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革命性MEMS開關技術
ADI技術大躍進
[作者 Eric Carty等人]   2017年05月15日 星期一 瀏覽人次: [3904]


在過去的30年間,MEMS開關被一致認為是性能有限的機電式繼電器的優越取代品。透過易於使用、能夠以損失最小的情況下,可靠的進行從0 Hz/dc至數百GHz路由的小型開關,因而徹底改變了電子系統實現的方法。


此性能上的優勢會對大量設備類型與應用範圍造成衝擊。透過MEMS開關技術,讓電子量測系統、國防系統應用以及健康照護設備得以在性能與外型上實現以往難以達成的水準。


建立龐大產品事業

現代的開關技術都具有其缺點,因而沒有一項技術可以成為理想的解決方案。繼電器的缺點包含了狹窄頻寬、有限的致動壽命、有限的通道數量以及大型的包裝尺寸。相較於繼電器,MEMS技術一直都具有提供世界級RF開關性能的潛力,以及在小巧外型中實現可靠度的數量級提昇。


許多嘗試開發MEMS開關技術的公司都是已經有可靠的產品量產時投入,卻因這個挑戰受到阻礙。首先跨入MEMS開關研究的公司之一就是Foxboro公司,在1984年就提交了世界第一個機電式MEMS開關專利。ADI從1990年開始就已經以早期學術項目跨入了MEMES開關技術的研究;在1998年時,ADI就已經開發出導向早期原型的MEMS開關設計;而在2011年時,ADI對於其MEMS開關計畫做了大幅的投資,由此帶動了ADI自身最先進MEMS開關製造設施的建構。


現在,ADI已經有能力提供業界所需「可量產」、「高可靠」、「高性能」、「小巧外型」的MEMS開關,藉以取代已經過時的繼電器技術。


ADI在MEMS方面擁有豐富的經歷。ADI首款成功的開發、生產以及在全球商業化的MEMS加速度計產品是在1991年發表的ADXL50加速度計;ADI在2002年發表首款整合式MEMS陀螺儀-ADXRS150。以此為起始,ADI建立了龐大的MEMS產品事業以及無與倫比的聲譽,能夠生產出可靠、高性能的MEMS產品。ADI已經生產了超過十億個使用於汽車、工業與消費性應用裝置的慣性感測器。正是如此的血統帶來了經驗與信任,驅動MEMS開關技術的實現。


MEMS開關的基礎

ADI的MEMS開關技術的核心就是靜電致動,懸臂樑開關元件的概念。在本質上,它可以被視為是微米級機械繼電器,具有可以透過靜電致動的金屬對金屬接點。


該開關被連結在三組終端的組態設定當中。在功能性上,終端可以被視為是源極、閘極、以及汲極等。圖一中所示為A狀況之開關的簡化圖形呈現,顯示該開關處於關閉的位置。當施以dc電壓至閘極時,在開關樑會生成靜電的下拉力量。


相同的靜電下拉力量可以在平行板電容器中看到,具有會彼此相互吸引的正電荷板與負電荷板。當閘極電壓遞增到足夠高的值,它就會產生出足夠的吸引力(紅色箭頭)來克服開關樑的電阻彈簧力,而開關樑就會開始下移直到接點碰觸到汲極。這個狀況顯示於圖一當中的B狀況。如此就完成了源極與汲極之間的電路,而開關現在是開啟的狀態。將開關樑往下拉所需的實際力量與懸臂樑的彈簧常數以及其對於移動的抵抗力有關。


請注意,即便是在開啟位置上,開關樑仍然會有將開關往上拉動的彈簧力(藍色箭頭),但是只要向下拉動的靜電力量比較大,那麼開關就會維持在開啟的狀態。最後,當閘極電壓被移除時(圖一中的C狀況),也就是在閘極電極上0 V,靜電吸引力也會跟著消失,而開關樑會以具有足夠回復力(藍色箭頭)的彈簧而動作,開啟源極與汲極之間的連結,然後回返至原本的關閉位置。



圖一 : MEMS開關致動程序,A與C代表開關關閉,B代表開啟。
圖一 : MEMS開關致動程序,A與C代表開關關閉,B代表開啟。

圖二中所示為利用MEMS技術製造開關的四個主要步驟。該開關是以高電阻率的矽晶片(具有沈積在頂部的厚電介質層以提供與下方基板的優越電氣隔離)所建構。使用了標準的後端CMOS內部連結製程實現與MEMS開關的內部連結。低電阻率金屬與多晶矽都被用來製作與MEMS開關的電氣連結,而且都被嵌入至電介質層當中。


