eng
Выпуск #5/2024
В. Кочемасов, Е. Торина, А. Сафин
МЭМС-ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ ВЧ / СВЧ-СИГНАЛОВ. ЧАСТЬ 2
МЭМС-ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ ВЧ / СВЧ-СИГНАЛОВ. ЧАСТЬ 2
Просмотры: 422
DOI: 10.22184/1992-4178.2024.236.5.86.96
Рассмотрены МЭМС-переключатели ВЧ/СВЧ-сигналов. Приведена информация об особенностях и характеристиках МЭМС-переключателей компании Analog Devices.
Рассмотрены МЭМС-переключатели ВЧ/СВЧ-сигналов. Приведена информация об особенностях и характеристиках МЭМС-переключателей компании Analog Devices.
Теги: decoupling frequency range insertion loss mems switch вносимые потери диапазон частот мэмс переключатель развязка
МЭМС-переключатели ВЧ/СВЧ-сигналов. Часть 2
В. Кочемасов, к.т.н., Е. Торина, к.т.н., А. Сафин, д.ф.-м-н.
В первой части статьи, опубликованной в четвертом номере журнала «ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес» за 2024 год, было рассмотрено устройство МЭМС-переключателей ВЧ/СВЧ-сигналов и рассказано о различных типах таких устройств, выпускаемых рядом производителей. В данном номере приводится информация об особенностях и характеристиках МЭМС-переключателей компании Analog Devices.
Лидеры современного рынка МЭМС ПК
Преодоление свойственного МЭМС-переключателям недостатка – ограниченного числа допустимых переключений (с достижением в современных изделиях миллиардов переключений) – не только существенно (на два порядка) увеличило число МЭМС-переключателей по сравнению с электромеханическими изделиями, но и сделало данный недостаток второстепенным фактором при сравнении с полупроводниковыми переключателями во многих применениях. Возможность же работы от постоянного напряжения на частотах до десятков гигагерц, малые вносимые потери, высочайшая линейность в сочетании с непревзойденной стойкостью к радиации и механическим воздействиям сделали МЭМС-переключатели достойным конкурентом их полупроводниковых аналогов. Несмотря на свои преимущества, в гражданском секторе рынка МЭМС-переключатели представлены довольно скудно. Это связано как с рассмотренными выше недостатками МЭМС, так и со сложностями запуска крупносерийного массового производства, при отсутствии которого стоимость изделий заметно возрастает [16, 17]. Тем не менее двум компаниям удалось наладить серийное производство и стать лидерами рынка в этом секторе.
Analog Devices. По показателю FOM = Ron · Coff < 8 фс [18] МЭМС-переключатели компании Analog Devices обошли полупроводниковые изделия на pin-диодах и полевых транзисторах, выполненных по технологиям GaAs, GaN и Si КМОП.
Компания Analog Devices начала заниматься исследованием МЭМС-переключателей с 1990 года. К 1998 году были разработаны первые лабораторные образцы, а с 2011 года значительное финансирование позволило создать производственные мощности для массового изготовления МЭМС-переключателей. К настоящему времени в Analog Devices начался коммерческий выпуск изделий для замены электромеханических и полупроводниковых аналогов в задачах автоматического тестирования, в приемо-передающих модулях АФАР, в системах связи нового поколения, включая технологии 4G
и 5G, а также непосредственно, в качестве переключателей в ВЧ/СВЧ-изделиях различного назначения.
Производство МЭМС-переключателей в компании Analog Devices включает несколько стадий. На первой из них формируется высокоомная кремниевая подложка с нанесением на ее верхнюю поверхность толстого слоя диэлектрика, обеспечивающего наивысшую степень развязки от основной подложки (рис. 12а). Далее на эту поверхность наносятся низкоомный металлический слой и поликремний для обеспечения внутренних связей внутри микросхемы (рис. 12б).
Обозначенные на этом рисунке красным цветом металлизированные отверстия обеспечивают соединение входа, выхода и затвора переключателя. Консольная структура и проволочные перемычки формируются из золота (рис. 12в), а контакты переключателя, включая электроды затвора, выполняются из низкоомного тонкого слоя металла, нанесенного на поверхность диэлектрика. Золотые проволочные перемычки соединяют кристалл переключателя с контактными площадками используемого корпуса. Герметичность переключателя и его защита от внешних воздействий обеспечиваются высокоомной кремниевой крышкой (рис. 12г).
