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詳解ADI的MEMS開關技術

發(fā)布時間:2018-02-08 來源:chemdy 責任編輯:lina

【導讀】在過去的30年間,MEMS開關被一致認為是性能有限的機電式繼電器的優(yōu)越取代品。 透過易于使用、能夠以損失最小的情況下,可靠的進行從0 Hz/dc至數(shù)百GHz路由的小型開關,因而徹底改變了電子系統(tǒng)實現(xiàn)的方法。


此性能上的優(yōu)勢會對大量設備類型與應用范圍造成沖擊。 透過MEMS開關技術,讓電子量測系統(tǒng)、國防系統(tǒng)應用以及健康照護設備得以在性能與外型上實現(xiàn)以往難以達成的水平。
 
建立龐大產品事業(yè)
 
現(xiàn)代的開關技術都具有其缺點,因而沒有一項技術可以成為理想的解決方案。 繼電器的缺點包含了狹窄帶寬、有限的致動壽命、有限的信道數(shù)量以及大型的包裝尺寸。 相較于繼電器,MEMS技術一直都具有提供世界級RF開關性能的潛力,以及在小巧外型中實現(xiàn)可靠度的數(shù)量級提升。
 
許多嘗試開發(fā)MEMS開關技術的公司都是已經有可靠的產品量產時投入,卻因這個挑戰(zhàn)受到阻礙。 首先跨入MEMS開關研究的公司之一就是Foxboro公司,在1984年就提交了世界第一個機電式MEMS開關專利。 ADI從1990年開始就已經以早期學術項目跨入了MEMES開關技術的研究;在1998年時,ADI就已經開發(fā)出導向早期原型的MEMS開關設計;而在2011年時,ADI對于其MEMS開關計劃做了大幅的投資,由此帶動了ADI自身最先進MEMS開關制造設施的建構。
 
現(xiàn)在,ADI已經有能力提供業(yè)界所需「可量產」、「高可靠」、「高性能」、「小巧外型」的MEMS開關,藉以取代已經過時的繼電器技術。
 
ADI在MEMS方面擁有豐富的經歷。 ADI首款成功的開發(fā)、生產以及在全球商業(yè)化的MEMS加速度計產品是在1991年發(fā)表的ADXL50加速度計;ADI在2002年發(fā)表首款整合式MEMS陀螺儀-ADXRS150。 以此為起始,ADI建立了龐大的MEMS產品事業(yè)以及無與倫比的聲譽,能夠生產出可靠、高性能的MEMS產品。 ADI已經生產了超過十億個使用于汽車、工業(yè)與消費性應用裝置的慣性傳感器。 正是如此的血統(tǒng)帶來了經驗與信任,驅動MEMS開關技術的實現(xiàn)。
 
MEMS開關的基礎
 
ADI的MEMS開關技術的核心就是靜電致動,懸臂梁開關組件的概念。 在本質上,它可以被視為是微米級機械繼電器,具有可以透過靜電致動的金屬對金屬接點。
 
該開關被鏈接在三組終端的組態(tài)設定當中。 在功能性上,終端可以被視為是源極、閘極、以及汲極等。 圖一中所示為A狀況之開關的簡化圖形呈現(xiàn),顯示該開關處于關閉的位置。 當施以dc電壓至閘極時,在開關梁會生成靜電的下拉力量。
 
相同的靜電下拉力量可以在平行板電容器中看到,具有會彼此相互吸引的正電荷板與負電荷板。 當閘極電壓遞增到足夠高的值,它就會產生出足夠的吸引力(紅色箭頭)來克服開關梁的電阻彈簧力,而開關梁就會開始下移直到接點碰觸到汲極。 這個狀況顯示于圖一當中的B狀況。 如此就完成了源極與汲極之間的電路,而開關現(xiàn)在是開啟的狀態(tài)。 將開關梁往下拉所需的實際力量與懸臂梁的彈簧常數(shù)以及其對于移動的抵抗力有關。
 
請注意,即便是在開啟位置上,開關梁仍然會有將開關往上拉動的彈簧力(藍色箭頭),但是只要向下拉動的靜電力量比較大,那么開關就會維持在開啟的狀態(tài)。 最后,當閘極電壓被移除時(圖一中的C狀況),也就是在閘極電極上0 V,靜電吸引力也會跟著消失,而開關梁會以具有足夠回復力(藍色箭頭)的彈簧而動作,開啟源極與汲極之間的鏈接,然后回返至原本的關閉位置。
 