以紅色標示的金屬導孔是用來提供與開關輸入、輸出的連結,以及提供閘極電極給晶片中任何位置的引線接合焊盤。懸臂MEMS開關本身就是利用犧牲層予以表面微加工處理,藉以在懸臂樑之下建立空氣間隙。懸臂開關樑結構與接合焊盤都是利用黃金製作的。開關接點與閘極電極都是利用低電阻的薄金屬製成的,沈積在電介質表面上。



圖二 : MEMS開關製造的概觀
圖二 : MEMS開關製造的概觀

引線接合焊盤也是利用上述的步驟建構的。黃金引線接合是用來將MEMS晶片連結至金屬引線框架,封裝至塑料四邊扁平無接腳(QFN)晶片當中,使其易於表面黏著於PCB上。該晶片不會受到任何一種封裝技術類型的限制。這是因為有高電阻率矽帽接合至MEMS晶片,在MEMS開關元件週邊形成了密封保護外殼。以此方式將開關密閉包覆可以提高開關對於環境的耐受度以及週期壽命,無論所使用的外部封裝技術為何。


圖三中所示為四組在單刀四擲(SP4T)乘法器組態設定下的MEMS開關。每組開關樑具有五組並聯的歐姆接點,用以在開關關閉時降低電阻與提高電力的處理。



圖三 : 顯示四組懸臂開關樑的特寫圖形(SP4T組態設定)。
圖三 : 顯示四組懸臂開關樑的特寫圖形(SP4T組態設定)。

如同一開始所提到的,MEMS開關需要高dc驅動電壓以靜電方式致動開關。為了要盡可能的讓零件易於使用而且更進一步的保證其性能,ADI已經設計了搭配的驅動器IC,用以生成高dc電壓並且與MEMS開關共同封裝在一個QFN當中。


此外,產生出來的高致動電壓會以受控的方式被施加於開關的閘極電極上。它會在微秒時間尺度內遞增至高電壓。遞增的方式有助於控制開關樑如何被吸引以及下拉,並且改善開關的致動性、可靠度、與週期壽命。


圖四中所示為QFN封裝當中處於原位的驅動器IC與MEMS晶片。驅動器IC只需要低電壓、低電流供電,而且與標準CMOS邏輯驅動電壓相容。此共同包裝的驅動器讓開關非常的易於使用,而且其只有非常低的電力需求:在10 mW 至20 mW的區域內。



圖四 : 驅動IC(左側),MEMS開關晶片(右側)被黏著和線焊至金屬導線架上。
圖四 : 驅動IC(左側),MEMS開關晶片(右側)被黏著和線焊至金屬導線架上。

MEMS開關的可靠度

任何新技術的關鍵性原則就是其究竟有多可靠,這點ADI非常清楚。新的MEMS技術生產製程就是實現機構堅固、高性能開關設計開發的基礎。以此搭配密封的矽覆蓋製程,對於提供確實可靠的長效MEMS開關而言是相當關鍵的。


為了要成功的將MEMS開關帶向商業化,需要針對MEMS進行廣泛的可靠度測試,像是開關操作循環、壽命測試、以及機械震動測試等。除了這個檢驗,以及為了盡可能保證最高的品質之外,零件都已經通過全範圍的標準IC可靠度測試加以驗證。


在RF儀器應用中,足夠長的開關致動壽命是最為重要的。相較於機電繼電器,MEMS技術的開發已經為週期壽命帶來了數量級的改善。在85 °C下的高溫作業壽命(HTOL I)測試以及早期失效(ELF)鑑定測試可以嚴格的保證零件的週期壽命。


持續開啟壽命(COL)性能是另一項MEMS開關技術的關鍵參數。舉例來說,RF儀器開關的使用方式可以改變,而開關可以有更多時間停留在開啟狀態。ADI已經體認到這項事實,並且針對MEMS開關技術致力於實現卓越的COL壽命性能,藉以減輕壽命風險。從最初的50 °C 下7年COL壽命性能水準至今,ADI已經進一步的開發出能夠提供領先同級產品,具有85 °C下10年COL的技術。