Изготовленный по такой технологии кристалл и интегральная микросхема драйвера, управляющего его работой, устанавливаются в QFN-корпус (рис. 13). Используемый в данном случае драйвер запитывается от низковольтного источника питания. Необходимое для управления консольной балкой высоковольтное напряжение формируется либо непосредственно в драйвере [18–22] либо поступает извне. Общая потребляемая мощность в таком изделии не превосходит 10–20 мВт [18].
После корпусирования МЭМС-переключатели подвергаются многочисленным испытаниям (табл. 3). Работая по этой технологии, компания Analog Devices выпустила
к настоящему времени три SPDT (ADGM1001/1002/1003) [19] и три SP4T (ADGM1004/1304/1144) [20–22] переключателя (табл. 4).
SPDT-переключатели этой компании доступны в диапазонах частот 0–34 ГГц (ADGM1001), 0–20 ГГц (ADGM1002) и 0–16 ГГц (ADGM1003). Эти микросхемы (рис. 14) включают в себя SPDT-переключатель с электростатическим управлением и драйвер, на который, помимо сигналов управления Vy1, Vy2, поступают напряжения питания VDD, равные ±6 В (ADGM1001), ±5В (ADGM1002), ±3В (ADGM1003) и высоковольтное питание VCP = 80 В [19].
Во всех SPDT-переключателях этой серии вносимые потери IL растут с увеличением частоты и практически идентичны в первом и втором каналах (рис. 15а), а также при изменении температуры окружающей среды TA (рис. 15б) в диапазоне –40…85 °С. При этом в широком диапазоне входных мощностей их уровень остается практически постоянным и зависит лишь от рабочей частоты (рис. 16). Развязка между портами (Iso) в этих переключателях падает с ростом частоты, но совершенно не зависит от температуры окружающей среды в диапазоне –40…85 °С (рис. 17а, б). Кроме того, эти переключатели обладают высокой линейностью (до 76 дБм), что обеспечивает полное совпадение входной и выходной мощностей (рис. 18) во всем диапазоне частот.
Отметим также, что сопротивление включения Ron, которое влияет на вносимое ослабление, мало зависит от напряжений смещения и питания, но существенно меняется в диапазоне температур окружающей среды (рис. 19а, б). Помимо этого, надо также иметь в виду, что в партии испытуемых переключателей сопротивление включения Ron меняется от образца к образцу в некоторых пределах и, кроме того, зависит от частоты переключений, имея тенденцию к увеличению значений Ron с ростом частоты коммутации (рис. 20а, б).
Вероятность отказа образцов в тестируемой партии переключателей существенно зависит от мощности входного сигнала и числа выполненных срабатываний переключателей (рис. 21).
При габаритах 5,00 × 4,00 × 0,90 мм (24-выводной LGA-корпус) все три микросхемы имеют максимально допустимую входную мощность 33 дБм, сопротивление включения Ron = 3,4 Ом и время жизни, превышающее 100 млн переключений, что более чем на порядок выше, чем у электромеханических переключателей. Управление этими переключателями осуществляется 2-разрядным кодом (табл. 5). Отметим, что в этих переключателях, в отличие от полупроводниковых, может быть обеспечено одновременное подключение портов RF1 и RF2 к порту RFС.
Основные сферы применения этих переключателей: замена электромеханических изделий, приемопередающие модули в СВЧ-изделиях военного и космического назначения, сотовая, включая 5G, инфраструктура, системы автоматического тестирования оборудования, переключаемые фильтры и аттенюаторы. Микросхемы ADGM1001/1002/1003 обеспечивают малый форм-фактор, широкую полосу рабочих частот, высокую линейность
и малое вносимое ослабление, что делает во многих случаях их применение идеальным решением. Электростатическая защита (Human body model, НВМ) обеспечивается на уровне 150 В для портов RF1, RF2, RFС и 2 кВ для остальных портов.
Три модели SP4T-переключателей (ADGM1004/1304/1144) [20–22], выполненных по технологии МЭМС, предназначены для работы в диапазонах частот 0–13 ГГц, 0–14 ГГц и 0–18 ГГц соответственно (табл. 4).
