Schalter auf MEMS-Basis

MEMS-Schalter ersetzen zukünftig elektromechanische Relais

Seite: 2/2

Firmen zum Thema

Zuverlässigkeit des MEMS-Schalters

Ein zentraler Aspekt jeder neuen Technologie ist die Zuverlässigkeit. Der neue MEMS-Fertigungsprozess bildete die Grundlage für die Entwicklung von mechanisch robusten und hochleistungsfähigen Schaltern. Dies bildete in Verbindung mit einem Prozess zum hermetisch dichten Kapseln des Siliziums die Grundlage für die Herstellung von zuverlässigen MEMS-Schaltern mit langer Lebensdauer.

Für die erfolgreiche Vermarktung von MEMS-Schaltern waren umfangreiche MEMS-spezifische Zuverlässigkeitsprüfungen erforderlich, darunter Schaltwechseltests, Lebensdauertests und Schockprüfung.

Bildergalerie

Aufgrund der kleinen Abmessungen und der geringen Trägheit des MEMS-Schaltelements ist es wesentlich robuster als elektromechanische Relais. Zusätzlich zu dieser Qualifizierung, und um die höchst mögliche Qualität zu garantieren, wurde das Bauteil mittels von Standard-IC-Zuverlässigkeitsprüfungen qualifiziert.

Verlockender Leistungsvorteil von MEMS-Schaltern

Der Hauptvorteil von Schaltern auf MEMS-Basis besteht darin, dass diese Bausteine 0-Hz-DC-Genauigkeit, Breitband-HF-Leistung sowie eine erstklassige Zuverlässigkeit in einem SMD-Gehäuse mit winzigem Formfaktor vereinen.

Eine der wichtigsten Kenngrößen für jede Schalttechnologie ist das Produkt aus Durchlasswiderstand und Ausschaltkapazität eines Schalters. Dies wird üblicherweise als Ron-Coff-Produkt bezeichnet und in Femtosekunden angegeben. Mit kleiner werdendem RonCoff reduzieren sich die Einfügungeverluste des Schalters und die Aus-Isolation verbessert sich.

Bei der MEMS-Schaltertechnologie von Analog Devices beträgt das Ron-Coff-Produkt für eine Schaltzelle <8, was ihre Position als Technologie der Wahl für erstklassige Schalter garantiert.

Bild 3 zeigt gemessene Einfügungeverluste und Aus-Isolation für einen MEMS-Prototypen in 1 auf 2 Konfiguration (Single-Pole Double-Throw) im QFN-Gehäuse. Der Einfügungeverlust beträgt 1 dB bei 26,5GHz; es wurden Bandbreiten von mehr als 32 GHz in einem QFN-Gehäuse erreicht.

Bild 4 zeigt einen größeren Frequenzgang von Einfügungeverlusten und Off-Isolation eines Prototypen, gemessen am Die eines einpoligen MEMS-Umschalters (SPST). Bei 40 GHz wurden ein Einfügungeverlust von 1 dB und eine Off-Isolation im Bereich von –30 dB erreicht.

Darüber hinaus bietet der MEMS-Schalter generell eine sehr hohe Leistungsfähigkeit in den folgenden Bereichen:

  • Gleichspannungsleistungsfähigkeit: Leistungswerte von RON < 2 Ω, Off-Leckstrom 0,5 nA und –110 dBc THD + N (Harmonische Verzerrung plus Rauschen) wurden realisiert. Alle Werte lassen sich durch Hebel- und Substrat-Optimierungen weiter verbessern.
  • Linearität: Intermodulationsprodukte dritter Ordnung (IP3) von mehr als 69 dBm wurden mit Eingangstönen von 27 dBm erzielt. Es besteht das Potenzial, dies über das gesamte Frequenzband im Betrieb auf über 75 dBm zu steigern.
  • Betätiger-Lebensdauer: Garantiert werden mindestens eine Milliarde Zyklen. Dies übersteigt die Lebensdauer von mechanischen Relais, die normalerweise weniger als zehn Millionen Schaltzyklen erreichen, bei weitem.
  • Power-Handling (HF/DC): Leistungen von mehr als 40 dBm wurden über das gesamte Frequenzband getestet. Ein Leistungsabfall bei niedrigeren oder höheren Frequenzen wurde nicht beobachtet. Bei Gleichspannung kann der Schalter Stromstärken von mehr als 200 mA übertragen.

Letztlich ist eine Lösung mit kleinen Abmessungen eine kritische Anforderung aller Märkte. MEMS bietet auch diesbezüglich einen überzeugenden Vorteil. Bild 5 zeigt den Vergleich eines einpoligen MEMS-Wechselschalters von Analog Devices in SP4T-Konfiguration (1 auf 4 Wechselschalter) mit einem elektromechanischen Relais in DPDT-Konfiguration (Double Pole Double Throw, zweipoliger Wechselschalter).

Die Platzersparnis mit dem MEMS-Bauteil ist enorm. In diesem Fall benötigt der MEMS-Schalter nur 5% des Relais-Volumens. Diese kleinen Abmessungen ermöglichen eine große Platzersparnis auf der Leiterplatte, was speziell die Entwicklung von doppelseitigen Boards ermöglicht. Besonders wertvoll ist dies für Hersteller von automatischen Testgeräten (ATE), bei denen eine steigende Kanaldichte im Vordergrund steht.

* Padraig McDaid ist Marketing Manager „Switches and Multiplexers“ bei Analog Devices in Limerick / Irland.

(ID:43792640)