 
圖一 : MEMS開關致動程序,A與C代表開關關閉,B代表開啟
 
圖二中所示為利用MEMS技術制造開關的四個主要步驟。 該開關是以高電阻率的硅芯片(具有沈積在頂部的厚電介質層以提供與下方基板的優(yōu)越電氣隔離)所建構。 使用了標準的后端CMOS內部鏈接制程實現(xiàn)與MEMS開關的內部鏈接。 低電阻率金屬與多晶硅都被用來制作與MEMS開關的電氣鏈接,而且都被嵌入至電介質層當中。
 
以紅色標示的金屬導孔是用來提供與開關輸入、輸出的鏈接,以及提供閘極電極給芯片中任何位置的引線接合焊盤。 懸臂MEMS開關本身就是利用犧牲層予以表面微加工處理,藉以在懸臂梁之下建立空氣間隙。 懸臂開關梁結構與接合焊盤都是利用黃金制作的。 開關接點與閘極電極都是利用低電阻的薄金屬制成的,沈積在電介質表面上。
 
 
圖二 : MEMS開關制造的概觀
 
引線接合焊盤也是利用上述的步驟建構的。 黃金引線接合是用來將MEMS芯片鏈接至金屬引線框架,封裝至塑料四邊扁平無接腳(QFN)芯片當中,使其易于表面黏著于PCB上。 該芯片不會受到任何一種封裝技術類型的限制。 這是因為有高電阻率硅帽接合至MEMS芯片,在MEMS開關組件外圍形成了密封保護外殼。 以此方式將開關密閉包覆可以提高開關對于環(huán)境的耐受度以及周期壽命,無論所使用的外部封裝技術為何。
 
圖三中所示為四組在單刀四擲(SP4T)乘法器組態(tài)設定下的MEMS開關。 每組開關梁具有五組并聯(lián)的奧姆接點,用以在開關關閉時降低電阻與提高電力的處理。
 
 
圖三 : 顯示四組懸臂開關梁的特寫圖形(SP4T組態(tài)設定)
 
如同一開始所提到的,MEMS開關需要高dc驅動電壓以靜電方式致動開關。 為了要盡可能的讓零件易于使用而且更進一步的保證其性能,ADI已經設計了搭配的驅動器IC,用以生成高dc電壓并且與MEMS開關共同封裝在一個QFN當中。
 
此外,產生出來的高致動電壓會以受控的方式被施加于開關的閘極電極上。 它會在微秒時間尺度內遞增至高電壓。 遞增的方式有助于控制開關梁如何被吸引以及下拉,并且改善開關的致動性、可靠度、與周期壽命。
 
圖四中所示為QFN封裝當中處于原位的驅動器IC與MEMS芯片。 驅動器IC只需要低電壓、低電流供電,而且與標準CMOS邏輯驅動電壓兼容。 此共同包裝的驅動器讓開關非常的易于使用,而且其只有非常低的電力需求:在10 mW 至20 mW的區(qū)域內。
 
 
圖四 : 驅動IC(左側),MEMS開關芯片(右側)被黏著和線焊至金屬導線架
 
MEMS開關的可靠度
 
任何新技術的關鍵性原則就是其究竟有多可靠,這點ADI非常清楚。 新的MEMS技術生產制程就是實現(xiàn)機構堅固、高性能開關設計開發(fā)的基礎。 以此搭配密封的硅覆蓋制程,對于提供確實可靠的長效MEMS開關而言是相當關鍵的。
 
為了要成功的將MEMS開關帶向商業(yè)化,需要針對MEMS進行廣泛的可靠度測試,像是開關操作循環(huán)、壽命測試、以及機械震動測試等。 除了這個檢驗,以及為了盡可能保證最高的質量之外,零件都已經通過全范圍的標準IC可靠度測試加以驗證。
 
在RF儀器應用中,足夠長的開關致動壽命是最為重要的。 相較于機電繼電器,MEMS技術的開發(fā)已經為周期壽命帶來了數(shù)量級的改善。 在85 °C下的高溫作業(yè)壽命(HTOL I)測試以及早期失效(ELF)鑒定測試可以嚴格的保證零件的周期壽命。
 
