ADI公司革命性MEMS开关技术的基本原理

作者：Eric Carty, Padraig Fitzgerald, and Padraig McDaid

本文介绍ADI公司在微机电系统（MEMS）开关技术方面的突破。与传统的机电继电器相比，ADI公司的MEMS开关技术在RF和DC开关性能、可靠性和小型化方面实现了巨大的飞跃。

介绍

在过去的30年中，MEMS开关一直被吹捧为性能有限的机电继电器的卓越替代品，因此通过提供易于使用的小型开关，能够以最小的损耗可靠地将0 Hz/dc路由到100s的GHz信号，彻底改变了电子系统的实现方式。这种性能优势影响着各种设备类型和应用。电气测试和测量系统、国防系统应用和医疗设备只是达到以前无法达到的性能和外形水平的一些领域，所有这些都可以通过MEMS开关技术实现。

图1.ADI MEMS开关技术。

当代开关技术都有缺点，没有一种技术是理想的解决方案。继电器的缺点包括带宽窄、致动寿命有限、通道数量有限和封装尺寸大。与继电器相比，MEMS技术一直具有提供世界级RF开关性能的潜力，并在小尺寸内将可靠性提高几个数量级。

阻碍许多试图开发MEMS开关技术的公司面临的挑战是提供大批量生产的可靠产品。最早参与MEMS开关研究的公司之一是Foxboro公司，该公司于1984年申请了世界上第一批机电开关专利之一。ADI自1990年以来一直参与MEMS开关技术研究，早期的学术项目。到1998年，ADI公司成功开发出MEMS开关设计，并推出了早期原型。2011年，ADI大幅增加了MEMS开关项目投资。这推动了他们自己最先进的MEMS开关制造工厂的建设。现在，ADI能够提供始终需要的东西;量产、可靠、高性能、小尺寸MEMS开关，取代老化的继电器技术。

ADI在MEMS方面有着悠久的历史。世界上第一个成功开发、制造和商业化的MEMS加速度计产品是ADI公司的ADXL50加速度计，该器件于1991年发布。ADI于2002年发布了首款集成MEMS陀螺仪ADXRS150。从那时起，ADI已经建立了庞大的MEMS产品业务，并在制造可靠、高性能MEMS产品方面享有无与伦比的声誉。ADI已为汽车、工业和消费类应用出货超过10亿个惯性传感器。正是这种血统带来了推动MEMS开关技术实现的经验和信念。

MEMS 开关基础知识

ADI MEMS开关技术的核心是静电驱动的微加工悬臂梁开关元件的概念。从本质上讲，它可以被认为是微米级的机械继电器，具有通过静电驱动的金属对金属触点。

交换机以三端子配置连接。从功能上讲，端子可以被认为是源极、栅极和漏极。图 2 显示了开关的简化图形表示，案例 A 显示开关处于关闭位置。当直流电压施加到栅极时，开关梁上会产生静电下拉力。这与平行板电容器中的静电力相同，具有相互吸引的带正电和负电荷的板。当栅极电压斜坡上升到足够高的值时，它会产生足够的吸引力（红色箭头）以克服开关梁的电阻弹簧力，并且光束开始向下移动，直到触点接触漏极。如图 2 中的案例 B 所示。这样就完成了源极和漏极之间的电路，现在开关导通。将开关梁向下拉动所需的实际力与悬臂梁的弹簧常数及其运动阻力有关。请注意，即使在打开位置，开关光束仍然具有将开关向上拉动的弹簧力（蓝色箭头），但只要向下拉动的静电力（红色箭头）较大，开关就会保持打开状态。最后，当栅极电压被移除（图2中的情况C），即栅极上的0 V时，静电吸引力消失，开关束充当具有足够恢复力的弹簧（蓝色箭头）打开源极和漏极之间的连接，然后返回到原来的关闭位置。

