作者：Eric Carty, Padraig Fitzgerald, and Padraig McDaid

本文介紹ADI公司在微機電系統（MEMS）開關技術方面的突破。與傳統的機電繼電器相比，ADI公司的MEMS開關技術在RF和DC開關性能、可靠性和小型化方面實現了巨大的飛躍。

介紹

在過去的30年中，MEMS開關一直被吹捧為性能有限的機電繼電器的卓越替代品，因此通過提供易于使用的小型開關，能夠以最小的損耗可靠地將0 Hz/dc路由到100s的GHz信號，徹底改變了電子系統的實現方式。這種性能優勢影響著各種設備類型和應用。電氣測試和測量系統、國防系統應用和醫療設備只是達到以前無法達到的性能和外形水平的一些領域，所有這些都可以通過MEMS開關技術實現。

圖1.ADI MEMS開關技術。

當代開關技術都有缺點，沒有一種技術是理想的解決方案。繼電器的缺點包括帶寬窄、致動壽命有限、通道數量有限和封裝尺寸大。與繼電器相比，MEMS技術一直具有提供世界級RF開關性能的潛力，并在小尺寸內將可靠性提高幾個數量級。

阻礙許多試圖開發MEMS開關技術的公司面臨的挑戰是提供大批量生產的可靠產品。最早參與MEMS開關研究的公司之一是Foxboro公司，該公司于1984年申請了世界上第一批機電開關專利之一。ADI自1990年以來一直參與MEMS開關技術研究，早期的學術項目。到1998年，ADI公司成功開發出MEMS開關設計，并推出了早期原型。2011年，ADI大幅增加了MEMS開關項目投資。這推動了他們自己最先進的MEMS開關制造工廠的建設?，F在，ADI能夠提供始終需要的東西;量產、可靠、高性能、小尺寸MEMS開關，取代老化的繼電器技術。

ADI在MEMS方面有著悠久的歷史。世界上第一個成功開發、制造和商業化的MEMS加速度計產品是ADI公司的ADXL50加速度計，該器件于1991年發布。ADI于2002年發布了首款集成MEMS陀螺儀ADXRS150。從那時起，ADI已經建立了龐大的MEMS產品業務，并在制造可靠、高性能MEMS產品方面享有無與倫比的聲譽。ADI已為汽車、工業和消費類應用出貨超過10億個慣性傳感器。正是這種血統帶來了推動MEMS開關技術實現的經驗和信念。

MEMS 開關基礎知識

ADI MEMS開關技術的核心是靜電驅動的微加工懸臂梁開關元件的概念。從本質上講，它可以被認為是微米級的機械繼電器，具有通過靜電驅動的金屬對金屬觸點。

交換機以三端子配置連接。從功能上講，端子可以被認為是源極、柵極和漏極。圖 2 顯示了開關的簡化圖形表示，案例 A 顯示開關處于關閉位置。當直流電壓施加到柵極時，開關梁上會產生靜電下拉力。這與平行板電容器中的靜電力相同，具有相互吸引的帶正電和負電荷的板。當柵極電壓斜坡上升到足夠高的值時，它會產生足夠的吸引力（紅色箭頭）以克服開關梁的電阻彈簧力，并且光束開始向下移動，直到觸點接觸漏極。如圖 2 中的案例 B 所示。這樣就完成了源極和漏極之間的電路，現在開關導通。將開關梁向下拉動所需的實際力與懸臂梁的彈簧常數及其運動阻力有關。請注意，即使在打開位置，開關光束仍然具有將開關向上拉動的彈簧力（藍色箭頭），但只要向下拉動的靜電力（紅色箭頭）較大，開關就會保持打開狀態。最后，當柵極電壓被移除（圖2中的情況C），即柵極上的0 V時，靜電吸引力消失，開關束充當具有足夠恢復力的彈簧（藍色箭頭）打開源極和漏極之間的連接，然后返回到原來的關閉位置。

圖2.MEMS開關致動過程中，A和C顯示開關關閉，B顯示開關打開。

圖3顯示了使用MEMS技術制造開關的四個主要步驟。該開關構建在高電阻率硅晶圓 （1） 上，該晶圓頂部沉積有厚介電層，以提供與下方基板的出色電氣隔離。采用標準后端CMOS互連工藝實現與MEMS開關的互連。低電阻率金屬和多晶硅用于與MEMS開關建立電氣連接，并嵌入到介電層（2）中。標記為紅色 （2） 的金屬過孔用于提供與開關輸入、輸出和柵極電極的連接，以連接到芯片上其他位置的引線鍵合焊盤。懸臂式MEMS開關本身使用犧牲層進行表面微加工，以在懸臂梁下產生氣隙。懸臂開關梁結構和粘結墊（3）使用金形成。開關觸點和柵極電極使用沉積在電介質表面上的低電阻薄金屬形成。

圖3.MEMS 開關制造概述。

引線鍵合焊盤也是使用上述步驟構建的。金線鍵合用于將MEMS芯片連接到金屬引線框架，封裝在塑料四扁平無鉛（QFN）封裝中，以便于PCB上的表面安裝。該芯片不限于任何一種類型的封裝技術。這是因為高電阻率硅帽（4）粘合在MEMS芯片上，在MEMS開關器件周圍形成密封保護外殼。無論使用何種外部封裝技術，以這種方式密封開關都可以提高開關的環境魯棒性和循環壽命。

