突破性的5kV ESD MEMS開關(guān)技術(shù)

作者：Eric Carty and Padraig McDaid

需要突破性的技術(shù)來解決大問題。機(jī)電繼電器的起源可以追溯到電報(bào)的早期，沒有替代的開關(guān)技術(shù)可以滿足所有市場(chǎng)需求，特別是在測(cè)試和測(cè)量、通信、國(guó)防、醫(yī)療保健和消費(fèi)市場(chǎng)中對(duì)更智能、更互聯(lián)的應(yīng)用的需求。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)試解決方案具有盡可能小的外形尺寸，需要最大限度地提高測(cè)試的并行性，同時(shí)在頻率范圍內(nèi)跨越0 Hz/dc至100s GHz。機(jī)電繼電器由于帶寬窄、致動(dòng)壽命有限、通道數(shù)量有限和封裝尺寸大，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的限制越來越大。

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）開關(guān)可以提供超越繼電器所需的創(chuàng)新，并將行業(yè)推向一個(gè)新的水平。憑借內(nèi)部最先進(jìn)的MEMS開關(guān)制造設(shè)施，ADI公司現(xiàn)在正在提供批量生產(chǎn)的高性能、快速、機(jī)械耐用、低功耗、靜電放電（ESD）保護(hù)的小尺寸MEMS開關(guān)。

微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)技術(shù)

ADI MEMS開關(guān)技術(shù)的核心是靜電驅(qū)動(dòng)、微加工、金懸臂梁開關(guān)元件的概念。MEMS開關(guān)可以被認(rèn)為是微米級(jí)的機(jī)械繼電器，具有金屬對(duì)金屬觸點(diǎn)，通過高直流電壓驅(qū)動(dòng)的靜電驅(qū)動(dòng)。清晰可見的是平行的五個(gè)觸點(diǎn)和圖形后部有氣隙的鉸鏈結(jié)構(gòu)。該開關(guān)設(shè)計(jì)用于ADGM1304 SP4T MEMS開關(guān)和增強(qiáng)型ESD保護(hù)型ADGM1004 SP4T開關(guān)。

ADI公司設(shè)計(jì)了配套驅(qū)動(dòng)器集成電路（IC），用于產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)開關(guān)所需的高直流電壓，從而保證快速、可靠的驅(qū)動(dòng)和較長(zhǎng)的循環(huán)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。共同封裝的驅(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×。

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

集成 ESD 保護(hù)

利用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額定值已提高到5 kV。這種級(jí)別的ESD保護(hù)是MEMS開關(guān)行業(yè)的首創(chuàng)。

集成式固態(tài)ESD保護(hù)是ADI專有的技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)非常高的ESD保護(hù)，對(duì)MEMS開關(guān)RF性能的影響最小。圖3顯示了封裝中的ESD保護(hù)元件。圖中顯示了安裝在MEMS芯片上的芯片，以及與封裝RF引腳的引線鍵合。它們針對(duì)射頻和ESD性能進(jìn)行了優(yōu)化。

圖3.ADGM1004驅(qū)動(dòng)IC（左），MEMS開關(guān)芯片（右），RF端口ESD保護(hù)芯片安裝在頂部，引線鍵合到金屬引線框架。

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)性能突破。

射頻和 0 Hz/DC 性能

MEMS開關(guān)的優(yōu)勢(shì)在于，它將0 Hz/dc精度和寬帶RF性能結(jié)合在一個(gè)小巧的表面貼裝外形中。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。插入損耗在 2.5 GHz 時(shí)僅為 0.45 dB，在高達(dá) 13 GHz 時(shí)為 – 3 dB 帶寬。RF功率處理能力的額定值為32 dBm，無壓縮，三階交調(diào)截點(diǎn)（IP3）線性度在整個(gè)頻率范圍內(nèi)為恒定的67 dBm（典型值），在極低頻率下沒有下降。

圖4.ADGM1004 MEMS開關(guān)射頻性能。線性刻度< 10 MHz。

ADGM1004 MEMS開關(guān)設(shè)計(jì)為0 Hz/DC精密應(yīng)用提供極高性能。表 1 是這些重要規(guī)格的摘要。

與額定電壓為100 V HBM的ADGM1304器件相比，表1中RF端口的5 kV HBM的HBM ESD額定值顯著提高。這提高了人工操作、ESD 敏感應(yīng)用中的易用性。

擁有小尺寸解決方案是所有市場(chǎng)的關(guān)鍵要求。圖5顯示了封裝的ADGM1004 SP4T MEMS開關(guān)設(shè)計(jì)與典型DPDT機(jī)電繼電器的按比例比較，可節(jié)省高達(dá)95%的體積。

圖5.ADGM1004 MEMS開關(guān)（4個(gè)開關(guān)）與典型的機(jī)電RF繼電器（4個(gè)開關(guān)）的比較。

最后，為了幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員，ADGM1004開關(guān)在切換RF功率通過開關(guān)（熱開關(guān)）時(shí)的周期壽命進(jìn)行了表征。圖6顯示了熱開關(guān)2 GHz、10 dBm RF信號(hào)時(shí)的壽命概率。此樣本測(cè)試中失效前的平均循環(huán)數(shù) （T50） 點(diǎn)約為 34 億個(gè)循環(huán)。ADGM1004數(shù)據(jù)手冊(cè)中提供了更高功率的測(cè)試結(jié)果。

圖6.對(duì)數(shù)正常故障概率，95% 置信區(qū)間 （CI） 指示熱切換 10 dBm RF 信號(hào)。

結(jié)論

突破性的增強(qiáng)型ESD保護(hù)型ADGM1004 MEMS開關(guān)可大幅提高易用性，同時(shí)在RF和0 Hz/DC應(yīng)用中保持出色的開關(guān)性能。與RF繼電器相比，ADI公司的MEMS開關(guān)技術(shù)可在0 Hz/dc范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)同類最佳性能，開關(guān)體積縮小高達(dá)95%，可靠性提高10×速度提高30×功耗，功耗降低10×。新型ADGM1004 MEMS開關(guān)是ADI公司整體開關(guān)產(chǎn)品中令人興奮的新成員。

審核編輯：郭婷