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机电继电器的终结者!深扒MEMS开关技术

2018-10-17
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传统机电继电器 (Electromechanical Relay, EMR) 从发明至今已有上百年历史,一直被广泛使用, 直至微机电系统(MEMS)开关技术在近几十年之快速发展,凭借其易于使用、尺寸小、可以极小的损耗可靠地传送0Hz/dc至数百GHz信号等特性,MEMS开关在射频测试仪器、仪表和射频开关应用上,成为出色的可替代器件,并改变着电子系统的实现方式。

 

不少公司试图开发MEMS开关技术,不过都同样面临着大规模生产并大批量提供可靠产品的挑战 。其中ADI公司积极投入MEMS开关项目,并建设了自有先进的MEMS开关制造设施,以满足业界对于量产的需求

基本原理


ADI MEMS开关技术的关键是静电驱动的微加工悬臂梁开关组件概念。本质上可以将它视作微米尺度的机械开关,其金属对金属触点通过静电驱动。

 

开关采用三端子配置进行连接。功能上可以将这些端子视为源极、栅极和漏极。下图是开关的简化示意图,情况A表示开关处于断开位置。

 


将一个直流电压施加于栅极时,开关梁上就会产生一个静电下拉力。这种静电力与平行板电容的正负带电板之间的吸引力是相同的。当栅极电压斜升至足够高的值时,它会产生足够大的吸引力(红色箭头)来克服开关梁的弹簧阻力,开关梁开始向下移动,直至触点接触漏极。过程如下图情况B所示。

 

这时,源极和漏极之间的电路闭合,开关接通。拉下开关梁所需的实际力大小与悬臂梁的弹簧常数及其对运动的阻力有关。注意:即使在接通位置,开关梁仍有上拉开关的弹簧力(蓝色箭头),但只要下拉静电力(红色箭头)更大,开关就会保持接通状态。

 

最后,当移除栅极电压时(下图情况C),即栅极电极上为0V时,静电吸引力消失,开关梁作为弹簧具有足够大的恢复力(蓝色箭头)来断开源极和漏极之间的连接,然后回到原始关断位置。


下图1为采用单刀四掷 (ST4T) 多路复用器配置的四个MEMS开关的放大图。每个开关梁有五个并联阻性触点,用以降低开关闭合时的电阻并提高功率处理能力。

 

图1 ,四个MEMS悬臂式开关梁(SP4T配置)

 

MEMS开关需要高直流驱动电压来以静电力驱动开关。为使器件尽可能容易使用并进一步保障性能,ADI公司设计了配套驱动器集成电路(IC)来产生高直流电压,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。下图2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10mW到20mW范围内。


图2,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

性能优势

ADGM1004/ADGM1304 SP4T 系列为例,其各项参数与传统机电继电器比较 (图3)  有着不少明显优势。

 

图3, ADGM1004/ ADGM1304 MEMS与传统机电继电器比较

ADGM1004/ADGM1304 SP4T 同時含整合式驱动器,适用于继电器替代品、RF 测试仪器,以及 RF 切换。产品规格详情及相关评估板EVAL-ADGM1004EBZ可浏览Digi-Key 产品专页


应用示例

过去,要在ATE测试设备中实现dc/RF开关功能,必须使用EMR开关。但是,由于存在以下问题,使用继电器可能会限制系统性能:

 

  • 继电器开关的尺寸较大,必须遵守“禁区”设计规则,这意味着它要占用很大面积,缺乏测试可扩展性。

  • 继电器开关的使用寿命有限,仅为数百万个周期。

  • 必须级联多个继电器,才能实现需要的开关配置(例如,SP4T配置需要三个SPDT继电器)。

  • 使用继电器时,可能遇到PCB组装问题,通常导致很高的PCB返工率。

  • 由于布线限制和继电器性能限制,实现全带宽性能可能非常困难。

  • 继电器驱动速度缓慢,为毫秒级的时间量级,从而限制了测试速度。

 

以典型的dc/RF开关扇出16:1多路复用功能为例 (图4),需要九个DPDT EMR继电器和一个继电器驱动器IC,来实现18:1多路复用功能(八个DPDT继电器只能产生14:1多路复用功能)。图5中,显示了相同的扇出开关功能,仅使用五个ADGM1304或ADGM1004SP4T MEMS开关,因而得以简化。


6中显示了实现这两个原理图的视觉演示PCB的照片。左侧显示了物理继电器解决方案,说明了继电器解决方案占用了多大的面积、保持布线连接之间的对称如何困难,以及对驱动器IC的需求。从右侧则可看出,占用PCB面积减小,开关功能的布线复杂性降低。按面积计算,MEMS开关使占用面积减少68%以上,按体积计算,则可能减少95%以上。


ADGM1304 ADGM1004 MEMS开关内置低电压、可独立控制的开关驱动器;因此,它们不需要外部驱动器IC。由于MEMS开关封装的高度较小(ADGM1304的封装高度为0.95mm,ADGM1004的封装高度为1.45mm),因此开关可以安装PCB的反面。较小的封装高度增大了可实现的信道密度。

图6. DC/RF扇出测试板的视觉比较:实现16:1多路复用功能,使用九个EMR开关(左黄)和五个MEMS开关(右红)


本文小结

最后,小尺寸解决方案通常对于任何市场都是一项关键要求。MEMS在这方面具有令人信服的优势。下图7以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%。这种超小尺寸显着节省了PCB板面积,增加PCB板的双面开发之可能。这一优势对于迫切需要提高信道密度的自动测试设备制造商特别有价值。

 

图7,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


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