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.

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.

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.

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