突破性的5kV ESD MEMS开关技术

作者：Eric Carty and Padraig McDaid

需要突破性的技术来解决大问题。机电继电器的起源可以追溯到电报的早期，没有替代的开关技术可以满足所有市场需求，特别是在测试和测量、通信、国防、医疗保健和消费市场中对更智能、更互联的应用的需求。作为不断增长的市场需求的一个例子，测试和测量终端用户要求多标准测试解决方案具有尽可能小的外形尺寸，需要最大限度地提高测试的并行性，同时在频率范围内跨越0 Hz/dc至100s GHz。机电继电器由于带宽窄、致动寿命有限、通道数量有限和封装尺寸大，对系统设计人员的限制越来越大。

微机电系统（MEMS）开关可以提供超越继电器所需的创新，并将行业推向一个新的水平。凭借内部最先进的MEMS开关制造设施，ADI公司现在正在提供批量生产的高性能、快速、机械耐用、低功耗、静电放电（ESD）保护的小尺寸MEMS开关。

微机电系统开关技术

ADI MEMS开关技术的核心是静电驱动、微加工、金悬臂梁开关元件的概念。MEMS开关可以被认为是微米级的机械继电器，具有金属对金属触点，通过高直流电压驱动的静电驱动。清晰可见的是平行的五个触点和图形后部有气隙的铰链结构。该开关设计用于ADGM1304 SP4T MEMS开关和增强型ESD保护型ADGM1004 SP4T开关。

ADI公司设计了配套驱动器集成电路（IC），用于产生驱动开关所需的高直流电压，从而保证快速、可靠的驱动和较长的循环寿命，并使器件易于使用。图2显示了采用超小型SMD QFN封装的MEMS芯片和驱动器IC。共同封装的驱动器功耗非常低，典型值为10 mW，比RF继电器的典型驱动器要求低10×。

图2.ADGM1004增强型ESD保护MEMS开关。

集成 ESD 保护

利用ADGM1304 MEMS开关产品，ADI开发了ADGM1004 MEMS开关，通过集成固态ESD保护技术来增强RF端口ESD性能。ADGM1004开关的RF端口人体模型（HBM）ESD额定值已提高到5 kV。这种级别的ESD保护是MEMS开关行业的首创。

集成式固态ESD保护是ADI专有的技术，可实现非常高的ESD保护，对MEMS开关RF性能的影响最小。图3显示了封装中的ESD保护元件。图中显示了安装在MEMS芯片上的芯片，以及与封装RF引脚的引线键合。它们针对射频和ESD性能进行了优化。

图3.ADGM1004驱动IC（左），MEMS开关芯片（右），RF端口ESD保护芯片安装在顶部，引线键合到金属引线框架。

为了实现ADGM1004产品，ADI将三种专有光刻技术与组装和MEMS封盖技术相结合，以实现性能突破。

射频和 0 Hz/DC 性能

MEMS开关的优势在于，它将0 Hz/dc精度和宽带RF性能结合在一个小巧的表面贴装外形中。图4显示了ADGM1004单刀四掷（SP4T）MEMS开关的实测插入损耗和关断隔离。插入损耗在 2.5 GHz 时仅为 0.45 dB，在高达 13 GHz 时为 – 3 dB 带宽。RF功率处理能力的额定值为32 dBm，无压缩，三阶交调截点（IP3）线性度在整个频率范围内为恒定的67 dBm（典型值），在极低频率下没有下降。

图4.ADGM1004 MEMS开关射频性能。线性刻度< 10 MHz。

ADGM1004 MEMS开关设计为0 Hz/DC精密应用提供极高性能。表 1 是这些重要规格的摘要。

 

静电放电 （HBM）	可持续发展教育	关于电阻	关漏	0 Hz/直流 V， I 额定值
5 kV 射频端口 2.5 kV 非射频端口	1.25 kV 所有端口	1.8 Ω典型值	最大 0.5 nA	±6 V， 220 mA

 

与额定电压为100 V HBM的ADGM1304器件相比，表1中RF端口的5 kV HBM的HBM ESD额定值显著提高。这提高了人工操作、ESD 敏感应用中的易用性。

 

开关速度	电源电压、电源	包装尺寸	循环寿命
30 微秒	3.1 V 至 3.3 V， 典型值为 10 mW	5 毫米 × 4 毫米 × 1.45 毫米	10 亿分钟

 

拥有小尺寸解决方案是所有市场的关键要求。图5显示了封装的ADGM1004 SP4T MEMS开关设计与典型DPDT机电继电器的按比例比较，可节省高达95%的体积。

图5.ADGM1004 MEMS开关（4个开关）与典型的机电RF继电器（4个开关）的比较。

最后，为了帮助系统设计人员，ADGM1004开关在切换RF功率通过开关（热开关）时的周期寿命进行了表征。图6显示了热开关2 GHz、10 dBm RF信号时的寿命概率。此样本测试中失效前的平均循环数 （T50） 点约为 34 亿个循环。ADGM1004数据手册中提供了更高功率的测试结果。

图6.对数正常故障概率，95% 置信区间 （CI） 指示热切换 10 dBm RF 信号。

结论

突破性的增强型ESD保护型ADGM1004 MEMS开关可大幅提高易用性，同时在RF和0 Hz/DC应用中保持出色的开关性能。与RF继电器相比，ADI公司的MEMS开关技术可在0 Hz/dc范围内实现同类最佳性能，开关体积缩小高达95%，可靠性提高10×速度提高30×功耗，功耗降低10×。新型ADGM1004 MEMS开关是ADI公司整体开关产品中令人兴奋的新成员。

审核编辑：郭婷