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機電繼電器的終結者!深扒MEMS開關技術

發(fā)布時間:2018-12-07 責任編輯:wenwei

【導讀】傳統(tǒng)機電繼電器 (Electromechanical Relay, EMR) 從發(fā)明至今已有上百年歷史,一直被廣泛使用, 直至微機電系統(tǒng)(MEMS)開關技術在近幾十年之快速發(fā)展,憑借其易于使用、尺寸小、可以極小的損耗可靠地傳送0Hz/dc至數(shù)百GHz信號等特性,MEMS開關在射頻測試儀器、儀表和射頻開關應用上,成為出色的可替代器件,并改變著電子系統(tǒng)的實現(xiàn)方式。
 
不少公司試圖開發(fā)MEMS開關技術,不過都同樣面臨著大規(guī)模生產(chǎn)并大批量提供可靠產(chǎn)品的挑戰(zhàn) 。其中ADI公司積極投入MEMS開關項目,并建設了自有先進的MEMS開關制造設施,以滿足業(yè)界對于量產(chǎn)的需求。
 
基本原理
 
ADI MEMS開關技術的關鍵是靜電驅(qū)動的微加工懸臂梁開關組件概念。本質(zhì)上可以將它視作微米尺度的機械開關,其金屬對金屬觸點通過靜電驅(qū)動。
 
開關采用三端子配置進行連接。功能上可以將這些端子視為源極、柵極和漏極。下圖是開關的簡化示意圖,情況A表示開關處于斷開位置。
 
機電繼電器的終結者!深扒MEMS開關技術
 
將一個直流電壓施加于柵極時,開關梁上就會產(chǎn)生一個靜電下拉力。這種靜電力與平行板電容的正負帶電板之間的吸引力是相同的。當柵極電壓斜升至足夠高的值時,它會產(chǎn)生足夠大的吸引力(紅色箭頭)來克服開關梁的彈簧阻力,開關梁開始向下移動,直至觸點接觸漏極。過程如下圖情況B所示。
 
機電繼電器的終結者!深扒MEMS開關技術
 
這時,源極和漏極之間的電路閉合,開關接通。拉下開關梁所需的實際力大小與懸臂梁的彈簧常數(shù)及其對運動的阻力有關。注意:即使在接通位置,開關梁仍有上拉開關的彈簧力(藍色箭頭),但只要下拉靜電力(紅色箭頭)更大,開關就會保持接通狀態(tài)。
 
最后,當移除柵極電壓時(下圖情況C),即柵極電極上為0V時,靜電吸引力消失,開關梁作為彈簧具有足夠大的恢復力(藍色箭頭)來斷開源極和漏極之間的連接,然后回到原始關斷位置。
 
機電繼電器的終結者!深扒MEMS開關技術
 
下圖1為采用單刀四擲 (ST4T) 多路復用器配置的四個MEMS開關的放大圖。每個開關梁有五個并聯(lián)阻性觸點,用以降低開關閉合時的電阻并提高功率處理能力。
 
機電繼電器的終結者!深扒MEMS開關技術
圖1 ,四個MEMS懸臂式開關梁(SP4T配置)
 
MEMS開關需要高直流驅(qū)動電壓來以靜電力驅(qū)動開關。為使器件盡可能容易使用并進一步保障性能,ADI公司設計了配套驅(qū)動器集成電路(IC)來產(chǎn)生高直流電壓,其與MEMS開關共同封裝于QFN規(guī)格尺寸中。此外,所產(chǎn)生的高驅(qū)動電壓以受控方式施加于開關的柵極電極。它以微秒級時間斜升至高電壓。斜升有助于控制開關梁的吸引和下拉,改善開關的動作性能、可靠性和使用壽命。下圖2顯示了一個QFN封裝中的驅(qū)動器IC和MEMS芯片實例。驅(qū)動器IC僅需要一個低電壓、低電流電源,可與標準CMOS邏輯驅(qū)動電壓兼容。這種一同封裝的驅(qū)動器使得開關非常容易使用,并且其功耗要求非常低,大約在10mW到20mW范圍內(nèi)。
 