Переключатели этого типа имеют малый форм-фактор, высокую линейность (IIP3 до 73 дБм) и малые вносимые потери: до 0,45 дБ на частоте 2,5 ГГц в ADGM1004 [20], 0,26 дБ на частоте 2,5 ГГц в ADGM1304 [21] и 1,7 дБ на частоте 16 ГГц в ADGM1144 [22].
Электростатическая защита при использовании НВМ-модели обеспечивается: на уровне 5 кВ для портов RF1, RF2, RF3, RF4, RFС и 2,5 кВ для всех остальных портов в переключателе ADGM1004; на уровне 100 В для портов RF1, RF2, RF3, RF4, RFС и 2,5 кВ для всех других портов в микросхеме ADGM1304 и на уровне 150 В для портов RF1, RF2, RF3, RF4, RFС и 2 кВ для всех остальных портов в микросхеме ADGM1144.
В состав микросхемы ADGM1004 входит диодная защита от электростатических воздействий (рис. 22а).
В микросхемах ADGM1304, а также ADGM1001/1002/1003 эта защита исключена, вследствие чего обеспечивается меньшая толщина корпуса и более широкий диапазон рабочих частот. В микросхемах ADGM1004/1304 интегрированный в схему переключателя управляющий чип (рис. 22а) генерирует необходимое для электростатического привода высокое (80 В) напряжение VСР. В микросхеме ADGM1144 это напряжение подается от внешнего источника (рис. 22б).
Во всех трех микросхемах управляющие напряжения могут меняться от –6 до +6 В, а напряжения питания несколько отличаются: 3,1–3,3 В в ADGM1004, 3,1–3,4 В
в ADGM1304 и 3,0–3,6 В в ADGM1144.
Управление каналами в микросхемах ADGM1004/1144 осуществляется 4-разрядным кодом. В микросхеме ADGM1304 имеется еще одна шина, которая обеспечивает спящий режим (табл. 6). Анализ этой таблицы показывает, что входы RF1, RF2, RF3, RF4 могут подключаться к выходному порту RFС как независимо, так и одновременно. Так при подаче кода «1111» к порту RFС подключаются все четыре входных порта. Подаваемое в микросхеме ADGM1304 по шине Sleep напряжение в сочетании с отключением от выходного порта RFС всех входных портов RF1, RF2, RF3, RF4 обеспечивает спящий режим с током потребления менее 1 мкА.
Время жизни и срок хранения микросхем ADGM1004/1304 составляют 1 млрд циклов и 7,2 года, а микросхемы ADGM1144 – 200 млн циклов и 10 лет соответственно. Все изделия выдерживают механические удары до 1500 g (длительность импульса 0,5 мс), вибрации до 50 g в диапазоне частот 20–2000 Гц и ускорения до 30 000 g.
Рабочая температура в микросхемах ADGM1004/1304 равна 0–85 °С, в микросхеме ADGM1144 составляет –40…85 °С. Размеры корпусов этих микросхем соответственно равны 5,00 × 4,00 × 1,45 мм, 5,00 × 4,00 × 0,95 мм и 5,0 × 4,0 × 1,0 мм.
Времена включения/выключения в микросхемах ADGM1004/1304 равны 30 и 5 мкс соответственно, а в микросхеме ADGM1144 они не превышают 200 мкс. Во всех трех SP4T-переключателях электростатический привод в виде балки (кантилевера) соединяет три порта: исток, сток и затвор. Когда высокое напряжение на затвор не поступает, между контактами балки и стока имеется зазор. При подаче высокого напряжения 80 В балка притягивается к нижнему контакту и исток соединяется со стоком. В SP4T-переключателях имеются четыре такие контактные группы (рис. 22а, б). На входы каждой из них подаются входные сигналы с портов RF1, RF2, RF3, RF4 и коды управления Vy1, Vy2, Vy3, Vy4 с соответствующих портов.
Сопротивление Ron в каждом из каналов мало зависит от напряжения низковольтного источника питания (рис. 23а) и несколько сильнее от температуры окружающей среды (рис. 23б) и тока управления (рис. 23в).
Испытания по определению срока службы, то есть зависимости вероятности выхода из строя изделий от времени, для переключателей ADGM1004 и ADGM1304 (в днях)
показали их полную идентичность по данному параметру (рис. 24).