持續(xù)開啟壽命(COL)性能是另一項MEMS開關技術的關鍵參數(shù)。 舉例來說,RF儀器開關的使用方式可以改變,而開關可以有更多時間停留在開啟狀態(tài)。 ADI已經體認到這項事實,并且針對MEMS開關技術致力于實現(xiàn)卓越的COL壽命性能,藉以減輕壽命風險。 從最初的50 °C 下7年COL壽命性能水平至今,ADI已經進一步的開發(fā)出能夠提供領先同級產品,具有85 °C下10年COL的技術。
 
MEMS開關技術已經經歷了一整套的機械耐用性認證測試。 表1當中列舉了總共5項測試,用以確保MEMS開關的機械耐久性。 由于MEMS開關組件的小巧尺寸與低慣性,因而很明顯的遠較機電繼電器耐用。
 
強大的性能優(yōu)勢
 
MEMS開關的關鍵性力量,就是它能夠在小巧的表面安裝外型上同時提供0 Hz/dc的精密度與寬帶RF性能以及卓越的可靠度vs. 繼電器。
 
任何開關技術的最重要質量因子之一,就是單一開關的導通電阻乘以關閉電容。 通常會將此稱作RonCoff系數(shù),并且以飛秒(femtoseconds)加以表示。 當RonCoff下降時,開關的插入損耗也會隨之減少,而關閉隔離就會獲得改善。 對于單一開關單元,ADI MEMS開關技術的RonCoff系數(shù)小于8,此將可以保證其做為技術選擇的地位,進而實現(xiàn)世界級的開關性能。
 
此基本的優(yōu)勢即可用來達成優(yōu)越的RF性能位準,再搭配上謹慎的設計。 圖五所示為針對原型QFN,單刀雙擲(SPDT)MEMS開關進行量測所得的插入損耗以及關閉隔離。 插入損耗在26.5 GHz下只有1 dB,而且在QFN封裝當中已經實現(xiàn)了超過32 GHz的帶寬。
 
 
圖五 : SPDT MEMS開關性能,采用QFN封裝
 
圖六所示為來自于原型插入損耗與關閉隔離的更廣大頻率掃描,在芯片單刀雙擲(SPST)開關的探測量測中。 在40 GHz下,1 dB的插入損耗與– 30 dB區(qū)域的關閉隔離就能夠達成。
 
 
圖六 : 在裸芯片探測的量測下,SPST MEMS開關性能
 
此外,MEMS開關的設計本身就能夠在以下的領域中提供非常高的性能:
 
**精密dc性能:小于2 Ω RON、0.5 nA的關閉漏泄、以及– 110 dBc的總諧波失真(THD + N)的精密性能位準已經獲得實現(xiàn),具有以波束與基板優(yōu)化為基礎而改善所有位準的潛力。
 
**線性度性能:高于69 dBm的三階截斷點(IP3)位準以27 dBm的輸入音調加以實現(xiàn)。 在整個作業(yè)頻率波段上還有增加超過75 dBm的潛力。
 
**致動壽命:保證最少10億次致動周期。 此已經遠超過目前市場上的機械繼電器~一般額定值低于一千萬次周期。
 
**電源處理(RF /dc):超過40 dBm的電源已經在整個作業(yè)頻率波段中經過測試,而且在較低或是較高的頻率中不會降級。 在dc信號方面,此開關技術可以通過200 mA以上的電流。
 
最后,具有小巧尺寸的解決方案通常是所有市場共通的關鍵需求。 MEMS于此再次的提供了引人注目的優(yōu)勢。 圖七所示為經過封裝的ADI SP4T(四組開關)MEMS開關設計與典型DPDT(四組開關)機電繼電器的等比例比較。
 
以體積來說,空間的節(jié)省相當明顯。 在此情況下MEMS開關只需要繼電器體積的5%。 此非常小巧的尺寸會顯著的帶動電路板空間的節(jié)省,特別是雙面電路板開發(fā)的實現(xiàn)。 對于汽車測試設備生產廠商而言,這點特別的有其價值,因為更高的信道密度是至為重要的。
 
 
圖七 : 使用導線架芯片封裝的ADI MEMS開關(四組開關)相較于典型的機電RF繼電器(四組開關)
 
結論
 
ADI所開發(fā)出來的MEMS開關技術在開關性能與尺寸的縮減上有了飛躍式的進步。 同級產品中最佳的性能:從0 Hz/dc 到Ka波段甚至以上、相較繼電器數(shù)量級的循環(huán)壽命改善、卓越的的線性度、非常低的電力需求、以及芯片等級封裝的供貨等,都使得ADI的MEMS開關技術為ADI的開關全產品系列帶來了革命性的新品項。




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