Глава 1. Микросистемы

Таблица 1.5. Структурные полимеры и технологические процессы изготовления микросистем на их основе

LIGA литография, гальванопластика, литье

Для микроустройств были разработаны порошковые композиции на основе функциональных полимеров, обладаюш;ие магнитными и

1.6. Материалы для микросистем

магнитострикционными свойствами. Например, полимерная композиция Terfenol D обладает отличной магнитострикцией и может использоваться для построения микроприводов (Ruiz de Angulo, Abell, Harris, 1996). A композиции на основе пааиимида и феррита могут применяться как полимерные магниты в магнитных микроприводах (Lagorce, Allen, 1996).

Таблица 1.6. Функциональные полимеры, используемые в микросистемах

* - Pelrine et al, 1997

На основе полимеров можно реализовывать не только датчики и приводы, но и электронные компоненты. Уже разработаны полимерные транзисторы. Поэтому в ближайшем будущем будут построены интегрированные полимерные микросистемы, включающих в себя датчики, приводы и электронные схемы.

1.6.3. Другие материалы

Керамика является другой большой группой материалов, применяемых в микросистемах. В полупроводниковых устройствах и кремниевых микросистемах широко используются тонкие пленки из ЗЮг и SiN4. В некоторых микросистемах применяются толстые керамические пленки и 3D структуры. Например, были разработаны керамические датчики давления, способные работать при высоких температурах (Jennifer, Allen, 1999), а также микросистемы на основе карбида кремния, для которых не страшны суровые окружающие условия (Clun, Varadan, Varadan, 1994) и т. д. Есть примеры применения в микросистемах и других функциональных керамических материалов, таких как ZnO, PZT и т. д. Для производства микросистем на основе керамических материалов используются следующие методы: трафаретная печать, ламинирование, литье, микростерео-литография и золь-гелиевая технология.

4 - 10482

Глава 1. Микросистемы

1.7. Краткий обзор книги

Ключом к успеху нового поколения высокочастотных микросистем является бурное развитие микротехнологий. Существует два подхода к изготовлению кремниевых микросистемных устройств: объемная и поверхностная технология обработки кремния. Оба эти подхода в разных ситуациях могут использоваться и в ВЧ, и СВЧ системах. Помимо технологий, основанных на обработке кремния, недавно были предложены методы построения микросистем на базе полимеров. В главе 2 описаны методы изготовления микросистем и материалы используемые в них.

Одним из самых ранних применений микросистем были СВЧ ключи, обладающие высокой линейностью, низкой потребляемой мощностью в режиме ожидания и малыми вносимыми потерями. Такие ключи строились по поверхностной технологии обработки кремния. В главе 3 приведено несколько вариантов ВЧ ключей. В этой главе также представлены способы уменьшения напряжения срабатывания, разработке которых в последние годы уделяется много внимания.

Другими примерами микросистем, работающих в области ВЧ техники, являются микроиндукторы и переменные микроконденсаторы, которые заменяют используемые ранее для настройки варак-торы. В главе 4 рассмотрено несколько моделей микроиндукторов, обладающих высокой добротностью. Достоинством микроконденсаторов является их совместимость с остальными компонентами электронных схем, что позволяет на их основе изготавливать полностью интегрированные системы.

В радарах и системах связи требуется применение фильтров, обладающих высокой добротностью. На низких частотах используются объемные механические фильтры. Их принцип действия реализован в микроустройствах, работающих на высоких частотах. Такие микроустройства изучаются в главе 5. Они могут быть использованы на частотах до десятков МГц, и при соответствующем монтаже их добротность может составлять несколько тысяч. Технологические ограничения не позволяют изготовить микромеханические фильтры для частот более 100 МГц. Однако технология, использующая поверхностные акустические волны (ПАВ), дает возможность перескочить этот рубеж и построить фильтры и резонаторы, работающие до частот 2 ГГц и обладающие высокой добротностью. Современный технологический уровень позволяет реализовать такие фильтры в виде планарных устройств. В ВЧ и СВЧ диапазоне такие фильтры, построенные на тонкой диэлектрической мембране,

Ж

Литература

обладают низкими потерями. Их можно использовать в недорогих, компактных, высокопроизводительных монолитных интегрированных СВЧ схемах. Несколько примеров таких устройств также приведены в пятой главе.

В главе 6 дано описание фазовращателей. Они основаны либо на подключении секций линий передач различной длины при помощи микропереключателей, расположенных между ними, либо на использовании распределенной вдоль линии передач линейки конденсаторов. Здесь также рассматривается способ создания таких линий на базе полимеров. В дополнение к этому в шестой главе рассмотрены новейшие фазовращатели, использующие нелинейность диэлектрических характеристик ферроэлектрических материалов, таких как титанат стронций бария.

