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详解ADI的MEMS开关技术

2018-02-08 来源:chemdy [责任编辑:lina]
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【导读】在过去的30年间,MEMS开关被一致认为是性能有限的机电式继电器的优越取代品。 透过易于使用、能够以损失最小的情况下,可靠的进行从0 Hz/dc至数百GHz路由的小型开关,因而彻底改变了电子系统实现的方法。


此性能上的优势会对大量设备类型与应用范围造成冲击。 透过MEMS开关技术,让电子量测系统、国防系统应用以及健康照护设备得以在性能与外型上实现以往难以达成的水平。
 
建立庞大产品事业
 
现代的开关技术都具有其缺点,因而没有一项技术可以成为理想的解决方案。 继电器的缺点包含了狭窄带宽、有限的致动寿命、有限的信道数量以及大型的包装尺寸。 相较于继电器,MEMS技术一直都具有提供世界级RF开关性能的潜力,以及在小巧外型中实现可靠度的数量级提升。
 
许多尝试开发MEMS开关技术的公司都是已经有可靠的产品量产时投入,却因这个挑战受到阻碍。 首先跨入MEMS开关研究的公司之一就是Foxboro公司,在1984年就提交了世界第一个机电式MEMS开关专利。 ADI从1990年开始就已经以早期学术项目跨入了MEMES开关技术的研究;在1998年时,ADI就已经开发出导向早期原型的MEMS开关设计;而在2011年时,ADI对于其MEMS开关计划做了大幅的投资,由此带动了ADI自身最先进MEMS开关制造设施的建构。
 
现在,ADI已经有能力提供业界所需「可量产」、「高可靠」、「高性能」、「小巧外型」的MEMS开关,藉以取代已经过时的继电器技术。
 
ADI在MEMS方面拥有丰富的经历。 ADI首款成功的开发、生产以及在全球商业化的MEMS加速度计产品是在1991年发表的ADXL50加速度计;ADI在2002年发表首款整合式MEMS陀螺仪-ADXRS150。 以此为起始,ADI建立了庞大的MEMS产品事业以及无与伦比的声誉,能够生产出可靠、高性能的MEMS产品。 ADI已经生产了超过十亿个使用于汽车、工业与消费性应用装置的惯性传感器。 正是如此的血统带来了经验与信任,驱动MEMS开关技术的实现。
 
MEMS开关的基础
 
ADI的MEMS开关技术的核心就是静电致动,悬臂梁开关组件的概念。 在本质上,它可以被视为是微米级机械继电器,具有可以透过静电致动的金属对金属接点。
 
该开关被链接在三组终端的组态设定当中。 在功能性上,终端可以被视为是源极、闸极、以及汲极等。 图一中所示为A状况之开关的简化图形呈现,显示该开关处于关闭的位置。 当施以dc电压至闸极时,在开关梁会生成静电的下拉力量。
 
相同的静电下拉力量可以在平行板电容器中看到,具有会彼此相互吸引的正电荷板与负电荷板。 当闸极电压递增到足够高的值,它就会产生出足够的吸引力(红色箭头)来克服开关梁的电阻弹簧力,而开关梁就会开始下移直到接点碰触到汲极。 这个状况显示于图一当中的B状况。 如此就完成了源极与汲极之间的电路,而开关现在是开启的状态。 将开关梁往下拉所需的实际力量与悬臂梁的弹簧常数以及其对于移动的抵抗力有关。
 
请注意,即便是在开启位置上,开关梁仍然会有将开关往上拉动的弹簧力(蓝色箭头),但是只要向下拉动的静电力量比较大,那么开关就会维持在开启的状态。 最后,当闸极电压被移除时(图一中的C状况),也就是在闸极电极上0 V,静电吸引力也会跟着消失,而开关梁会以具有足够回复力(蓝色箭头)的弹簧而动作,开启源极与汲极之间的链接,然后回返至原本的关闭位置。
 
