作者：Eric Carty and Padraig McDaid

需要突破性的技術(shù)來解決大問題。機電繼電器的起源可以追溯到電報的早期，沒有替代的開關(guān)技術(shù)可以滿足所有市場需求，特別是在測試和測量、通信、國防、醫(yī)療保健和消費市場中對更智能、更互聯(lián)的應用的需求。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準測試解決方案具有盡可能小的外形尺寸，需要最大限度地提高測試的并行性，同時在頻率范圍內(nèi)跨越0 Hz/dc至100s GHz。機電繼電器由于帶寬窄、致動壽命有限、通道數(shù)量有限和封裝尺寸大，對系統(tǒng)設(shè)計人員的限制越來越大。

微機電系統(tǒng)（MEMS）開關(guān)可以提供超越繼電器所需的創(chuàng)新，并將行業(yè)推向一個新的水平。憑借內(nèi)部最先進的MEMS開關(guān)制造設(shè)施，ADI公司現(xiàn)在正在提供批量生產(chǎn)的高性能、快速、機械耐用、低功耗、靜電放電（ESD）保護的小尺寸MEMS開關(guān)。

微機電系統(tǒng)開關(guān)技術(shù)

ADI MEMS開關(guān)技術(shù)的核心是靜電驅(qū)動、微加工、金懸臂梁開關(guān)元件的概念。MEMS開關(guān)可以被認為是微米級的機械繼電器，具有金屬對金屬觸點，通過高直流電壓驅(qū)動的靜電驅(qū)動。清晰可見的是平行的五個觸點和圖形后部有氣隙的鉸鏈結(jié)構(gòu)。該開關(guān)設(shè)計用于ADGM1304 SP4T MEMS開關(guān)和增強型ESD保護型ADGM1004 SP4T開關(guān)。

ADI公司設(shè)計了配套驅(qū)動器集成電路（IC），用于產(chǎn)生驅(qū)動開關(guān)所需的高直流電壓，從而保證快速、可靠的驅(qū)動和較長的循環(huán)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。共同封裝的驅(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×。

圖2.ADGM1004增強型ESD保護MEMS開關(guān)。

集成 ESD 保護

利用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額定值已提高到5 kV。這種級別的ESD保護是MEMS開關(guān)行業(yè)的首創(chuàng)。

集成式固態(tài)ESD保護是ADI專有的技術(shù)，可實現(xiàn)非常高的ESD保護，對MEMS開關(guān)RF性能的影響最小。圖3顯示了封裝中的ESD保護元件。圖中顯示了安裝在MEMS芯片上的芯片，以及與封裝RF引腳的引線鍵合。它們針對射頻和ESD性能進行了優(yōu)化。

圖3.ADGM1004驅(qū)動IC（左），MEMS開關(guān)芯片（右），RF端口ESD保護芯片安裝在頂部，引線鍵合到金屬引線框架。

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)性能突破。

射頻和 0 Hz/DC 性能

MEMS開關(guān)的優(yōu)勢在于，它將0 Hz/dc精度和寬帶RF性能結(jié)合在一個小巧的表面貼裝外形中。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。插入損耗在 2.5 GHz 時僅為 0.45 dB，在高達 13 GHz 時為 – 3 dB 帶寬。RF功率處理能力的額定值為32 dBm，無壓縮，三階交調(diào)截點（IP3）線性度在整個頻率范圍內(nèi)為恒定的67 dBm（典型值），在極低頻率下沒有下降。

圖4.ADGM1004 MEMS開關(guān)射頻性能。線性刻度< 10 MHz。

ADGM1004 MEMS開關(guān)設(shè)計為0 Hz/DC精密應用提供極高性能。表 1 是這些重要規(guī)格的摘要。

與額定電壓為100 V HBM的ADGM1304器件相比，表1中RF端口的5 kV HBM的HBM ESD額定值顯著提高。這提高了人工操作、ESD 敏感應用中的易用性。

擁有小尺寸解決方案是所有市場的關(guān)鍵要求。圖5顯示了封裝的ADGM1004 SP4T MEMS開關(guān)設(shè)計與典型DPDT機電繼電器的按比例比較，可節(jié)省高達95%的體積。

圖5.ADGM1004 MEMS開關(guān)（4個開關(guān)）與典型的機電RF繼電器（4個開關(guān)）的比較。

最后，為了幫助系統(tǒng)設(shè)計人員，ADGM1004開關(guān)在切換RF功率通過開關(guān)（熱開關(guān)）時的周期壽命進行了表征。圖6顯示了熱開關(guān)2 GHz、10 dBm RF信號時的壽命概率。此樣本測試中失效前的平均循環(huán)數(shù) （T50） 點約為 34 億個循環(huán)。ADGM1004數(shù)據(jù)手冊中提供了更高功率的測試結(jié)果。

圖6.對數(shù)正常故障概率，95% 置信區(qū)間 （CI） 指示熱切換 10 dBm RF 信號。

結(jié)論

突破性的增強型ESD保護型ADGM1004 MEMS開關(guān)可大幅提高易用性，同時在RF和0 Hz/DC應用中保持出色的開關(guān)性能。與RF繼電器相比，ADI公司的MEMS開關(guān)技術(shù)可在0 Hz/dc范圍內(nèi)實現(xiàn)同類最佳性能，開關(guān)體積縮小高達95%，可靠性提高10×速度提高30×功耗，功耗降低10×。新型ADGM1004 MEMS開關(guān)是ADI公司整體開關(guān)產(chǎn)品中令人興奮的新成員。

審核編輯：郭婷