Innovadora tecnología de interruptor MEMS ESD de 5 kV
Se necesita tecnología innovadora para resolver grandes problemas. Los orígenes de los relés electromecánicos se remontan a los primeros días del telégrafo eléctrico, sin tecnología de conmutación de reemplazo disponible para satisfacer todas las necesidades del mercado, en particular, la necesidad de aplicaciones más inteligentes y conectadas en pruebas y medidas, comunicaciones, defensa, atención médica y Mercados de consumo. Como ejemplo de las crecientes necesidades del mercado, los usuarios finales de prueba y medición exigen soluciones de prueba multiestándar en el factor de forma más pequeño posible, con la necesidad de maximizar el paralelismo en las pruebas mientras se extiende de 0 Hz/CC a 100 s de GHz en el rango de frecuencia. Los relés electromecánicos son cada vez más limitantes para los diseñadores de sistemas debido a sus anchos de banda estrechos, vidas útiles limitadas, número limitado de canales y paquetes de gran tamaño.
Los interruptores del sistema microelectromecánico (MEMS) pueden ofrecer la innovación necesaria para superar a los relés e impulsar la industria al siguiente nivel. Con una instalación interna de fabricación de conmutadores MEMS de última generación, Analog Devices ahora ofrece conmutadores MEMS de formato pequeño, de alto rendimiento, rápidos, mecánicamente duraderos, de bajo consumo, protegidos contra descargas electrostáticas (ESD).
Tecnología de conmutación MEMS
El elemento central de la tecnología de interruptores ADI MEMS es el concepto de un elemento de conmutación de haz en voladizo de oro micromecanizado y accionado electrostáticamente. El interruptor MEMS se puede considerar como un relé mecánico de escala micrométrica con contactos de metal a metal que se activan a través de electrostática impulsada por un alto voltaje de CC. La Figura 1 muestra un gráfico de primer plano de un solo voladizo de conmutador MEMS. Claramente visibles son los cinco contactos que están en paralelo y la estructura de bisagra con espacios de aire en la parte posterior del gráfico. Este diseño de interruptor se utiliza en el Conmutador ADGM1304 SP4T MEMS y protección ESD mejorada Interruptor ADGM1004 SP4T.
Figura 1. Gráfico de primer plano que muestra una viga de interruptor en voladizo MEMS.
ADI ha diseñado un circuito integrado de controlador complementario (IC) para generar el alto voltaje de CC necesario para accionar el interruptor, lo que garantiza una activación rápida y confiable y ciclos de vida prolongados, y hace que el dispositivo sea fácil de usar. La figura 2 muestra el chip MEMS y el controlador IC en un paquete SMD QFN ultrapequeño. El controlador incluido en el paquete es de muy baja potencia, normalmente 10 mW, que es 10 veces menor que los requisitos típicos del controlador para los relés de RF.
Figura 2. Conmutador MEMS protegido contra ESD mejorado ADGM1004.
Integración de la protección ESD
Aprovechando el producto de conmutador MEMS ADGM1304, ADI desarrolló el conmutador MEMS ADGM1004 para mejorar el rendimiento ESD del puerto RF mediante la integración de la tecnología de protección ESD de estado sólido. La clasificación ESD del modelo de cuerpo humano (HBM) del puerto de RF para el interruptor ADGM1004 ha aumentado a 5 kV. Este nivel de protección ESD es el primero en la industria de conmutadores MEMS.
La protección ESD de estado sólido integrada es una tecnología patentada de ADI que permite una protección ESD muy alta con un efecto mínimo en el rendimiento de RF del interruptor MEMS. La Figura 3 muestra el elemento de protección ESD en el paquete. Muestra un troquel montado en el troquel MEMS y el cable se une a los pines de RF del paquete. Estos están optimizados para el rendimiento de RF y ESD.
Figura 3. IC de unidad ADGM1004 (izquierda), troquel de interruptor MEMS (derecha), con troquel de protección ESD de puerto RF montado en la parte superior con conexiones de cables al marco de cables de metal.
