开创性的5 kV ESD MEMS开关技术

作者：Eric Carty和Padraig McDaid ADI公司

解决大问题需要开创性的技术。机电继电器早在电报问世之初就已存在，但没有其他替代的开关技术可满足所有市场需求——特别是对于测试和测量、通信、防务、医疗保健和消费类市场中智能性和互联性更强的应用需求。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的尺寸尽可能最小，在0 Hz/dc至数百GHz的频率范围内需要实现最高并行测试。机电继电器的带宽窄、动作寿命有限、通道数有限以及封装尺寸较大，因此对系统设计人员的限制日益增大。微机电系统 (MEMS) 开关具有创新性，可以替代继电器并将行业推向更高水平。凭借内部最先进的MEMS开关制造设备，ADI公司目前可以批量生产高性能的快速小型MEMS开关，此类开关的特点是机械耐用、功耗低且具有静电放电 (ESD) 保护功能。

MEMS开关技术

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。图1显示了单个MEMS开关悬臂的特写图。其中可看到并联的的五个触点和具有下面有空隙的铰链结构。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。

图1. 特写图显示了一个MEMS悬臂开关梁。

ADI设计了一个配套驱动器集成电路 (IC)，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。图2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。

图2. ADGM1004增强型ESD保护MEMS开关。

集成ESD保护

借助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额定值已增加到5 kV。这个级别的ESD保护可谓MEMS开关行业首创。

集成式固态ESD保护是专有的ADI技术，可实现非常高的ESD保护同时对MEMS开关RF性能影响最小。图3显示了采用SMD QFN封装的ESD保护元件。其中，芯片安放在MEMS芯片上，通过焊线连接至封装的RF引脚。这些都是针对RF和ESD性能进行了优化。

图3. ADGM1004驱动器IC（左）和MEMS开关芯片（右），带RF端口ESD保护芯片安放在MEMS管芯之上并线焊至金属引线框架。

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，以实现这一性能突破。

RF和0 Hz/DC性能

MEMS开关的优势是它在一个非常小的表贴封装中实现了0 Hz/dc精密性和宽带RF性能。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性能。插入损耗在2.5 GHz时仅为0.45 dB，在带宽高达13 GHz时为–3 dB。RF功率处理额定值为32 dBm（无压缩），三阶交调截点 (IP3) 线性度在频率范围内恒定为67 dBm（典型值），频率极低时无性能降低。

图4. ADGM1004 MEMS开关RF性能线性标度<10 MHz

ADGM1004 MEMS开关设计为0 Hz/dc精密应用提供极高的性能。表1列出了这些重要规格。

表1. ADGM1004精度规格I

表1列出了HBM ESD额定值，RF端口的额定值为5 kV HBM，相比ADGM1304器件的100V HBM有大幅提升。这提高了人工处理ESD敏感型应用的易用性。

表2. ADGM1004精度规格II

无论什么市场，小尺寸解决方案都是一项关键要求。图5利用实物照片比较了ADGM1004 SP4T MEMS开关的封装设计与典型DPDT机电继电器的尺寸，ADGM100体积缩小了高达95%。

图5. ADGM1004 MEMS开关（四开关）与典型机电式RF继电器（四开关）的比较。

最后，为了帮助系统设计人员，我们对ADGM1004开关的热切换寿命（进行RF功率传输时对通道进行切换）进行了特性化测试。图6显示了进行2 GHz、10 dBm RF信号热切换时的寿命概率。样本测试的故障前平均循环次数 (T50) 为34亿次。更高的功率测试结果，请参见ADGM1004数据手册。

图6. 10 dBm RF信号热切换时95%置信区间 (CI) 下的对数正态故障概率。

结语

具有开创性的增强型ESD保护性能的ADGM1004 MEMS开关可以大幅提高易用性，同时在RF应用和0 Hz/dc应用中都能保持卓越的开关性能。ADI的MEMS开关技术具有从0 Hz/dc开始的世界顶级的带宽性能，相比RF继电器，MEMS开关的体积缩小多达95%，可靠性提升10倍，速度提升30倍，功耗降低10倍。ADGM1004 MEMS开关为ADI公司性能优异的开关产品阵营又添异彩。

作者简介

Eric Carty于1998年获得爱尔兰国立梅努斯大学实验物理硕士学位。加入ADI公司之前，他担任了10年的RF无源器件设计工程师。2009年，他成为ADI公司的高级应用工程师，主要从事RF开关和MEMS技术的研发工作。他目前负责管理ADI公司的开关与多路复用器应用部门。联系方式：
eric.carty@analog.com 。

Padraig McDaid 1998年毕业于爱尔兰利默里克大学，获得电子工程学士学位。Padraig负责管理ADI公司的开关与多路复用器市场营销部门，重点关注MEMS技术研发。2009年加入ADI公司之前，Padraig曾在多家跨国公司和中小型企业从事过RF设计、应用和营销工作。联系方式：
padraig.mcdaid@analog.com 。

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