圖4顯示了單刀四擲（ST4T）多路復用器配置中四個MEMS開關的放大圖。每個開關光束具有五個并聯的歐姆觸點，以降低電阻并在開關閉合時增加功率處理能力。

圖4.特寫圖顯示了四個MEMS懸臂開關光束（SP4T配置）。

如開頭所述，MEMS開關需要高直流驅動電壓來靜電驅動開關。為了使該器件盡可能易于使用并進一步保證性能，ADI公司設計了一個配套驅動器集成電路（IC）來產生高直流電壓，并與MEMS開關共同封裝在QFN外形尺寸中。此外，產生的高致動電壓以受控方式施加到開關的柵極上。它在微秒級時間內斜坡上升到高電壓。斜坡有助于控制開關光束的吸引和拉下方式，并提高開關的驅動、可靠性和循環壽命。圖5顯示了QFN封裝中的驅動器IC和MEMS原位芯片。驅動器IC只需要一個低電壓、低電流電源，并且與標準CMOS邏輯驅動電壓兼容。這種共同封裝的驅動器使開關非常易于使用，并且具有非常低的功耗要求，范圍為10 mW至20 mW。

圖5.驅動IC（左），MEMS開關芯片（右）安裝在金屬引線框架上并引線鍵合。

可靠性

任何新技術的一個關鍵原則是其可靠性，這是ADI敏銳地意識到這一點。新的MEMS技術制造工藝是開發機械堅固、高性能開關設計的基礎。這與密封的硅封蓋工藝相結合，對于提供真正可靠的長壽命MEMS開關至關重要。為了成功將MEMS開關商業化，需要針對MEMS進行廣泛的可靠性測試，例如開關循環、壽命測試和機械沖擊測試。除了此認證之外，為了保證最高水平的質量，該器件已通過一系列標準IC可靠性測試進行了認證。

較長的開關致動壽命在射頻儀器應用中至關重要。與機電繼電器相比，MEMS技術的開發使循環壽命提高了一個數量級。85°C高溫工作壽命（HTOL I）測試和早期壽命失效（ELF）鑒定測試嚴格保證了零件的循環壽命。

連續開啟壽命（COL）性能是MEMS開關技術的另一個關鍵參數。例如，射頻儀表開關的用法可以變化，開關可以長時間處于開啟狀態。ADI已經認識到這一事實，并專注于為MEMS開關技術實現出色的COL壽命性能，以降低壽命風險。從50°C下7年的初始COL性能水平（平均故障前時間），ADI進一步開發了該技術，在85°C下提供一流的10年COL。

MEMS開關技術經過了一套全面的機械魯棒性鑒定測試。表1列出了確保MEMS開關機械耐久性的五項測試。由于MEMS開關元件體積小，慣性低，因此比機電繼電器更堅固。

引人注目的性能優勢

MEMS開關的關鍵優勢在于，它以微小的表面貼裝外形尺寸將0 Hz/dc精度和寬帶RF性能與繼電器相比具有更高的可靠性。

對于任何開關技術來說，最重要的品質因數之一是導通電阻乘以單個開關的關斷電容。這通常被稱為RonCoff乘積，以飛秒為單位表示。隨著RonCoff的減少，開關的插入損耗也隨之降低，關斷隔離度得到改善。

用于單個開關單元單元的ADI MEMS開關技術RonCoff產品為<8，保證了其作為實現世界級開關性能的首選技術的地位。

這一基本優勢是利用的，加上精心的設計，達到了卓越的射頻性能水平。圖 6 顯示了原型 QFN 單刀雙擲 （SPDT） MEMS 開關的插入損耗和關斷隔離。在 26.5 GHz 時插入損耗僅為 1 dB，而采用 QFN 封裝時可實現超過 32 GHz 的帶寬。

圖6.單刀雙擲MEMS開關性能，QFN封裝。

圖7顯示了在芯片單刀雙擲（SPST）MEMS開關探測測量中，插入損耗和關斷隔離的更寬頻率掃描。在40 GHz時，在–30 dB范圍內實現了1 dB的插入損耗和關斷隔離。

圖7.單刀單刀單擲MEMS開關性能，片上探測測量。

此外，MEMS開關設計在以下方面具有非常高的性能。

精密直流性能：精度性能水平為 <2 Ω R上、0.5 nA 關斷漏電流和 –110 dBc 總諧波失真 （THD + N），有可能根據波束和基板優化改善所有水平。

線性度性能：輸入音為27 dBm時，實現了超過69 dBm的三階交調截調截點（IP3）電平。在整個工作頻段內，有可能增加到75 dBm以上。

致動壽命：保證至少 10 億次致動循環。這遠遠超過了當今市場上的任何機械繼電器，其額定循環次數通常低于 1000 萬次循環。

功率處理 （RF/dc）：超過 40 dBm 的功率已在整個工作頻段內進行了測試，并且在較低或較高頻率下不會降低。在直流信號方面，開關技術可以通過超過200 mA的電流。

最后，擁有小尺寸解決方案通常是所有市場的關鍵要求。MEMS在這方面再次提供了令人信服的優勢。圖8顯示了封裝的ADI SP4T（四開關）MEMS開關設計與典型DPDT（四開關）機電繼電器的按比例比較。在體積方面，節省空間是巨大的。在這里，MEMS開關僅占繼電器體積的5%。這種非常小的尺寸顯著節省了電路板面積，特別是支持雙面板開發。這一優勢對于自動測試設備制造商來說尤其有價值，因為提高通道密度至關重要。

圖8.采用引線框架芯片級封裝的ADI MEMS開關（四個開關）與典型的機電RF繼電器（四個開關）的比較。

結論

ADI開發的MEMS開關技術在開關性能和尺寸減小方面實現了飛躍。ADI公司的MEMS開關技術具有從0 Hz/dc到Ka波段及更高頻段的一流性能、與繼電器相比數量級的周期壽命改進、出色的線性度、極低的功耗要求以及芯片級封裝的可用性，使ADI公司的MEMS開關技術成為ADI公司整體開關產品的革命性新成員。

審核編輯：郭婷