開創性的5 kV ESD MEMS開關技術
發布時間：2017-12-22 來源：Eric Carty 和 Padraig McDaid 責任編輯：wenwei
【導讀】解決大問題需要開創性的技術。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——特別是對於測試和測量、通信、防務、醫(yi)療(liao)保(bao)健(jian)和(he)消(xiao)費(fei)類(lei)市(shi)場(chang)中(zhong)智(zhi)能(neng)性(xing)和(he)互(hu)聯(lian)性(xing)更(geng)強(qiang)的(de)應(ying)用(yong)需(xu)求(qiu)。作(zuo)為(wei)不(bu)斷(duan)增(zeng)長(chang)的(de)市(shi)場(chang)需(xu)求(qiu)的(de)一(yi)個(ge)例(li)子(zi)，測(ce)試(shi)和(he)測(ce)量(liang)終(zhong)端(duan)用(yong)戶(hu)要(yao)求(qiu)多(duo)標(biao)準(zhun)測(ce)試(shi)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)的(de)尺(chi)寸(cun)盡(jin)可(ke)能(neng)最(zui)小(xiao)，在(zai)0 Hz/dc至數百GHz的頻率範圍內需要實現最高並行測試。機電繼電器的帶寬窄、動作壽命有限、通道數有限以及封裝尺寸較大，因此對係統設計人員的限製日益增大。
微機電係統 (MEMS) 開關具有創新性，可以替代繼電器並將行業推向更高水平。憑借內部最先進的MEMS開關製造設備，ADI公司目前可以批量生產高性能的快速小型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動的微機械加工黃金懸臂梁開關元件概念。可以將MEMS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動。圖1顯示了單個MEMS開關懸臂的特寫圖。其中可看到並聯的的五個觸點和具有下麵有空隙的鉸鏈結構。這一開關設計用於 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設計了一個配套驅動器集成電路 (IC)，以產生驅動開關所需的高直流電壓，保證快速可靠的驅動和長使用壽命，並使器件易於使用。圖2顯示了采用超小型SMD QFN封裝的MEMS芯片和驅動器IC。被封裝在一起的驅動器功耗非常低——典型值為10 mW，比RF繼電器的典型驅動器要求低10倍。
圖2. ADGM1004增強型ESD保護MEMS開關。
集成ESD保護
借助ADGM1304 MEMS開關產品，ADI開發了ADGM1004 MEMS開關，通過集成固態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開關行業首創。
集成式固態ESD保護是專有的ADI技術，可實現非常高的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性能進行了優化。
圖3. ADGM1004驅動器IC（左）和MEMS開關芯片（右），帶RF端口ESD保護芯片安放在MEMS管芯之上並線焊至金屬引線框架。
為了實現ADGM1004產品，ADI將三種專有光刻技術與組裝和MEMS封蓋技術相結合，以實現這一性能突破。
RF和0 Hz/DC性能
MEMS開關的優勢是它在一個非常小的表貼封裝中實現了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），三階交調截點 (IP3) 線性度在頻率範圍內恒定為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 列出了這些重要規格。
表1. ADGM1004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2. ADGM1004精度規格II
無論什麼市場，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。
最後，為了幫助係統設計人員，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次數 (T50) 為34億次。更高的功率測試結果，請參見ADGM1004數據手冊。
圖6. 10 dBm RF信號熱切換時95%置信區間 (CI) 下的對數正態故障概率。
結語
具有開創性的增強型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公司性能優異的開關產品陣營又添異彩。
本文轉載自亞德諾半導體。
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