В обоих случаях испытывались партии, включающие 31 образец.
МЭМС-переключатели (ADGM 1004/1304) в сравнении с электромеханическими изделиями на 95% меньше по размеру, в десятки раз надежнее и потребляют в десятки раз меньше энергии. ADGM 1004/1304 имеют среднюю наработку на отказ (Mean time between failures, MTBF) до 3,4 млрд циклов при уровне входного сигнала 10 дБм.
Эти изделия содержат два кристалла, собственно МЭМС-переключатель и низковольтный, малопотребляющий драйвер (рис. 22). Механизм переключения электростатический, где изготовленная из золота консольная балка с металлическими контактами управляется высоковольтным напряжением. Связь между сопротивлением включения Ron, вносимым ослаблением IL и частотой сигнала отслеживается на гистограммах (рис. 25а, б), показывающих количество N тестовых образцов в партии с одинаковой величиной вносимого ослабления.
Вероятность отказа испытуемых изделий с ростом числа переключений весьма сильно зависит от уровня подаваемой на вход мощности (рис. 26а, б) и, кроме того, характер этих зависимостей Pо(R) практически повторяет результаты на рис. 24, где представлены зависимости вероятности отказа от числа дней проводимых испытаний. Зависимости вероятности появления изделий с одинаковым значением сопротивления включения Ron при различных числах выполненных переключений для микросхемы ADGM 1144 близки к линейным (рис. 27). Слабо зависят от канала прохождения сигнала и температуры окружающей среды вносимые ослабления и развязки (рис. 28а–г).
Производитель этих микросхем отмечает [17], что их время жизни существенно сокращается с увеличением температуры окружающей среды и возрастает по мере снижения скважности (Q<50%).
ЛИТЕРАТУРА
16. Uvarov I.V. Migration of adhesive material in electrostatically actuated MEMS switch // Microelectronics Reliability. 2021. V. 125.
17. https://www.analog.com/en/technical-articles/fundamentals-adi-revolutionary-mems-switch-technology.html
18. Carty E., Fitzgerald P., Mc Daid P. The Fundamentals of Analog Devices Revolutionary MEMS Switch Technology. Technical article. / analog.com. 4 p.
19. Data sheet на переключатели ADGM1001/ADGM1002/ADGM1003 https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/adgm1001-1002-1003.pdf].
20. Data sheet на переключатели ADGM1004 [https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/adgm1004.pdf].
21. Data sheet на переключатели ADGM1304 [https://analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/adgm1304.pdf].
22. Data sheet на переключатели ADGM1144 [https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/adgm1144.pdf].
В. Кочемасов, к.т.н., Е. Торина, к.т.н., А. Сафин, д.ф.-м-н.
В первой части статьи, опубликованной в четвертом номере журнала «ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес» за 2024 год, было рассмотрено устройство МЭМС-переключателей ВЧ/СВЧ-сигналов и рассказано о различных типах таких устройств, выпускаемых рядом производителей. В данном номере приводится информация об особенностях и характеристиках МЭМС-переключателей компании Analog Devices.
Лидеры современного рынка МЭМС ПК
Преодоление свойственного МЭМС-переключателям недостатка – ограниченного числа допустимых переключений (с достижением в современных изделиях миллиардов переключений) – не только существенно (на два порядка) увеличило число МЭМС-переключателей по сравнению с электромеханическими изделиями, но и сделало данный недостаток второстепенным фактором при сравнении с полупроводниковыми переключателями во многих применениях. Возможность же работы от постоянного напряжения на частотах до десятков гигагерц, малые вносимые потери, высочайшая линейность в сочетании с непревзойденной стойкостью к радиации и механическим воздействиям сделали МЭМС-переключатели достойным конкурентом их полупроводниковых аналогов. Несмотря на свои преимущества, в гражданском секторе рынка МЭМС-переключатели представлены довольно скудно. Это связано как с рассмотренными выше недостатками МЭМС, так и со сложностями запуска крупносерийного массового производства, при отсутствии которого стоимость изделий заметно возрастает [16, 17]. Тем не менее двум компаниям удалось наладить серийное производство и стать лидерами рынка в этом секторе.