Седьмая глава посвящена способам улучшения рабочих характеристик ВЧ и СВЧ линий передач и других компонентов. Здесь также приведены несколько примеров ВЧ устройств, работающих в разных частотных режимах.

В восьмой главе описывается технология изготовления микроантенн. Приведенные примеры показывают, как можно улучшить рабочие характеристики полосковых микроантенн. Здесь также приведены способы построения антенн с перестраиваемыми характеристиками излучения. Без применения микротехнологий невозможно изготовление антенн, работающих в области очень высоких частот, поскольку в этих случаях размеры рупорных и других видов антенн становятся такими маленькими, что их нельзя реализовать традиционными методами.

Для любых микросистем очень важны вопросы сборки и монтажа. Немногие ВЧ микросистемы достигли технологического совершенства, поскольку до сих пор разработано мало способов их монтажа. В главе 9 описано, как можно адаптировать некоторые методы, применяемые при изготовлении микроэлектронных приборов, к ВЧ микросистемам.

Литература

Aeidel. Н., 1994. The mechanism of anisotropic silicon etching process for microelec-tromechanical structures*. Sensors and Actuators, A, 40. pp. 63-70.

Ahn, C.H., Allen, M.G., 1998. Micromachined planar inductors on silicon wafers for MEMS applications*. IEEE Transactions on Industrial Electronics 45(6): 866-876.

Armani, D., Liu, C, Alum. N., 1999, Re-configurable fluid circuits by PDMS elastomer micromachining , in Proceedings of IEEE MEMS 99. IEEE. Washington. DC: 222-227.

Л

Goldsmith, C.L., Eshelman, S., Dennston, D., 1998, (.Performance of low loss RF MEMS capacitive switches*, IEEE Microwave and Guided Wave Letters 8: 269-271.

Grate, J.W., Martin, S.J., White, R.M., 1993, <(Acoustic wave microsensors. Part I*,

Analytical Chemistry 65: 940-948. Grate, J.W., Martin, S.J., White, R.M., 1993, <.Acoustic wave microsensors. Part II*,

Analytical Chemistry 65: 987-996. Grosjean, C, Yang, X., Tai, Y.C., 1999, A practical thermopneumatic valve*, in

Proceedings of IEEE MEMS 99, IEEE, Washington, DC: 147-152. Guckel, H., 1998, <.High-aspect-ratio micromachining via deep X-ray lithography*,

Proceedings of the IEEE 86(8): 1586-1593. Harada, K., Ikeda, K., Kuwayama, H., Murayama, H., 1999. (.Various applications of

resonant pressure sensor chip based on 3-D micromachining* Лпом and Actuators

A: Ph\sical 73: 261-266. Heydt, R., Kornbluh, R., Pelrine, R., Mason, V.. 1998, Design and performance of

an electrostrictive-polymer-film acoustic actuator*, Journal of Sound and Vihration

215: 297-311.

Нот, C.L., Pilgrim, S.M., Shankar. N.. Bridger. K., Massuda, M.. Winzer. S.R., 1994, (.Calculation of quasi-static electromechanical coupling coefficients for elec-trostrictive ceramic materials*, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency control 41: 542-551.

Honda, Т., Aral, K.I., Yamaguchi, M., 1997, Basic properties of magnetostrictive actuators using Tb-Fe and Sm-Fe thin films*, lEICE Transactions on Electronics E80-C(2): 232-238.

Huang. Q.A.. Lee, N.K.S., 1999, (.Analysis and design of polysilicon thermal flexure actuator . Journal of Micromechanics and Microengineering 9: 64-70.

Ikeda, K., Kuwayama, H., Kobayashi, Т., Watanabe. Т., Nishikawa, Т.. Yoshida. Т., Harada, K., 1990, (.Silicon pressure sensor integrates resonant strain gauge on diaphragm*, Sensors and Actuators A: Physical 21-23: 146-150.

Ikuta. K., Hirowatari, K., 1993, (.Real three dimensional microfabrication using stereo lithography and metal molding*, in Proceedings of IEEE MEMS 93, IEEE. Washington, DC: 42-47.

Jennifer, M., Allen, M.G., 1999, (.Wireless mieromaehined ceramic pressure sensors*, Proceedings of the IEEE Micro Electro Mechanical S\siems (MEMS) (17-21 Jan) 511-516.

Jiang, X.N., Sun, C, Zhang, X., 1999, Micro-stereolithography of 3D complex ceramic microstruc-tures and PZT thiek films on Si substrate*, ASME MEMS 1. 67-73.

Johnson, R.A., 1983, Mechanical Filters in Electronics. Wiley Interscience, New York.

