tài)ESD保護是專(zhuān)有的ADI技術(shù)，可實(shí)現非常高的ESD保護同時(shí)對MEMS開(kāi)關(guān)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(guò)焊線(xiàn)連接至封裝的RF引腳。這些都是針對RF和ESD性能進(jìn)行了優(yōu)化。

　　圖3.ADGM1004驅動(dòng)器IC(左)和MEMS開(kāi)關(guān)芯片(右)，帶RF端口ESD保護芯片安放在MEMS管芯之上并線(xiàn)焊至金屬引線(xiàn)框架。

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

　　RF和0 Hz/DC性能

　　MEMS開(kāi)關(guān)的優(yōu)勢是它在一個(gè)非常小的表貼封裝中實(shí)現了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(kāi)關(guān)的實(shí)測插入損耗和關(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13 GHz時(shí)為-3 dB。RF功率處理額定值為32 dBm(無(wú)壓縮)，三階交調截點(diǎn)(IP3)線(xiàn)性度在頻率范圍內恒定為67 dBm(典型值)，頻率極低時(shí)無(wú)性能降低。

　　圖4.ADGM1004 MEMS開(kāi)關(guān)RF性能線(xiàn)性標度<10 MHz。

　　ADGM1004 MEMS開(kāi)關(guān)設計為0 Hz/dc精密應用提供極高的性能。表1列出了這些重要規格。

　　表1ADGM1004精度規格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精度規格II

　　無(wú)論什么市場(chǎng)，小尺寸解決方案都是一項關(guān)鍵要求。圖5利用實(shí)物照片比較了ADGM1004 SP4T MEMS開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)(四開(kāi)關(guān))與典型機電式RF繼電器(四開(kāi)關(guān))的比較

　　最后，為了幫助系統設計人員，我們對ADGM1004開(kāi)關(guān)的熱切換壽命(進(jìn)行RF功率傳輸時(shí)對通道進(jìn)行切換)進(jìn)行了特性化測試。圖6顯示了進(jìn)行2 GHz、10 dBm RF信號熱切換時(shí)的壽命概率。樣本測試的故障前平均循環(huán)次數(T50)為34億次。更高的功率測試結果，請參見(jiàn)ADGM1004數據手冊。

　　結語(yǔ)

　　具有開(kāi)創(chuàng )性的增強型ESD保護性能的ADGM1004 MEMS開(kāi)關(guān)可以大幅提高易用性，同時(shí)在RF應用和0 Hz/dc應用中都能保持卓越的開(kāi)關(guān)性能。ADI的MEMS開(kāi)關(guān)技術(shù)具有從0 Hz/dc開(kāi)始的世界頂級的帶寬性能，相比RF繼電器，MEMS開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)為ADI公司性能優(yōu)異的開(kāi)關(guān)產(chǎn)品陣營(yíng)又添異彩。

　　作者簡(jiǎn)介

　　Eric Carty于1998年獲得愛(ài)爾蘭國立梅努斯大學(xué)實(shí)驗物理碩士學(xué)位。加入ADI公司之前，他擔任了10年的RF無(wú)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(kāi)關(guān)和MEMS技術(shù)的研發(fā)工作。他目前負責管理ADI公司的開(kāi)關(guān)與多路復用器應用部門(mén)。聯(lián)系方式：eric.carty@analog.com。

　　Padraig McDaid 1998年畢業(yè)于愛(ài)爾蘭利默里克大學(xué)，獲得電子工程學(xué)士學(xué)位。Padraig負責管理ADI公司的開(kāi)關(guān)與多路復用器市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)部門(mén)，重點(diǎn)關(guān)注MEMS技術(shù)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(guò)RF設計、應用和營(yíng)銷(xiāo)工作。聯(lián)系方式：padraig.mcdaid@analog.com。