图2.MEMS开关致动过程中，A和C显示开关关闭，B显示开关打开。

图3显示了使用MEMS技术制造开关的四个主要步骤。该开关构建在高电阻率硅晶圆 （1） 上，该晶圆顶部沉积有厚介电层，以提供与下方基板的出色电气隔离。采用标准后端CMOS互连工艺实现与MEMS开关的互连。低电阻率金属和多晶硅用于与MEMS开关建立电气连接，并嵌入到介电层（2）中。标记为红色 （2） 的金属过孔用于提供与开关输入、输出和栅极电极的连接，以连接到芯片上其他位置的引线键合焊盘。悬臂式MEMS开关本身使用牺牲层进行表面微加工，以在悬臂梁下产生气隙。悬臂开关梁结构和粘结垫（3）使用金形成。开关触点和栅极电极使用沉积在电介质表面上的低电阻薄金属形成。

图3.MEMS 开关制造概述。

引线键合焊盘也是使用上述步骤构建的。金线键合用于将MEMS芯片连接到金属引线框架，封装在塑料四扁平无铅（QFN）封装中，以便于PCB上的表面安装。该芯片不限于任何一种类型的封装技术。这是因为高电阻率硅帽（4）粘合在MEMS芯片上，在MEMS开关器件周围形成密封保护外壳。无论使用何种外部封装技术，以这种方式密封开关都可以提高开关的环境鲁棒性和循环寿命。

图4显示了单刀四掷（ST4T）多路复用器配置中四个MEMS开关的放大图。每个开关光束具有五个并联的欧姆触点，以降低电阻并在开关闭合时增加功率处理能力。

图4.特写图显示了四个MEMS悬臂开关光束（SP4T配置）。

如开头所述，MEMS开关需要高直流驱动电压来静电驱动开关。为了使该器件尽可能易于使用并进一步保证性能，ADI公司设计了一个配套驱动器集成电路（IC）来产生高直流电压，并与MEMS开关共同封装在QFN外形尺寸中。此外，产生的高致动电压以受控方式施加到开关的栅极上。它在微秒级时间内斜坡上升到高电压。斜坡有助于控制开关光束的吸引和拉下方式，并提高开关的驱动、可靠性和循环寿命。图5显示了QFN封装中的驱动器IC和MEMS原位芯片。驱动器IC只需要一个低电压、低电流电源，并且与标准CMOS逻辑驱动电压兼容。这种共同封装的驱动器使开关非常易于使用，并且具有非常低的功耗要求，范围为10 mW至20 mW。

图5.驱动IC（左），MEMS开关芯片（右）安装在金属引线框架上并引线键合。

可靠性

任何新技术的一个关键原则是其可靠性，这是ADI敏锐地意识到这一点。新的MEMS技术制造工艺是开发机械坚固、高性能开关设计的基础。这与密封的硅封盖工艺相结合，对于提供真正可靠的长寿命MEMS开关至关重要。为了成功将MEMS开关商业化，需要针对MEMS进行广泛的可靠性测试，例如开关循环、寿命测试和机械冲击测试。除了此认证之外，为了保证最高水平的质量，该器件已通过一系列标准IC可靠性测试进行了认证。

 

测试名称	规范
HTOL 1 kHz，10 亿次循环，1000 小时	JESD22-A108
HTOL II 在 +85°C 下连续开启， 1000小时	JESD22-A108
ELF 5 kHz 突发模式循环， 85°C， 48小时	MIL-STD-883， M1015
HAST +130°C， 85% 相对湿度， 偏置， 96 小时	JESD22-A110
SHR MSL 3 前提条件	J-STD-20
随机掉落	AEC-Q100 测试 G 5， 0.6 m
振动测试电炉 B，20 Hz 至 2000 Hz 在 50 g 时	军用标准-883， M2007.3
机械冲击 1500 g 0.5 ms 振动 50 g 正弦扫描 20 Hz 至 2000 Hz 加速度 30，000 g	D组 Sub 4 MIL-STD-883， 货号 M5005
温度循环 每小时 1 个循环 –40°C 至 +125°C，1000 次循环	JESD22-A104
高温存储 +150°C，1000 小时	JESD22-A103
高压釜 121°C， 100% 相对湿度， 96 小时	JESD22-A102

 