Analog Devices. По показателю FOM = Ron · Coff < 8 фс [18] МЭМС-переключатели компании Analog Devices обошли полупроводниковые изделия на pin-диодах и полевых транзисторах, выполненных по технологиям GaAs, GaN и Si КМОП.
Компания Analog Devices начала заниматься исследованием МЭМС-переключателей с 1990 года. К 1998 году были разработаны первые лабораторные образцы, а с 2011 года значительное финансирование позволило создать производственные мощности для массового изготовления МЭМС-переключателей. К настоящему времени в Analog Devices начался коммерческий выпуск изделий для замены электромеханических и полупроводниковых аналогов в задачах автоматического тестирования, в приемо-передающих модулях АФАР, в системах связи нового поколения, включая технологии 4G
и 5G, а также непосредственно, в качестве переключателей в ВЧ/СВЧ-изделиях различного назначения.
Производство МЭМС-переключателей в компании Analog Devices включает несколько стадий. На первой из них формируется высокоомная кремниевая подложка с нанесением на ее верхнюю поверхность толстого слоя диэлектрика, обеспечивающего наивысшую степень развязки от основной подложки (рис. 12а). Далее на эту поверхность наносятся низкоомный металлический слой и поликремний для обеспечения внутренних связей внутри микросхемы (рис. 12б).
Обозначенные на этом рисунке красным цветом металлизированные отверстия обеспечивают соединение входа, выхода и затвора переключателя. Консольная структура и проволочные перемычки формируются из золота (рис. 12в), а контакты переключателя, включая электроды затвора, выполняются из низкоомного тонкого слоя металла, нанесенного на поверхность диэлектрика. Золотые проволочные перемычки соединяют кристалл переключателя с контактными площадками используемого корпуса. Герметичность переключателя и его защита от внешних воздействий обеспечиваются высокоомной кремниевой крышкой (рис. 12г).
Изготовленный по такой технологии кристалл и интегральная микросхема драйвера, управляющего его работой, устанавливаются в QFN-корпус (рис. 13). Используемый в данном случае драйвер запитывается от низковольтного источника питания. Необходимое для управления консольной балкой высоковольтное напряжение формируется либо непосредственно в драйвере [18–22] либо поступает извне. Общая потребляемая мощность в таком изделии не превосходит 10–20 мВт [18].
После корпусирования МЭМС-переключатели подвергаются многочисленным испытаниям (табл. 3). Работая по этой технологии, компания Analog Devices выпустила
к настоящему времени три SPDT (ADGM1001/1002/1003) [19] и три SP4T (ADGM1004/1304/1144) [20–22] переключателя (табл. 4).
SPDT-переключатели этой компании доступны в диапазонах частот 0–34 ГГц (ADGM1001), 0–20 ГГц (ADGM1002) и 0–16 ГГц (ADGM1003). Эти микросхемы (рис. 14) включают в себя SPDT-переключатель с электростатическим управлением и драйвер, на который, помимо сигналов управления Vy1, Vy2, поступают напряжения питания VDD, равные ±6 В (ADGM1001), ±5В (ADGM1002), ±3В (ADGM1003) и высоковольтное питание VCP = 80 В [19].
Во всех SPDT-переключателях этой серии вносимые потери IL растут с увеличением частоты и практически идентичны в первом и втором каналах (рис. 15а), а также при изменении температуры окружающей среды TA (рис. 15б) в диапазоне –40…85 °С. При этом в широком диапазоне входных мощностей их уровень остается практически постоянным и зависит лишь от рабочей частоты (рис. 16). Развязка между портами (Iso) в этих переключателях падает с ростом частоты, но совершенно не зависит от температуры окружающей среды в диапазоне –40…85 °С (рис. 17а, б). Кроме того, эти переключатели обладают высокой линейностью (до 76 дБм), что обеспечивает полное совпадение входной и выходной мощностей (рис. 18) во всем диапазоне частот.
Отметим также, что сопротивление включения Ron, которое влияет на вносимое ослабление, мало зависит от напряжений смещения и питания, но существенно меняется в диапазоне температур окружающей среды (рис. 19а, б). Помимо этого, надо также иметь в виду, что в партии испытуемых переключателей сопротивление включения Ron меняется от образца к образцу в некоторых пределах и, кроме того, зависит от частоты переключений, имея тенденцию к увеличению значений Ron с ростом частоты коммутации (рис. 20а, б).
