Tecnología avanzada de conmutación MEMS 5kV ESD
Se necesita tecnología avanzada para resolver grandes problemas. Los orígenes de los relés electromecánicos se remontan a los primeros días del telégrafo eléctrico, y no existe una tecnología de relé 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, protección, salud y consumidores. mercados. 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 y la necesidad de maximizar el paralelismo de prueba y extenderse de 0 Hz/CC a 100 s de GHz en el rango de frecuencia. Los relés electromecánicos limitan cada vez más a los diseñadores de sistemas debido a su ancho de banda estrecho, vida útil limitada del actuador, número limitado de canales y paquetes de gran tamaño.
Los interruptores del sistema microelectromecánico (MEMS) pueden proporcionar la innovación necesaria para superar los relés y llevar la industria al siguiente nivel. Con una moderna planta interna de fabricación de conmutadores MEMS, Analog Devices ahora ofrece conmutadores MEMS protegidos contra ESD (ESD) de factor de forma pequeño, alto rendimiento, rápidos, mecánicamente duraderos y de bajo consumo de energía.
Tecnología de conmutación MEMS
En el corazón de la tecnología de conmutación ADI MEMS se encuentra el concepto de un elemento de conmutación de haz en voladizo de oro, micromecanizado y activado electrostáticamente. El interruptor MEMS se puede considerar como un relé mecánico de escala micrométrica con contactos de metal a metal accionados por electrostática de CC de alto voltaje. En la Figura 1 se muestra un gráfico de primer plano de un interruptor en voladizo MEMS. Los cinco contactos paralelos y la estructura de bisagra con espacios de aire en la parte posterior del gráfico son claramente visibles. Este diseño de interruptor se utiliza en el Conmutador MEMS ADGM1304 SP4T y protección ESD mejorada Interruptor ADGM1004 SP4T.
Figura 1. Primer plano que muestra un arnés de interruptor en voladizo MEMS.
ADI ha diseñado un controlador complementario IC (IC) para generar el alto voltaje de CC requerido para operar el interruptor, lo que garantiza una actuación rápida y confiable y una larga vida útil, y hace que el dispositivo sea fácil de usar. La figura 2 muestra un chip MEMS y un controlador IC en un paquete QFN SMD ultracompacto. El controlador empaquetado conjuntamente tiene una potencia muy baja, normalmente de 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 protección ESD
Basado en el conmutador MEMS ADGM1304, ADI desarrolló el conmutador MEMS ADGM1004 para mejorar el rendimiento de ESD del puerto RF mediante la integración de tecnología de protección ESD de estado sólido. La clasificación ESD del modelo humano (HBM) del puerto de RF para el interruptor ADGM1004 se 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 proporciona una protección ESD muy alta con un efecto mínimo en el rendimiento de RF del conmutador MEMS. La figura 3 muestra el elemento de protección ESD en la carcasa. Muestra el troquel montado en el troquel MEMS y las conexiones de cables a los pines de RF en la caja. Estos están optimizados para el rendimiento de RF y ESD.
Figura 3. Controlador IC ADGM1004 (izquierda), matriz de interruptores MEMS (derecha), con matriz de protección ESD de puerto RF montada en la parte superior con cable conductor en marco de cable metálico.
Para lograr el producto ADGM1004, ADI combinó tres tecnologías de litografía patentadas con tecnología de ensamblaje y encapsulación MEMS para permitir este avance en el rendimiento.
Rendimiento de RF y 0 Hz/CC
La fortaleza del conmutador MEMS es que combina una precisión de 0 Hz/CC y un rendimiento de RF de banda ancha en un factor de forma de montaje en superficie pequeño. La Figura 4 muestra la pérdida de inserción medida y el aislamiento sin energía para el interruptor MEMS de cuatro polos ADGM1004 (SP4T). La pérdida de inserción es de solo 0,45 dB a 2,5 GHz y un ancho de banda de -3 dB hasta 13 GHz. El manejo de potencia de RF tiene una clasificación de 32 dBm sin compresión y la linealidad del punto de interferencia de tercer orden (IP3) es una constante típica de 67 dBm en toda la frecuencia 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 proporciona un rendimiento muy alto para aplicaciones de precisión de 0 Hz/CC. La Tabla 1 resume estas importantes especificaciones.
| ROS (HBM) | EDS (FICDM) | en la resistencia | goteando | 0 Hz/V CC, tengo reseñas |
| Puertos RF de 5kV Puertos sin RF de 2,5 kV |
1,25 kV Todos los puertos | 1,8 Ω típico | 0.5A máximo | ±6V, 220mA |
La clasificación ESD de HBM en la Tabla 1 de HBM de 5 kV para puertos de RF es un aumento significativo con respecto a 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 transferencia | Tensión de alimentación, potencia | Tamaño del paquete | Toda la vida |
| 30 µs | 3,1 V a 3,3 V, 10 mW típico |
5 mm x 4 mm x 1,45 mm | 1 billón de minutos |
Una solución de pequeño tamaño es un requisito básico en todos los mercados. La figura 5 muestra una comparación a escala del diseño del interruptor MEMS empaquetado ADGM1004 SP4T MEMS frente a los interruptores electromecánicos DPDT convencionales 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 caracteriza por ciclos de vida útil mientras se conmuta 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 hasta el fallo (T50) de esta muestra de prueba es de aproximadamente 3400 millones de ciclos. Los resultados de las pruebas de mayor potencia están disponibles en la hoja de datos ADGM1004.
Figura 6. Probabilidad logarítmica normal de falla con un intervalo de confianza (IC) del 95 % que se muestra para un cambio en caliente de la señal de RF de 10 dBm.
Conclusión
El interruptor MEMS ADGM1004 ESD mejorado y revolucionario proporciona una gran facilidad de uso mientras mantiene un excelente rendimiento de conmutación en aplicaciones de RF y 0 Hz/CC. La tecnología de conmutación MEMS de ADI ofrece el mejor rendimiento de su clase desde 0 Hz/CC con conmutadores que son hasta un 95 % más pequeños, 10 veces más fiables, 30 veces más rápidos y utilizan 10 veces menos energía que los relés de RF. El nuevo conmutador MEMS ADGM1004 se suma a la oferta completa de conmutadores de Analog Devices.
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