作者：Eric Carty and Padraig McDaid

需要突破性的技術來解決大問題。機電繼電器的起源可以追溯到電報的早期，沒有替代的開關技術可以滿足所有市場需求，特別是在測試和測量、通信、國防、醫療保健和消費市場中對更智能、更互聯的應用的需求。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、通道數量有限和封裝尺寸大，對系統設計人員的限制越來越大。

微機電系統（MEMS）開關可以提供超越繼電器所需的創新，并將行業推向一個新的水平。憑借內部最先進的MEMS開關制造設施，ADI公司現在正在提供批量生產的高性能、快速、機械耐用、低功耗、靜電放電（ESD）保護的小尺寸MEMS開關。

微機電系統開關技術

ADI MEMS開關技術的核心是靜電驅動、微加工、金懸臂梁開關元件的概念。MEMS開關可以被認為是微米級的機械繼電器，具有金屬對金屬觸點，通過高直流電壓驅動的靜電驅動。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構。該開關設計用于ADGM1304 SP4T MEMS開關和增強型ESD保護型ADGM1004 SP4T開關。

ADI公司設計了配套驅動器集成電路（IC），用于產生驅動開關所需的高直流電壓，從而保證快速、可靠的驅動和較長的循環壽命，并使器件易于使用。圖2顯示了采用超小型SMD QFN封裝的MEMS芯片和驅動器IC。共同封裝的驅動器功耗非常低，典型值為10 mW，比RF繼電器的典型驅動器要求低10×。

圖2.ADGM1004增強型ESD保護MEMS開關。

集成 ESD 保護

利用ADGM1304 MEMS開關產品，ADI開發了ADGM1004 MEMS開關，通過集成固態ESD保護技術來增強RF端口ESD性能。ADGM1004開關的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開關行業的首創。

集成式固態ESD保護是ADI專有的技術，可實現非常高的ESD保護，對MEMS開關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性能進行了優化。

圖3.ADGM1004驅動IC（左），MEMS開關芯片（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ADGM1004產品，ADI將三種專有光刻技術與組裝和MEMS封蓋技術相結合，以實現性能突破。

射頻和 0 Hz/DC 性能

MEMS開關的優勢在于，它將0 Hz/dc精度和寬帶RF性能結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開關的實測插入損耗和關斷隔離。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，三階交調截點（IP3）線性度在整個頻率范圍內為恒定的67 dBm（典型值），在極低頻率下沒有下降。

圖4.ADGM1004 MEMS開關射頻性能。線性刻度< 10 MHz。

ADGM1004 MEMS開關設計為0 Hz/DC精密應用提供極高性能。表 1 是這些重要規格的摘要。

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鍵要求。圖5顯示了封裝的ADGM1004 SP4T MEMS開關設計與典型DPDT機電繼電器的按比例比較，可節省高達95%的體積。

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

最后，為了幫助系統設計人員，ADGM1004開關在切換RF功率通過開關（熱開關）時的周期壽命進行了表征。圖6顯示了熱開關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數 （T50） 點約為 34 億個循環。ADGM1004數據手冊中提供了更高功率的測試結果。

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

結論

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

審核編輯：郭婷