ADI MEMS开关技术详解

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上

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。