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PK传统开关,MEMS开关的N大优势

发布时间:2020-11-03 责任编辑:wenwei

【导读】近日,有媒体报道称,进入21世纪后,MEMS开关技术在经过长时间且动荡的技术开发之后,终于有望走向手机应用。值得一提的是,这项“有望走入手机”的产品的真正商用化是ADI公司在四年前开创的,目前已经在自动测试设备、测试仪器仪表和高性能RF开关等领域获得应用。
 
而在过去30年,MEMS开关尽管因易于使用、尺寸很小、能以极小的损耗可靠地传送0 Hz/dc至数百GHz信号,一直被标榜为性能有限的机电继电器的出色替代器件,但因为难以通过大规模生产来大批量提供可靠产品的挑战,让许多试图开发MEMS开关技术的公司停滞不前。在MEMSRF开关在手机等终端应用中普及前,本文以ADI 高性能MEMS开关器件为例,详细解读其基本实现原理与相较传统开关的诸多优势。
 
创新微机械结构跨入MEMS开关商业化门槛
 
据相关文献资料显示,世界上第一个MEMS开关是由美国IBM的K.E.Peterson研制成功的,受当时MEMS加工工艺的限制,该开关的性能并不稳定;直到20世纪90年代,随着MEMS加工技术发展,MEMS开关才取得了跨越式的进步:如1991年Larson制作的旋转式MEMS开关,1996年Goldsmith等人研制出一种低驱动电压电容式MEMS开关,1998年Pachero设计的螺旋型悬臂式MEMS开关结构等,以上各类开关不同性能都在一定程度上有所提升。
 
ADI公司自1990年开始通过一些学术项目涉足MEMS开关技术研究,到1998年,ADI公司终于开发出一种MEMS开关设计,并根据该设计制作了一些早期原型产品。2011年,ADI公司大幅增加了MEMS开关项目投入,从而推动了自有先进MEMS开关制造设施的建设。直到2016年,ADI公司已能量产出可靠、高性能、小尺寸的MEMS开关以取代过时的继电器技术。ADI MEMS开关技术的关键是静电驱动的微机械加工黄金悬臂梁开关元件概念,可以将MEMS开关视作微米尺度的机械继电器,其金属对金属触点通过高压直流静电驱动。下图显示了单个MEMS开关悬臂的特写图,其中可看到并联的五个触点和具有下面有空隙的铰链结构。
 
PK传统开关,MEMS开关的N大优势
MEMS悬臂开关梁特写
 
开关采用三端子配置进行连接。功能上可以将这些端子视为源极、栅极和漏极。下图是开关的简化示意图,情况A表示开关处于断开位置。将一个直流电压施加于栅极时,开关梁上就会产生一个静电下拉力。这种静电力与平行板电容的正负带电板之间的吸引力是相同的。当栅极电压斜升至足够高的值时,它会产生足够大的吸引力(红色箭头)来克服开关梁的弹簧阻力,开关梁开始向下移动,直至触点接触漏极。该过程如情况B所示。因此,源极和漏极之间的电路闭合,开关现已接通。拉下开关梁所需的实际力大小与悬臂梁的弹簧常数及其对运动的阻力有关。注意:即使在接通位置,开关梁仍有上拉开关的弹簧力(蓝色箭头),但只要下拉静电力(红色箭头)更大,开关就会保持接通状态。最后,当移除栅极电压时(情况C),即栅极电极上为0 V时,静电吸引力消失,开关梁作为弹簧具有足够大的恢复力(蓝色箭头)来断开源极和漏极之间的连接,然后回到原始关断位置。
 
PK传统开关,MEMS开关的N大优势
MEMS开关动作过程,A和C表示开关关断,B表示开关接通
 
这一开关设计用于ADGM1304单刀四掷 (SP4T) MEMS开关和具有增强型ESD保护性能的ADGM1004SP4T开关。此外,ADI还设计了一个配套驱动器集成电路,以产生驱动开关所需的高直流电压,保证快速可靠的驱动和长使用寿命,并使器件易于使用。下图显示了采用超小型SMD QFN封装的MEMS芯片和驱动器IC。被封装在一起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倍。
 
PK传统开关,MEMS开关的N大优势
ADGM1004增强型ESD保护MEMS开关
 
超高性能、高可靠性致胜MEMS开关商业化
 
众所知周,在测试仪器仪表中,开关尺寸非常重要,可决定在测试设备仪器电路板或待测器件接口TIU板上能够实现的功能和通道数。得益于创造性设计思路,ADI 的MEMS开关既具备了EMR的优点,同时尺寸大幅缩小,而且还提高了RF额定性能和使用寿命。下图显示ADGM1304 0Hz/dc至14 GHz带宽、单刀四掷(SP4T) MEMS开关,被放置在典型的3 GHz带宽双刀双掷 (DPDT) EMR之上。就体积差异来看,尺寸可缩小90%以上。
 
PK传统开关,MEMS开关的N大优势
 
ADGM1004 MEMS开关(四开关)与典型机电式RF继电器(四开关)的比较
 
高带宽是驱动开关进入新应用领域的关键,除了 MEMS 技术的物理尺寸优势之外,MEMS 开关的电气和机械性能也具有很大优势。下表显示ADGM1304和ADGM1004器件的一些关键规格,与典型的更高频率单刀掷 (SPDT) 8 GHz EMR 进行比较,ADGM1304和ADGM1004器件具有出色的带宽、插入损耗和切换时间,使用寿命为10亿个周期。
 
PK传统开关,MEMS开关的N大优势
 
低功耗、低电压、集成电源的驱动器是 MEMS 开关的另外几大关键优势。ADGM1304和ADGM1004 MEMS开关内置低电压、可独立控制的开关驱动器,它们不需要外部驱动器 IC。由于MEMS开关封装的高度较小(ADGM1304的封装高度为 0.95 mm,ADGM1004的封装高度为1.45 mm),因此开关可以安装在PCB的反面,较小的封装高度增大了可实现的通道密度。
 
此外,ADGM1004具有较高的静电放电(ESD)额定值,人体模型(HBM)的 ESD 额定值为 2.5 kV,电场感应器件充电模型(FICDM)的 ESD 额定值为 1.25 kV,从而进一步增强了易用性。
 
本文小结
 
自硅晶体管发明以来,已有近70多年的历史,而机电继电器发明已有185年以上的历史,这些传统技术的主要缺点会限制许多终端产品和系统的性能。与传统机电继电器相比,ADI 的MEMS开关技术使RF 和DC开关性能、可靠性及小型化实现了跨越式发展,ADGM1304和具有开创性的增强型ESD保护性能的ADGM1004 RF MEMS开关的体积缩小了95%,速度加快了30倍,可靠性提高了10倍,而功耗仅为原来的十分之一,未来将在航空航天和防务、医疗保健以及通信基础设施设备等行业内逐步取代继电器。
 
 
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