Karl, W.J., Powell, A.L., Watts. R., Gibbs, M.R.J., Whitehouse, C.R., 2000, А mi-cromachijied magnetostrictive pressure sensor using magneto-optical interrogation*, Sensors and Actuators A: Physical 81: 137-141.

Kondoh, J., Matsui, Y., Shiokawa, S., 1993, New bio sensor using shear horizontal surface acoustic wave device*, Japanese Journal of Applied Physics 32: 2376-2379.

Kovaes. G.T.A., Maluf, N.I., Petersen, K.E., 1998, Bulk micromachining of silicon*, Proceedings of the IEEE 86(8); 1536-1551.

Ко, W.H., Suminto, J.T., Yeh, G.J., 1985, (.Bonding techniques for microsensors*, Studies in Electrical and Electronic Engineering 20: 41-61.

Lagorce, L.K., Allen, M.G., 1996, Mieromaehined Polymer Magnets, ISAE 96: Proceedings of IEEE Microelectromechanieal Systems (MEMS). IEEE 85-90.

Ayerdi, I., Castano. E., Garcia-AIonso. A., Gracia. J., 1997, High-temperature ceramic pressure sensor , Sensors and Actuators A: Physical 60: 72-75.

Becker, H., Heim, U., 1999, <(Silicon as tool material for polymer hot embossing , in Proceedings of IEEE MEMS 99, IEEE, Washington, DC: 228-231.

Bertsch, A., Lorenz, H., Renaud, P., 1998, (.Combining microstereolithography and thick resist UV lithography for 3D microfabrication , in Proceedings of IEEE MEMS 98, IEEE, Washington, DC: 18-23.

Body, C. Rcyne, G., Meunier, G., 1997, Modeling of magnetostrictive thin films, application to a micromembrane , Journal of Physique (France) Part III 7(1): 67-85.

Bohm, S., Olthuis, W., Bergveld, P., 1999, A plastic micropump constructed with conventional techniques and materials , Sensors and Actuators A: Phvsical 773: 223-228.

Brown, E.R., 1998, RE MEMS switches for reconfigurable integrated circuits. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 46: 1868-1880.

Bryzek, Peterson, K., McCulley, W., 1994, Micromachines on the march , IEEE Spectrum (May) 20-31.

Bustillo, J.M., Howe, R.T., Muller, R.S., 1998, Surface micromachining for micro-eleclromechanical systems*, Proceedings of the IEEE 86(8): 1552-1574.

Campbell, C, 1998, Surface Acoustic Wave Devices and their Signal Processing Applications, Academic Press, London.

Carraway, D.L., 1991, The use of silicon microsensors in smart skins for aerodynamic research*, in International Congress on Instrumentation in Aerospace Simulation Facilities. (December): IEEE, 413-422.

Chen, J., Gururaja, T.R., 1997, DC-biased lectrostrictive materials and transducers for medical imaging , in IEEE Ultrasonics Symposium 1997, IEEE, Washington, DC: 1651-1658.

Chin, L.C., Varadan, V.V., Varadan, V.K., 1994, <(Hybrid finite element formulation for periodic piezoelectric arrays subjected to fluid loading*. International Journal for Numerical Methods in Engineering 37: 2987-3003.

Cohen, A., Zhang, G., Tseng, P., Prodis, U., Mansfeld, P., Will, P., 1999, ЕРАВ: rapid, low-cost desktop micromachining of high aspect ratio true 3-D MEMS , in Proceedings of IEEE MEMS 99, IEEE, Washington, DC: 244-251.

Crandall, S.H., Karnopp, D.C., Kurtz, E.F. Jr., Pridmore-Brown, D.C., 1968, Dynamics of Mechanical and Electromechanical Systems, McGraw-Hill, New York.

Elwenspoek, M., Blom, F.R., Bouwstra, S., Lammerink, T.S.J., van de Pol. F.C.M., Tilmans, H.A.C., Popma, T.J.A., Fluitman, J.H.J., 1989, ((Transduction mechanisms and their applications in micromechanical devices*, in Proceedings of IEEE Micro Electro Mechanical Systems, 7959, IEEE, Washington, DC: 126-132.

Fan, L.-S., Tai, Y.-C, Muller, R.S., 1987, Pin joints, gears, springs, cranks and other novel micromechanical structures*, in Tech Digest of 4th International Conference Solid State Sensors and Actuators A: Physical, June, Tokyo: 849-852.

Fatikow, S., Rembold, U., 1997, Microsystem technology and microrobots, Springer. Berlin.

Prank, Т., 1998, <Two-axis electrodynamic micropositioning devices*. Journal of Micromechanics and Microengineering 8: 114-118.

Fujita, H., 1996, Future of actuators and microsystems*, Sensors and Actuators A: Physical 56: 105-111. Fujita, H., 1998, Microactuators and micromachines*, Proceedings of the IEEE

86(8): 1721-1732.