彻底颠覆机电继电器，MEMS开关告诉你怎样实现这一切？

生高直流电压，其与MEMS开关共同封装于QFN规格尺寸中。此外，所产生的高驱动电压以受控方式施加于开关的栅极电极。它以微秒级时间斜升至高电压。斜升有助于控制开关梁的吸引和下拉，改善开关的动作性能、可靠性和使用寿命。

图5显示了一个QFN封装中的驱动器IC和MEMS芯片实例。驱动器IC仅需要一个低电压、低电流电源，可与标准CMOS逻辑驱动电压兼容。这种一同封装的驱动器使得开关非常容易使用，并且其功耗要求非常低，大约在10 mW到20 mW范围内。

图5. 驱动器IC（左）和MEMS开关芯片（右）安装并线焊在金属引线框架上

可靠性

可靠性如何是所有新技术的主要"教义"之一，ADI对此极为关注。新型MEMS技术制造工艺是支持开发机械鲁棒、高性能开关设计的基础。它与气密性硅帽工艺相结合，是实现真正可靠的长寿命MEMS开关的关键。为将MEMS开关成功商业化，需要进行大量针对MEMS开关的特定可靠性测试，例如开关循环、寿命测试、机械冲击测试等。除了这种认证之外，为保证达到尽可能高的质量水准，还利用全部标准IC可靠性测试对器件进行了质量认证。表1是已进行的环境和机械测试总结。

表1. MEMS开关技术认证测试

在RF仪器仪表应用中，开关动作寿命长至关重要。相比于机电继电器，MEMS技术的循环寿命高出一个数量级。85°C时的高温工作寿命(HTOL I)测试和早期寿命故障(ELF)认证测试，严格保证了器件的循环寿命。

持续导通寿命(COL)性能是MEMS开关技术的另一个重要参数。例如，RF仪器仪表开关使用情况各异，某个开关可能长期保持接通状态。ADI已知晓这种情况，并竭力让MEMS开关技术实现出色的COL性能以降低寿命风险。通过深入开发，COL性能已从最初的50°C下7年（平均失效前时间）提升到业界领先的85°C下10年。

MEMS开关技术经历了全面的机械鲁棒性认证测试。表1中共有5项测试用于确保MEMS开关的机械耐久性。MEMS开关元件的尺寸和惯性更小，因此它的可靠性能比机电继电器有显著提高。

无与伦比的性能优势

MEMS开关的关键优势是它在一个非常小的表贴封装中实现了0 Hz/dc精密性能、宽带RF性能以及比继电器优越得多的可靠性。

任何开关技术最重要的品质因数之一是单个开关的导通电阻与关断电容的乘积。它通常被称为RonCoff乘积，单位为飞秒(fs)。当RonCoff降低时，开关的插入损耗也会降低，关断隔离性能随之提高。

采用ADI MEMS开关技术的单个开关单元的RonCoff乘积小于8，这保证了该技术是实现世界一流开关性能的不二选择。

利用这一根本优势和精心设计，便可达到优异的RF性能水平。图6显示了一款QFN封装、单刀双掷(SPDT) MEMS原型开关的实测插入损耗和关断隔离性能。26.5 GHz时的插入损耗仅为1 dB，QFN封装实现了32 GHz以上的带宽。

图6. SPDT MEMS开关性能，QFN封装

图7显示了在一款单刀双掷(SPST) MEMS原型开关管芯上利用探针测量测得的插入损耗和关断隔离性能的宽频扫描结果。40 GHz时的插入损耗为1 dB，关断隔离约为-30 dB。

图7. SPST MEMS开关性能，片上探针测量

此外，MEMS开关设计固有的超高性能表现在如下方面：

• 精密直流性能：已实现<2 ? R ON、0.5 nA关断漏电流、-110 dBc总谐波失真(THD + N)的精密性能，并且有能力通过梁和衬底优化全面提高性能水平。

• 线性度性能：输入信号音为27 dBm时，三阶交调截点(IP3)超过69 dBm。在全部工作频段上有提高到75 dBm以上的潜力。

• 动作寿命：保证至少10亿次动作循环。这远远超过了当今市场上的任何机械继电器，后者的额定循环次数通常少于1000万次。

• 功率处理(RF/dc)：已在全部工作频段上测试了40 dBm以上的功率，在较低或较高频率时性能不下降。对于直流信号，该开关技术允许200 mA以上的电流通过。

最后，无论什么市场，小尺寸解决方案通常都是一项关键要求。MEMS在这方面同样具有令人信服的优势。图8利用实物照片比较了封装后的ADI SP4T（四开关）MEMS开关设计和典型DPDT（四开关）机电继电器的尺寸。MEMS开关节省了大量空间，其体积仅相当于继电器的5%。这种超小尺寸显著节省了PCB板面积，尤其是它使得PCB板的双面开发利用成为可能。这一优势对于迫切需要提高通道密度的自动测试设备制造商特别有价值。

图8. ADI引线框芯片级封装MEMS开关（四开关）与典型机电式RF继电器（四开关）的尺寸比较

ADI开发的MEMS开关技术使开关性能和尺寸缩减实现了大跨越。同类最佳的0 Hz/dc至Ka波段及以上的性能、比继电器高出若干数量级的循环寿命、出色的线性度、超低功耗要求以及芯片级封装，使该MEMS开关技术成为ADI开关产品的革命性新突破。