Para realizar el producto ADGM1004, ADI ha combinado tres tecnologías litográficas patentadas con ensamblaje y una tecnología de tapado MEMS para permitir este avance en el rendimiento.
Rendimiento de RF y 0 Hz/CC
El punto fuerte del conmutador MEMS es que reúne precisión de 0 Hz/CC y rendimiento de RF de banda ancha en un factor de forma diminuto que se puede montar en superficie. La Figura 4 muestra la pérdida de inserción medida y el aislamiento de desconexión para el conmutador MEMS de un solo polo y cuatro vías (SP4T) ADGM1004. La pérdida de inserción es de solo 0,45 dB a 2,5 GHz y – 3 dB de ancho de banda hasta 13 GHz. El manejo de potencia de RF tiene una clasificación de 32 dBm sin compresión y la linealidad del punto de intercepción de tercer orden (IP3) es una sobrefrecuencia típica constante de 67 dBm sin degradación a frecuencias muy bajas.
Figura 4. Rendimiento de RF del conmutador MEMS ADGM1004. Escala lineal < 10 MHz.
El diseño del interruptor ADGM1004 MEMS ofrece un rendimiento muy alto para aplicaciones de precisión de 0 Hz/CC. La Tabla 1 es un resumen de estas importantes especificaciones.
| EDS (HBM) | EDS (FICDM) | Sobre la Resistencia | Fuera de fuga | 0 Hz/CC V, Calificaciones |
| Puertos RF de 5 kV Puertos sin RF de 2,5 kV |
1,25 kV Todos los puertos | 1,8 Ω típico | 0,5 nA máx. | ±6 V, 220 mA |
La clasificación ESD de HBM en la Tabla 1 de HBM de 5 kV para los puertos de RF es un aumento significativo en comparación con la parte ADGM1304, que tenía una clasificación de HBM de 100 V. Esto mejora la facilidad de uso en el manejo humano, aplicaciones sensibles a ESD.
| Velocidad de conmutación | Tensión de alimentación, potencia | Tamaño del paquete | Vida útil del ciclo |
| 30 µs | 3,1 V a 3,3 V, 10 mW típico |
5 mm × 4 mm × 1,45 mm | 1 billón min |
Tener una solución de tamaño pequeño es un requisito fundamental en todos los mercados. La Figura 5 muestra una comparación a escala del diseño del interruptor MEMS ADGM1004 SP4T empaquetado en comparación con un relé electromecánico DPDT típico con un ahorro de volumen de hasta el 95 %.
Figura 5. Interruptor MEMS ADGM1004 (cuatro interruptores) comparado con un relé de RF electromecánico típico (cuatro interruptores).
Finalmente, para ayudar a los diseñadores de sistemas, el conmutador ADGM1004 se ha caracterizado por ciclos de vida útil cuando alterna con potencia de RF que pasa a través del conmutador (conmutación en caliente). La figura 6 muestra la probabilidad de vida útil cuando se conmuta en caliente una señal de RF de 2 GHz y 10 dBm. El número medio de ciclos antes del punto de falla (T50) de esta prueba de muestra es del orden de 3.400 millones de ciclos. Los resultados de las pruebas de mayor potencia están disponibles en la hoja de datos ADGM1004.
Figura 6. Probabilidad de falla normal de registro con un intervalo de confianza (IC) del 95 % indicado para la conmutación en caliente de una señal de RF de 10 dBm.
Conclusión
El interruptor MEMS ADGM1004 innovador y mejorado con protección ESD permite un gran aumento en la facilidad de uso al tiempo que conserva un excelente rendimiento del interruptor tanto en aplicaciones de RF como de 0 Hz/CC. La tecnología de interruptores MEMS de ADI brinda el mejor rendimiento de su clase desde 0 Hz/CC con interruptores que son hasta un 95 % más pequeños, 10 veces más confiables, 30 veces más rápidos y que usan 10 veces menos energía que los relés de RF. El nuevo conmutador MEMS ADGM1004 es una nueva e interesante adición a las ofertas generales de conmutadores de Analog Devices.
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