 
图一 : MEMS开关致动程序,A与C代表开关关闭,B代表开启
 
图二中所示为利用MEMS技术制造开关的四个主要步骤。 该开关是以高电阻率的硅芯片(具有沈积在顶部的厚电介质层以提供与下方基板的优越电气隔离)所建构。 使用了标准的后端CMOS内部链接制程实现与MEMS开关的内部链接。 低电阻率金属与多晶硅都被用来制作与MEMS开关的电气链接,而且都被嵌入至电介质层当中。
 
以红色标示的金属导孔是用来提供与开关输入、输出的链接,以及提供闸极电极给芯片中任何位置的引线接合焊盘。 悬臂MEMS开关本身就是利用牺牲层予以表面微加工处理,藉以在悬臂梁之下建立空气间隙。 悬臂开关梁结构与接合焊盘都是利用黄金制作的。 开关接点与闸极电极都是利用低电阻的薄金属制成的,沈积在电介质表面上。
 
 
图二 : MEMS开关制造的概观
 
引线接合焊盘也是利用上述的步骤建构的。 黄金引线接合是用来将MEMS芯片链接至金属引线框架,封装至塑料四边扁平无接脚(QFN)芯片当中,使其易于表面黏着于PCB上。 该芯片不会受到任何一种封装技术类型的限制。 这是因为有高电阻率硅帽接合至MEMS芯片,在MEMS开关组件外围形成了密封保护外壳。 以此方式将开关密闭包覆可以提高开关对于环境的耐受度以及周期寿命,无论所使用的外部封装技术为何。
 
图三中所示为四组在单刀四掷(SP4T)乘法器组态设定下的MEMS开关。 每组开关梁具有五组并联的奥姆接点,用以在开关关闭时降低电阻与提高电力的处理。
 
 
图三 : 显示四组悬臂开关梁的特写图形(SP4T组态设定)
 
如同一开始所提到的,MEMS开关需要高dc驱动电压以静电方式致动开关。 为了要尽可能的让零件易于使用而且更进一步的保证其性能,ADI已经设计了搭配的驱动器IC,用以生成高dc电压并且与MEMS开关共同封装在一个QFN当中。
 
此外,产生出来的高致动电压会以受控的方式被施加于开关的闸极电极上。 它会在微秒时间尺度内递增至高电压。 递增的方式有助于控制开关梁如何被吸引以及下拉,并且改善开关的致动性、可靠度、与周期寿命。
 
图四中所示为QFN封装当中处于原位的驱动器IC与MEMS芯片。 驱动器IC只需要低电压、低电流供电,而且与标准CMOS逻辑驱动电压兼容。 此共同包装的驱动器让开关非常的易于使用,而且其只有非常低的电力需求:在10 mW 至20 mW的区域内。
 
 
图四 : 驱动IC(左侧),MEMS开关芯片(右侧)被黏着和线焊至金属导线架
 
MEMS开关的可靠度
 
任何新技术的关键性原则就是其究竟有多可靠,这点ADI非常清楚。 新的MEMS技术生产制程就是实现机构坚固、高性能开关设计开发的基础。 以此搭配密封的硅覆盖制程,对于提供确实可靠的长效MEMS开关而言是相当关键的。
 
为了要成功的将MEMS开关带向商业化,需要针对MEMS进行广泛的可靠度测试,像是开关操作循环、寿命测试、以及机械震动测试等。 除了这个检验,以及为了尽可能保证最高的质量之外,零件都已经通过全范围的标准IC可靠度测试加以验证。
 
在RF仪器应用中,足够长的开关致动寿命是最为重要的。 相较于机电继电器,MEMS技术的开发已经为周期寿命带来了数量级的改善。 在85 °C下的高温作业寿命(HTOL I)测试以及早期失效(ELF)鉴定测试可以严格的保证零件的周期寿命。
 
持续开启寿命(COL)性能是另一项MEMS开关技术的关键参数。 举例来说,RF仪器开关的使用方式可以改变,而开关可以有更多时间停留在开启状态。 ADI已经体认到这项事实,并且针对MEMS开关技术致力于实现卓越的COL寿命性能,藉以减轻寿命风险。 从最初的50 °C 下7年COL寿命性能水平至今,ADI已经进一步的开发出能够提供领先同级产品,具有85 °C下10年COL的技术。
 
