看ADI MEMS開關(guān)如何取代百年繼電器

兩年前的11月，ADI公司在MEMS技術(shù)領(lǐng)域取得的重大突破，宣布推出革命性的0Hz(DC)至GHz開關(guān)解決方案——ADGM1304和ADGM1004 RF MEMS開關(guān)。業(yè)界首次提供了一種可替代傳統(tǒng)繼電器方法的出色方案，將100多年前即被電子行業(yè)采用的機電繼電器突破性拓展——

同類最佳的0 Hz/dc至Ka波段及以上的性能；

比繼電器高出若干數(shù)量級的循環(huán)壽命；

出色的線性度；

超低功耗要求（繼電器的十分之一）；

芯片級封裝（體積縮小95%）；

速度提高30倍；

可靠性提高了10倍

……

兩年內(nèi)，MEMS開關(guān)已經(jīng)幫助大量的自動測試設(shè)備(ATE)以及其他儀器儀表現(xiàn)實精確性和多功能性，幫助客戶降低測試成本和功耗，縮短產(chǎn)品上市時間。MEMS開關(guān)即將在航空航天和防務(wù)、醫(yī)療保健以及通信基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備等行業(yè)內(nèi)取代繼電器。

百年繼電器就這樣被顛覆

ADI MEMS 開關(guān)技術(shù)的關(guān)鍵是靜電驅(qū)動的微加工懸臂梁開關(guān)元件概念。本質(zhì)上可以將它視作微米尺度的機械開關(guān)，其金屬對金屬觸點通過靜電驅(qū)動。

開關(guān)采用三端子配置進行連接。功能上可以將這些端子視為源極、柵極和漏極。圖1是開關(guān)的簡化示意圖，情況A表示開關(guān)處于斷開位置。將一個直流電壓施加于柵極時，開關(guān)梁上就會產(chǎn)生一個靜電下拉力。這種靜電力與平行板電容的正負帶電板之間的吸引力是相同的。當(dāng)柵極電壓斜升至足夠高的值時，它會產(chǎn)生足夠大的吸引力（紅色箭頭）來克服開關(guān)梁的彈簧阻力，開關(guān)梁開始向下移動，直至觸點接觸漏極。

圖1. MEMS開關(guān)動作過程，A和C表示開關(guān)關(guān)斷，B表示開關(guān)接通

該過程如圖1中的情況B所示。因此，源極和漏極之間的電路閉合，開關(guān)現(xiàn)已接通。拉下開關(guān)梁所需的實際力大小與懸臂梁的彈簧常數(shù)及其對運動的阻力有關(guān)。注意：即使在接通位置，開關(guān)梁仍有上拉開關(guān)的彈簧力（藍色箭頭），但只要下拉靜電力（紅色箭頭）更大，開關(guān)就會保持接通狀態(tài)。最后，當(dāng)移除柵極電壓時（圖1中的情況C），即柵極電極上為0 V時，靜電吸引力消失，開關(guān)梁作為彈簧具有足夠大的恢復(fù)力（藍色箭頭）來斷開源極和漏極之間的連接，然后回到原始關(guān)斷位置。

一個MEMS懸臂開關(guān)梁

（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(jié)構(gòu)。）

MEMS開關(guān)需要高直流驅(qū)動電壓來以靜電力驅(qū)動開關(guān)。為使器件盡可能容易使用并進一步保障性能，ADI公司設(shè)計了配套驅(qū)動器集成電路來產(chǎn)生高直流電壓，其與MEMS開關(guān)共同封裝于QFN規(guī)格尺寸中。此外，所產(chǎn)生的高驅(qū)動電壓以受控方式施加于開關(guān)的柵極電極。它以微秒級時間斜升至高電壓。斜升有助于控制開關(guān)梁的吸引和下拉，改善開關(guān)的動作性能、可靠性和使用壽命。驅(qū)動器IC僅需要一個低電壓、低電流電源，可與標(biāo)準(zhǔn)CMOS邏輯驅(qū)動電壓兼容。這種一同封裝的驅(qū)動器使得開關(guān)非常容易使用，并且其功耗要求非常低，大約在10 mW到20 mW范圍內(nèi)。

實力擔(dān)當(dāng)——ADGM1304和ADGM1004

ADGM1304是一款寬帶、單刀四擲(SP4T)開關(guān)，其工作頻率可低至0 Hz/DC，是各種RF應(yīng)用的理想開關(guān)解決方案。實現(xiàn)更小、更靈活和更可靠的低插入損耗開關(guān)大幅減小尺寸和元件數(shù)量，并顯著降低成本。

ADGM1304 實力對比

與固態(tài)繼電器等其他開關(guān)替代產(chǎn)品不同，ADGM1304具備出色的精度，并提供從0 Hz (DC)到14 GHz的RF性能；

與機電繼電器相比，高度可靠的ADGM1304可將冷開關(guān)生命周期提高10倍，同時延長ATE系統(tǒng)工作壽命，減少由于繼電器故障導(dǎo)致的代價高昂的停機；

與DPDT繼電器設(shè)計相比，集成式電荷泵無需外部驅(qū)動器，這進一步減小了ATE系統(tǒng)尺寸，而多路復(fù)用器配置也可簡化扇出式結(jié)構(gòu)。

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保護技術(shù)來增強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。這個級別的ESD保護可謂MEMS開關(guān)行業(yè)首創(chuàng)。

ADGM1004與典型機電式RF繼電器（四開關(guān)）的尺寸比較

集成式固態(tài)ESD保護是專有的ADI技術(shù)，可實現(xiàn)非常高的ESD保護同時對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。

為了實現(xiàn)ADGM1004產(chǎn)品，不僅繼承了ADGM1304的所有性能，ADI更是將三種專有光刻技術(shù)與組裝和MEMS封蓋技術(shù)相結(jié)合，以實現(xiàn)這一性能突破。

ADGM1304:https://www.analog.com/cn/products/ADGM1304.html

ADGM1004:https://www.analog.com/cn/products/ADGM1004.html

與機電繼電器相比，高度可靠的ADGM1304和ADGM1004可將冷開關(guān)生命周期提高10倍，同時延長ATE系統(tǒng)工作壽命，減少由于繼電器故障導(dǎo)致的代價高昂的停機。此外，ADGM1304和ADGM1004 MEMS開關(guān)封裝高度極低，設(shè)計人員可以在ATE測試板兩側(cè)表面貼裝器件，以提高通道密度并降低成本，且不會增加設(shè)備體積。

距離這兩款革命性突破的 MEMS 開關(guān)的發(fā)布已經(jīng)過去兩年了，ADI 也一直致力于 MEMS 技術(shù)的發(fā)展