Schalter auf MEMS-Basis MEMS-Schalter ersetzen zukünftig elektromechanische Relais

Autor / Redakteur: Padraig McDaid * / Kristin Rinortner

Analog Devices ist ein Durchbruch bei Schaltern auf MEMS-Basis gelungen. Die Technik ermöglicht einen Entwicklungssprung bei der HF- und DC-Schaltleistung, Zuverlässigkeit und Miniaturisierung.

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Bild 1: Treiber-IC (links) und MEMS-Schalter-Die (rechts) auf einem Metall-Leadframe.
Bild 1: Treiber-IC (links) und MEMS-Schalter-Die (rechts) auf einem Metall-Leadframe.
(Bilder: Analog Devices)

In den vergangenen 30 Jahren wurden MEMS-Schalter stets als Ersatz für elektromechanische Relais angepriesen. Zurückzuführen ist dies auf die technischen Einschränkungen von elektromechanischen Relais. Dazu gehören eine schmale Bandbreite und eine begrenzte Lebensdauer, eine limitierte Anzahl von Kanälen sowie sperrige Abmessungen.

Die MEMS-Technologie ermöglicht Schaltfrequenzen von 0 Hz (DC) bis zu einigen Hundert GHz und ist wesentlich zuverlässiger als elektromechanische Relais. Dies maximiert die Leistungsdaten von Geräten für die Bereiche Test und Messtechnik, Gesundheitswesen und Kommunikation.

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Bei der Entwicklung von MEMS-Schaltern sind viele Unternehmen daran gescheitert, zuverlässige Produkte in sehr hohen Stückzahlen zu produzieren. Im Jahr 2011 hat Analog Devices den Bau einer eigenen Produktionsstätte für MEMS-Schalter vorangetrieben.

Heute kann das Unternehmen das liefern, was bisher fehlte: In der Massenproduktion hergestellte zuverlässige und leistungsstarke MEMS-Schalter mit kleinem Formfaktor als Ersatz für die in die Jahre gekommene Relaistechnik. Aufbauend auf einer langen Tradition bei MEMS-Komponenten – angefangen beim Beschleunigungssensor ADXL50 im Jahr 1991 – hat das Unternehmen bis heute über eine Milliarde Trägheitssensoren produziert und ausgeliefert und die Schalttechnik auf MEMS-Basis Realität werden lassen.

Grundlagen der MEMS-Schalttechnologie

Zentrales Element der MEMS-Schalttechnologie ist das Konzept eines elektrostatisch betätigten, mikromechanisch gefertigten, frei beweglichen Schaltelements. Im Wesentlichen handelt es sich hierbei um ein mechanisches Relais im Mikrometer-Maßstab mit Metallkontakten, die elektrostatisch betätigt werden.

Der MEMS-Switch ist als Dreipol-Schalter mit „Source“, „Gate“ und „Drain“ konfiguriert. Sobald eine Gleichspannung an das Gate des Schalters angelegt wird, wirkt auf den Schalthebel eine elektrostatische Zugkraft. Steigt die Gate-Spannung auf einen ausreichend hohen Wert, überwindet die Anzugskraft die Federkraft des Schalthebels. Jetzt bewegt sich der Federkontakt nach unten bis die Kontakte den Drain-Anschluss berühren.

Dadurch wird die Verbindung zwischen Source und Drain geschlossen und der Schalter ist jetzt eingeschaltet. Sobald die Gate-Spannung abgeschaltet wird, verschwindet die elektrostatische Anziehungskraft und das Schaltelement verhält sich wie eine Feder mit genügend Rückstellkraft zum Öffnen der Verbindung zwischen Source und Drain. Der Schalter gelangt so in seine ursprüngliche, ausgeschaltete Position.

Um das Bauteil möglichst einfach handhabbar zu machen und seine Leistungsdaten zu gewährleisten, hat Analog Devices einen Treiber-IC entwickelt, der die hohe Gleichspannung zum Betätigen des Schalters erzeugt. Die Ansteuerspannung wird kontrolliert an die Gate-Elektrode des Schalters angelegt und innerhalb von Mikrosekunden auf einen hohen Wert erhöht. Das Hochfahren der Spannung steuert, wie das Schaltelement angezogen und heruntergezogen wird. Dies verbessert den Schaltvorgang sowie die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer des Schalters.

Bild 1 zeigt den Treiber-IC und den MEMS-Die in einem QFN-Gehäuse. Der Treiber-IC benötigt eine niedrige Spannungsversorgung und geringe Stromstärke und ist kompatibel zu Versorgungsspannungen für Standard-CMOS-Logik. Der Treiber im gleichen Gehäuse vereinfacht die Handhabung des Schalters. Er nimmt eine Leistung im Bereich 10 bis 20 mW auf.

Bild 2 zeigt eine vergrößerte Grafik mit vier MEMS-Schaltern in einer ST4T-Multiplexer-Konfiguration (Single-Pole Four-Throw, 1 auf 4 Wechselschalter). Jedes Schaltelement hat fünf parallele ohmsche Kontakte, um den Widerstand zu reduzieren und die Leistungsübertragung zu verbessern, wenn der Schalter geschlossen ist.

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