较长的开关致动寿命在射频仪器应用中至关重要。与机电继电器相比，MEMS技术的开发使循环寿命提高了一个数量级。85°C高温工作寿命（HTOL I）测试和早期寿命失效（ELF）鉴定测试严格保证了零件的循环寿命。

连续开启寿命（COL）性能是MEMS开关技术的另一个关键参数。例如，射频仪表开关的用法可以变化，开关可以长时间处于开启状态。ADI已经认识到这一事实，并专注于为MEMS开关技术实现出色的COL寿命性能，以降低寿命风险。从50°C下7年的初始COL性能水平（平均故障前时间），ADI进一步开发了该技术，在85°C下提供一流的10年COL。

MEMS开关技术经过了一套全面的机械鲁棒性鉴定测试。表1列出了确保MEMS开关机械耐久性的五项测试。由于MEMS开关元件体积小，惯性低，因此比机电继电器更坚固。

引人注目的性能优势

MEMS开关的关键优势在于，它以微小的表面贴装外形尺寸将0 Hz/dc精度和宽带RF性能与继电器相比具有更高的可靠性。

对于任何开关技术来说，最重要的品质因数之一是导通电阻乘以单个开关的关断电容。这通常被称为RonCoff乘积，以飞秒为单位表示。随着RonCoff的减少，开关的插入损耗也随之降低，关断隔离度得到改善。

用于单个开关单元单元的ADI MEMS开关技术RonCoff产品为<8，保证了其作为实现世界级开关性能的首选技术的地位。

这一基本优势是利用的，加上精心的设计，达到了卓越的射频性能水平。图 6 显示了原型 QFN 单刀双掷 （SPDT） MEMS 开关的插入损耗和关断隔离。在 26.5 GHz 时插入损耗仅为 1 dB，而采用 QFN 封装时可实现超过 32 GHz 的带宽。

图6.单刀双掷MEMS开关性能，QFN封装。

图7显示了在芯片单刀双掷（SPST）MEMS开关探测测量中，插入损耗和关断隔离的更宽频率扫描。在40 GHz时，在–30 dB范围内实现了1 dB的插入损耗和关断隔离。

图7.单刀单刀单掷MEMS开关性能，片上探测测量。

此外，MEMS开关设计在以下方面具有非常高的性能。

精密直流性能：精度性能水平为 <2 Ω R上、0.5 nA 关断漏电流和 –110 dBc 总谐波失真 （THD + N），有可能根据波束和基板优化改善所有水平。

线性度性能：输入音为27 dBm时，实现了超过69 dBm的三阶交调截调截点（IP3）电平。在整个工作频段内，有可能增加到75 dBm以上。

致动寿命：保证至少 10 亿次致动循环。这远远超过了当今市场上的任何机械继电器，其额定循环次数通常低于 1000 万次循环。

功率处理 （RF/dc）：超过 40 dBm 的功率已在整个工作频段内进行了测试，并且在较低或较高频率下不会降低。在直流信号方面，开关技术可以通过超过200 mA的电流。

最后，拥有小尺寸解决方案通常是所有市场的关键要求。MEMS在这方面再次提供了令人信服的优势。图8显示了封装的ADI SP4T（四开关）MEMS开关设计与典型DPDT（四开关）机电继电器的按比例比较。在体积方面，节省空间是巨大的。在这里，MEMS开关仅占继电器体积的5%。这种非常小的尺寸显著节省了电路板面积，特别是支持双面板开发。这一优势对于自动测试设备制造商来说尤其有价值，因为提高通道密度至关重要。

图8.采用引线框架芯片级封装的ADI MEMS开关（四个开关）与典型的机电RF继电器（四个开关）的比较。

结论

ADI开发的MEMS开关技术在开关性能和尺寸减小方面实现了飞跃。ADI公司的MEMS开关技术具有从0 Hz/dc到Ka波段及更高频段的一流性能、与继电器相比数量级的周期寿命改进、出色的线性度、极低的功耗要求以及芯片级封装的可用性，使ADI公司的MEMS开关技术成为ADI公司整体开关产品的革命性新成员。

审核编辑：郭婷