Вероятность отказа образцов в тестируемой партии переключателей существенно зависит от мощности входного сигнала и числа выполненных срабатываний переключателей (рис. 21).
При габаритах 5,00 × 4,00 × 0,90 мм (24-выводной LGA-корпус) все три микросхемы имеют максимально допустимую входную мощность 33 дБм, сопротивление включения Ron = 3,4 Ом и время жизни, превышающее 100 млн переключений, что более чем на порядок выше, чем у электромеханических переключателей. Управление этими переключателями осуществляется 2-разрядным кодом (табл. 5). Отметим, что в этих переключателях, в отличие от полупроводниковых, может быть обеспечено одновременное подключение портов RF1 и RF2 к порту RFС.
Основные сферы применения этих переключателей: замена электромеханических изделий, приемопередающие модули в СВЧ-изделиях военного и космического назначения, сотовая, включая 5G, инфраструктура, системы автоматического тестирования оборудования, переключаемые фильтры и аттенюаторы. Микросхемы ADGM1001/1002/1003 обеспечивают малый форм-фактор, широкую полосу рабочих частот, высокую линейность
и малое вносимое ослабление, что делает во многих случаях их применение идеальным решением. Электростатическая защита (Human body model, НВМ) обеспечивается на уровне 150 В для портов RF1, RF2, RFС и 2 кВ для остальных портов.
Три модели SP4T-переключателей (ADGM1004/1304/1144) [20–22], выполненных по технологии МЭМС, предназначены для работы в диапазонах частот 0–13 ГГц, 0–14 ГГц и 0–18 ГГц соответственно (табл. 4).
Переключатели этого типа имеют малый форм-фактор, высокую линейность (IIP3 до 73 дБм) и малые вносимые потери: до 0,45 дБ на частоте 2,5 ГГц в ADGM1004 [20], 0,26 дБ на частоте 2,5 ГГц в ADGM1304 [21] и 1,7 дБ на частоте 16 ГГц в ADGM1144 [22].
Электростатическая защита при использовании НВМ-модели обеспечивается: на уровне 5 кВ для портов RF1, RF2, RF3, RF4, RFС и 2,5 кВ для всех остальных портов в переключателе ADGM1004; на уровне 100 В для портов RF1, RF2, RF3, RF4, RFС и 2,5 кВ для всех других портов в микросхеме ADGM1304 и на уровне 150 В для портов RF1, RF2, RF3, RF4, RFС и 2 кВ для всех остальных портов в микросхеме ADGM1144.
В состав микросхемы ADGM1004 входит диодная защита от электростатических воздействий (рис. 22а).
В микросхемах ADGM1304, а также ADGM1001/1002/1003 эта защита исключена, вследствие чего обеспечивается меньшая толщина корпуса и более широкий диапазон рабочих частот. В микросхемах ADGM1004/1304 интегрированный в схему переключателя управляющий чип (рис. 22а) генерирует необходимое для электростатического привода высокое (80 В) напряжение VСР. В микросхеме ADGM1144 это напряжение подается от внешнего источника (рис. 22б).
Во всех трех микросхемах управляющие напряжения могут меняться от –6 до +6 В, а напряжения питания несколько отличаются: 3,1–3,3 В в ADGM1004, 3,1–3,4 В
в ADGM1304 и 3,0–3,6 В в ADGM1144.
Управление каналами в микросхемах ADGM1004/1144 осуществляется 4-разрядным кодом. В микросхеме ADGM1304 имеется еще одна шина, которая обеспечивает спящий режим (табл. 6). Анализ этой таблицы показывает, что входы RF1, RF2, RF3, RF4 могут подключаться к выходному порту RFС как независимо, так и одновременно. Так при подаче кода «1111» к порту RFС подключаются все четыре входных порта. Подаваемое в микросхеме ADGM1304 по шине Sleep напряжение в сочетании с отключением от выходного порта RFС всех входных портов RF1, RF2, RF3, RF4 обеспечивает спящий режим с током потребления менее 1 мкА.
Время жизни и срок хранения микросхем ADGM1004/1304 составляют 1 млрд циклов и 7,2 года, а микросхемы ADGM1144 – 200 млн циклов и 10 лет соответственно. Все изделия выдерживают механические удары до 1500 g (длительность импульса 0,5 мс), вибрации до 50 g в диапазоне частот 20–2000 Гц и ускорения до 30 000 g.