MEMS開關技術已經經歷了一整套的機械耐用性認證測試。表1當中列舉了總共5項測試,用以確保MEMS開關的機械耐久性。由於MEMS開關元件的小巧尺寸與低慣性,因而很明顯的遠較機電繼電器耐用。


強大的性能優勢

MEMS開關的關鍵性力量,就是它能夠在小巧的表面安裝外型上同時提供0 Hz/dc的精密度與寬頻RF性能以及卓越的可靠度vs. 繼電器。


任何開關技術的最重要品質因數之一,就是單一開關的導通電阻乘以關閉電容。通常會將此稱作RonCoff係數,並且以飛秒(femtoseconds)加以表示。當RonCoff下降時,開關的插入損耗也會隨之減少,而關閉隔離就會獲得改善。對於單一開關單元,ADI MEMS開關技術的RonCoff係數小於8,此將可以保證其做為技術選擇的地位,進而實現世界級的開關性能。


此基本的優勢即可用來達成優越的RF性能位準,再搭配上謹慎的設計。圖五所示為針對原型QFN,單刀雙擲(SPDT)MEMS開關進行量測所得的插入損耗以及關閉隔離。插入損耗在26.5 GHz下只有1 dB,而且在QFN封裝當中已經實現了超過32 GHz的頻寬。



圖五 : SPDT MEMS開關性能,採用QFN封裝。
圖五 : SPDT MEMS開關性能,採用QFN封裝。

圖六所示為來自於原型插入損耗與關閉隔離的更廣大頻率掃描,在晶片單刀雙擲(SPST)開關的探測量測中。在40 GHz下,1 dB的插入損耗與– 30 dB區域的關閉隔離就能夠達成。



圖六 : 在裸晶片探測的量測下,SPST MEMS開關性能。
圖六 : 在裸晶片探測的量測下,SPST MEMS開關性能。

此外,MEMS開關的設計本身就能夠在以下的領域中提供非常高的性能:


**精密dc性能:小於2 Ω RON、0.5 nA的關閉漏洩、以及– 110 dBc的總諧波失真(THD + N)的精密性能位準已經獲得實現,具有以波束與基板最佳化為基礎而改善所有位準的潛力。


**線性度性能:高於69 dBm的三階截斷點(IP3)位準以27 dBm的輸入音調加以實現。在整個作業頻率波段上還有增加超過75 dBm的潛力。


**致動壽命:保證最少10億次致動週期。此已經遠超過目前市場上的機械繼電器~一般額定值低於一千萬次週期。


**電源處理(RF /dc):超過40 dBm的電源已經在整個作業頻率波段中經過測試,而且在較低或是較高的頻率中不會降級。在dc信號方面,此開關技術可以通過200 mA以上的電流。


最後,具有小巧尺寸的解決方案通常是所有市場共通的關鍵需求。MEMS於此再次的提供了引人注目的優勢。圖七所示為經過封裝的ADI SP4T(四組開關)MEMS開關設計與典型DPDT(四組開關)機電繼電器的等比例比較。


以體積來說,空間的節省相當明顯。在此情況下MEMS開關只需要繼電器體積的5%。此非常小巧的尺寸會顯著的帶動電路板空間的節省,特別是雙面電路板開發的實現。對於汽車測試設備生產廠商而言,這點特別的有其價值,因為更高的通道密度是至為重要的。



圖七 : 使用導線架晶片封裝的ADI MEMS開關(四組開關)相較於典型的機電RF繼電器(四組開關)。
圖七 : 使用導線架晶片封裝的ADI MEMS開關(四組開關)相較於典型的機電RF繼電器(四組開關)。

結論

ADI所開發出來的MEMS開關技術在開關性能與尺寸的縮減上有了飛躍式的進步。同級產品中最佳的性能:從0 Hz/dc 到Ka波段甚至以上、相較繼電器數量級的循環壽命改善、卓越的的線性度、非常低的電力需求、以及晶片等級封裝的供貨等,都使得ADI的MEMS開關技術為ADI的開關全產品系列帶來了革命性的新品項。


(本文作者Eric Carty任職於ADI擔任資深工程師、Padraig Fitzgerald任職於ADI擔任資深設計師、Padraig McDaid任職於ADI開關與多工器行銷部門)


**刊頭圖(Source:ADI)


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