ESD-Schutz bis 5 kV MEMS-Schalter für die Messtechnik

Bild 1. Eine MEMS-Schaltanordnung mit fünf Kontaktenvorne und der Gelenkstruktur hinten.
Bild 1. Eine MEMS-Schaltanordnung mit fünf Kontaktenvorne und der Gelenkstruktur hinten.

Häufig werden in Test- und Messgeräten elektromechanische Relais eingesetzt. Doch kleine Bandbreiten, kurze Lebensdauer und große Abmessungen schränken ihre Anwendung ein. MEMS-Schalter versprechen eine Alternative zu werden.

Richtig große Probleme lassen sich nur mit wegweisender Technologie lösen. Die Ursprünge von elektromechanischen Relais reichen zurück bis in die frühen Tage des elektrischen Telegrafen, doch bis heute gibt es keine alternative Schalttechnologie, die sämtliche Marktanforderungen erfüllt – das gilt speziell für intelligente, intensiv vernetzte Applikationen aus den Bereichen Test und Messtechnik, Kommunikation, Verteidigung und Gesundheitswesen sowie für Consumer-Produkte.

Als Beispiel für wachsende Marktanforderungen verlangen die Anwender von Test- und Messgeräten Multistandard-Testlösungen im kleinstmöglichen Formfaktor, die ein Maximum an parallelen Test ermöglichen und zugleich einen Frequenzbereich von 0 Hz (DC) bis zu einigen Hundert Gigahertz ab­decken. Elektromechanische Relais schränken in zunehmendem Maße die Arbeit von Entwicklern ein. Zurückzuführen ist dies auf kleine Bandbreiten, eingeschränkte Betätigungslebensdauer, limitierte Anzahl von Kanälen sowie große Gehäuseabmessungen.

MEMS-Schalter (Mikroelektromechanische Schalter) können die Innovation liefern, die nötig ist, um herkömmliche Relais abzulösen und die Industrie auf die nächste Stufe zu bringen. Mit einer eigenen MEMS-Schalterfertigung auf dem neusten Stand der Technik liefert Analog Devices in Massenstückzahlen gefertigte, hochleistungsfähige, schnelle, mechanisch haltbare und gegenüber elektrostatischen Entladungen (ESD) geschützte MEMS-Schalter, die nur wenig Leistung aufnehmen und sich in Gehäusen mit kleinem Formfaktor befinden.

MEMS-Schaltertechnologie

Das Wesentliche an der MEMS-Schaltertechnologie von Analog Devices ist das Konzept eines elektrostatisch betätigten, mikromechanisch hergestellten, frei beweglichen Schaltelements (Cantilever Beam) aus Gold. Den MEMS-Schalter kann man sich als mechanisches Relais im Mikrometermaßstab vorstellen, dessen Metallkontakte über eine hohe Gleichspannung elektrostatisch betätigt werden. Bild 1 zeigt einen vergrößerten MEMS-Schalter mit seinen Schaltzungen. Deutlich zu sehen sind die fünf parallelen Kontakte und die Gelenkstruktur mit Luftspalten im hinteren Teil der Grafik. Dieses Schaltdesign wird im SP4T-MEMS-Schalter ADGM1304 sowie im verbesserten ESD-geschützten SP4T-Schalter ADGM1004 verwendet (SP4T: Single-Pole, Four-Throw bzw. 1-auf-4-Wechselschalter).

Ein zu den MEMS-Schaltern passender Treiber-IC wurde von ADI entwickelt, um die hohe Gleichspannung zum Betätigen des Schalters zu erzeugen. Der IC garantiert schnelle und zuverlässige Betätigungen sowie lange Lebenszyklen und vereinfacht die Anwendung des Bausteins. Bild 2 zeigt MEMS-Die und Treiber-IC in einem sehr kleinen QFN-Gehäuse für SMD-Bestückung. Der im Gehäuse verbaute Treiber nimmt mit typisch 10 mW nur wenig Leistung auf. Das ist zehn Mal weniger als die typischen Treiberanforderungen für HF-Relais.