機電繼電器的終結者!深扒MEMS開關技術
圖2,驅(qū)動器IC(左)和MEMS開關芯片(右)安裝并線焊在金屬引線框架上
 
性能優(yōu)勢
 
以ADGM1004/ADGM1304 SP4T 系列為例,其各項參數(shù)與傳統(tǒng)機電繼電器比較 (圖3)  有著不少明顯優(yōu)勢。
 
機電繼電器的終結者!深扒MEMS開關技術
圖3, ADGM1004/ ADGM1304 MEMS與傳統(tǒng)機電繼電器比較
 
ADGM1004/ADGM1304 SP4T 同時含整合式驅(qū)動器,適用于繼電器替代品、RF 測試儀器,以及 RF 切換。產(chǎn)品規(guī)格詳情及相關評估板EVAL-ADGM1004EBZ可瀏覽Digi-Key 產(chǎn)品專頁。
 
應用示例
 
過去,要在ATE測試設備中實現(xiàn)dc/RF開關功能,必須使用EMR開關。但是,由于存在以下問題,使用繼電器可能會限制系統(tǒng)性能:
 
繼電器開關的尺寸較大,必須遵守“禁區(qū)”設計規(guī)則,這意味著它要占用很大面積,缺乏測試可擴展性。
 
繼電器開關的使用壽命有限,僅為數(shù)百萬個周期。
 
必須級聯(lián)多個繼電器,才能實現(xiàn)需要的開關配置(例如,SP4T配置需要三個SPDT繼電器)。
 
使用繼電器時,可能遇到PCB組裝問題,通常導致很高的PCB返工率。
 
由于布線限制和繼電器性能限制,實現(xiàn)全帶寬性能可能非常困難。
 
繼電器驅(qū)動速度緩慢,為毫秒級的時間量級,從而限制了測試速度。
 
以典型的dc/RF開關扇出16:1多路復用功能為例 (圖4),需要九個DPDT EMR繼電器和一個繼電器驅(qū)動器IC,來實現(xiàn)18:1多路復用功能(八個DPDT繼電器只能產(chǎn)生14:1多路復用功能)。圖5中,顯示了相同的扇出開關功能,僅使用五個ADGM1304或ADGM1004SP4T MEMS開關,因而得以簡化。
 
機電繼電器的終結者!深扒MEMS開關技術
 
圖6中顯示了實現(xiàn)這兩個原理圖的視覺演示PCB的照片。左側顯示了物理繼電器解決方案,說明了繼電器解決方案占用了多大的面積、保持布線連接之間的對稱如何困難,以及對驅(qū)動器IC的需求。從右側則可看出,占用PCB面積減小,開關功能的布線復雜性降低。按面積計算,MEMS開關使占用面積減少68%以上,按體積計算,則可能減少95%以上。
 
ADGM1304 和ADGM1004 MEMS開關內(nèi)置低電壓、可獨立控制的開關驅(qū)動器;因此,它們不需要外部驅(qū)動器IC。由于MEMS開關封裝的高度較小(ADGM1304的封裝高度為0.95mm,ADGM1004的封裝高度為1.45mm),因此開關可以安裝PCB的反面。較小的封裝高度增大了可實現(xiàn)的信道密度。
 
機電繼電器的終結者!深扒MEMS開關技術
圖6. DC/RF扇出測試板的視覺比較:實現(xiàn)16:1多路復用功能,使用九個EMR開關(左黃)和五個MEMS開關(右紅)
 
本文小結
 
最后,小尺寸解決方案通常對于任何市場都是一項關鍵要求。MEMS在這方面具有令人信服的優(yōu)勢。下圖7以實物照片比較了封裝后的ADI SP4T(四開關)MEMS開關設計和典型DPDT(四開關)機電繼電器的尺寸。MEMS開關節(jié)省了大量空間,其體積僅相當于繼電器的5%。這種超小尺寸顯著節(jié)省了PCB板面積,增加PCB板的雙面開發(fā)之可能。這一優(yōu)勢對于迫切需要提高信道密度的自動測試設備制造商特別有價值。
 
機電繼電器的終結者!深扒MEMS開關技術
圖7,ADI引線框芯片級封裝MEMS開關(四開關)與典型機電式RF繼電器(四開關)的尺寸比較
 
 
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