MEMS开关技术已经经历了一整套的机械耐用性认证测试。 表1当中列举了总共5项测试,用以确保MEMS开关的机械耐久性。 由于MEMS开关组件的小巧尺寸与低惯性,因而很明显的远较机电继电器耐用。
 
强大的性能优势
 
MEMS开关的关键性力量,就是它能够在小巧的表面安装外型上同时提供0 Hz/dc的精密度与宽带RF性能以及卓越的可靠度vs. 继电器。
 
任何开关技术的最重要质量因子之一,就是单一开关的导通电阻乘以关闭电容。 通常会将此称作RonCoff系数,并且以飞秒(femtoseconds)加以表示。 当RonCoff下降时,开关的插入损耗也会随之减少,而关闭隔离就会获得改善。 对于单一开关单元,ADI MEMS开关技术的RonCoff系数小于8,此将可以保证其做为技术选择的地位,进而实现世界级的开关性能。
 
此基本的优势即可用来达成优越的RF性能位准,再搭配上谨慎的设计。 图五所示为针对原型QFN,单刀双掷(SPDT)MEMS开关进行量测所得的插入损耗以及关闭隔离。 插入损耗在26.5 GHz下只有1 dB,而且在QFN封装当中已经实现了超过32 GHz的带宽。
 
 
图五 : SPDT MEMS开关性能,采用QFN封装
 
图六所示为来自于原型插入损耗与关闭隔离的更广大频率扫描,在芯片单刀双掷(SPST)开关的探测量测中。 在40 GHz下,1 dB的插入损耗与– 30 dB区域的关闭隔离就能够达成。
 
 
图六 : 在裸芯片探测的量测下,SPST MEMS开关性能
 
此外,MEMS开关的设计本身就能够在以下的领域中提供非常高的性能:
 
**精密dc性能:小于2 Ω RON、0.5 nA的关闭漏泄、以及– 110 dBc的总谐波失真(THD + N)的精密性能位准已经获得实现,具有以波束与基板优化为基础而改善所有位准的潜力。
 
**线性度性能:高于69 dBm的三阶截断点(IP3)位准以27 dBm的输入音调加以实现。 在整个作业频率波段上还有增加超过75 dBm的潜力。
 
**致动寿命:保证最少10亿次致动周期。 此已经远超过目前市场上的机械继电器~一般额定值低于一千万次周期。
 
**电源处理(RF /dc):超过40 dBm的电源已经在整个作业频率波段中经过测试,而且在较低或是较高的频率中不会降级。 在dc信号方面,此开关技术可以通过200 mA以上的电流。
 
最后,具有小巧尺寸的解决方案通常是所有市场共通的关键需求。 MEMS于此再次的提供了引人注目的优势。 图七所示为经过封装的ADI SP4T(四组开关)MEMS开关设计与典型DPDT(四组开关)机电继电器的等比例比较。
 
以体积来说,空间的节省相当明显。 在此情况下MEMS开关只需要继电器体积的5%。 此非常小巧的尺寸会显著的带动电路板空间的节省,特别是双面电路板开发的实现。 对于汽车测试设备生产厂商而言,这点特别的有其价值,因为更高的信道密度是至为重要的。
 
 
图七 : 使用导线架芯片封装的ADI MEMS开关(四组开关)相较于典型的机电RF继电器(四组开关)
 
结论
 
ADI所开发出来的MEMS开关技术在开关性能与尺寸的缩减上有了飞跃式的进步。 同级产品中最佳的性能:从0 Hz/dc 到Ka波段甚至以上、相较继电器数量级的循环寿命改善、卓越的的线性度、非常低的电力需求、以及芯片等级封装的供货等,都使得ADI的MEMS开关技术为ADI的开关全产品系列带来了革命性的新品项。




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关键字:MEMS ADI 开关 
本文链接:http://www.cntronics.com/sensor-art/80033505
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