Рабочая температура в микросхемах ADGM1004/1304 равна 0–85 °С, в микросхеме ADGM1144 составляет –40…85 °С. Размеры корпусов этих микросхем соответственно равны 5,00 × 4,00 × 1,45 мм, 5,00 × 4,00 × 0,95 мм и 5,0 × 4,0 × 1,0 мм.
Времена включения/выключения в микросхемах ADGM1004/1304 равны 30 и 5 мкс соответственно, а в микросхеме ADGM1144 они не превышают 200 мкс. Во всех трех SP4T-переключателях электростатический привод в виде балки (кантилевера) соединяет три порта: исток, сток и затвор. Когда высокое напряжение на затвор не поступает, между контактами балки и стока имеется зазор. При подаче высокого напряжения 80 В балка притягивается к нижнему контакту и исток соединяется со стоком. В SP4T-переключателях имеются четыре такие контактные группы (рис. 22а, б). На входы каждой из них подаются входные сигналы с портов RF1, RF2, RF3, RF4 и коды управления Vy1, Vy2, Vy3, Vy4 с соответствующих портов.
Сопротивление Ron в каждом из каналов мало зависит от напряжения низковольтного источника питания (рис. 23а) и несколько сильнее от температуры окружающей среды (рис. 23б) и тока управления (рис. 23в).
Испытания по определению срока службы, то есть зависимости вероятности выхода из строя изделий от времени, для переключателей ADGM1004 и ADGM1304 (в днях)
показали их полную идентичность по данному параметру (рис. 24).
В обоих случаях испытывались партии, включающие 31 образец.
МЭМС-переключатели (ADGM 1004/1304) в сравнении с электромеханическими изделиями на 95% меньше по размеру, в десятки раз надежнее и потребляют в десятки раз меньше энергии. ADGM 1004/1304 имеют среднюю наработку на отказ (Mean time between failures, MTBF) до 3,4 млрд циклов при уровне входного сигнала 10 дБм.
Эти изделия содержат два кристалла, собственно МЭМС-переключатель и низковольтный, малопотребляющий драйвер (рис. 22). Механизм переключения электростатический, где изготовленная из золота консольная балка с металлическими контактами управляется высоковольтным напряжением. Связь между сопротивлением включения Ron, вносимым ослаблением IL и частотой сигнала отслеживается на гистограммах (рис. 25а, б), показывающих количество N тестовых образцов в партии с одинаковой величиной вносимого ослабления.
Вероятность отказа испытуемых изделий с ростом числа переключений весьма сильно зависит от уровня подаваемой на вход мощности (рис. 26а, б) и, кроме того, характер этих зависимостей Pо(R) практически повторяет результаты на рис. 24, где представлены зависимости вероятности отказа от числа дней проводимых испытаний. Зависимости вероятности появления изделий с одинаковым значением сопротивления включения Ron при различных числах выполненных переключений для микросхемы ADGM 1144 близки к линейным (рис. 27). Слабо зависят от канала прохождения сигнала и температуры окружающей среды вносимые ослабления и развязки (рис. 28а–г).
Производитель этих микросхем отмечает [17], что их время жизни существенно сокращается с увеличением температуры окружающей среды и возрастает по мере снижения скважности (Q<50%).
ЛИТЕРАТУРА
16. Uvarov I.V. Migration of adhesive material in electrostatically actuated MEMS switch // Microelectronics Reliability. 2021. V. 125.
17. https://www.analog.com/en/technical-articles/fundamentals-adi-revolutionary-mems-switch-technology.html
18. Carty E., Fitzgerald P., Mc Daid P. The Fundamentals of Analog Devices Revolutionary MEMS Switch Technology. Technical article. / analog.com. 4 p.
19. Data sheet на переключатели ADGM1001/ADGM1002/ADGM1003 https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/adgm1001-1002-1003.pdf].
20. Data sheet на переключатели ADGM1004 [https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/adgm1004.pdf].
21. Data sheet на переключатели ADGM1304 [https://analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/adgm1304.pdf].
22. Data sheet на переключатели ADGM1144 [https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/adgm1144.pdf].
Отзывы читателей
