【導(dǎo)讀】解決大問題需要開創(chuàng)性的技術(shù)。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(guān)技術(shù)可滿足所有市場需求——特別是對于測試和測量、通信、防務(wù)、醫(yī)療保健和消費類市場中智能性和互聯(lián)性更強的應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)計人員的限制日益增大。
微機電系統(tǒng) (MEMS) 開關(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(nèi)部最先進的MEMS開關(guān)制造設(shè)備，ADI公司目前可以批量生產(chǎn)高性能的快速小型MEMS開關(guān)，此類開關(guān)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(guān)技術(shù)
ADI MEMS開關(guān)技術(shù)的關(guān)鍵是靜電驅(qū)動的微機械加工黃金懸臂梁開關(guān)元件概念。可以將MEMS開關(guān)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(guān)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(jié)構(gòu)。這一開關(guān)設(shè)計用于 ADGM1304 單刀四擲 (SP4T) MEMS開關(guān)和具有增強型ESD保護性能的 ADGM1004 SP4T開關(guān)。
圖1. 特寫圖顯示了一個MEMS懸臂開關(guān)梁。
ADI設(shè)計了一個配套驅(qū)動器集成電路 (IC)，以產(chǎn)生驅(qū)動開關(guān)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(guān)。
集成ESD保護
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)。
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。
圖3. ADGM1004驅(qū)動器IC（左）和MEMS開關(guān)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(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。
RF和0 Hz/DC性能
MEMS開關(guān)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(guān)的實測插入損耗和關(guān)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(guān)RF性能線性標(biāo)度<10 MHz。
ADGM1004 MEMS開關(guān)設(shè)計為0 Hz/dc精密應(yīng)用提供極高的性能。表1 列出了這些重要規(guī)格。
表1. ADGM1004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(yīng)用的易用性。
表2. ADGM1004精度規(guī)格II
無論什么市場，小尺寸解決方案都是一項關(guān)鍵要求。圖5利用實物照片比較了ADGM1004 SP4T MEMS開關(guān)的封裝設(shè)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(guān)（四開關(guān)）與典型機電式RF繼電器（四開關(guān)）的比較。
最后，為了幫助系統(tǒng)設(shè)計人員，我們對ADGM1004開關(guān)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(jié)果，請參見ADGM1004數(shù)據(jù)手冊。
圖6. 10 dBm RF信號熱切換時95%置信區(qū)間 (CI) 下的對數(shù)正態(tài)故障概率。
結(jié)語
具有開創(chuàng)性的增強型ESD保護性能的ADGM1004 MEMS開關(guān)可以大幅提高易用性，同時在RF應(yīng)用和0 Hz/dc應(yīng)用中都能保持卓越的開關(guān)性能。ADI的MEMS開關(guān)技術(shù)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(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開關(guān)為ADI公司性能優(yōu)異的開關(guān)產(chǎn)品陣營又添異彩。
本文轉(zhuǎn)載自亞德諾半導(dǎo)體。
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