2жя с,

Микропереключатели можно разделить на 4 группы:

(1) последовательный консольный переключатель,

(2) параллельный консольный переключатель.

(3) мембранный переключатель,

(4) перерслючатель с ртутными контактами.

1000

микропереключатели

□ GaAs монолитные СВЧ переключатели

□ механические ключи

□ диодные к.иючи

стоимость, $

мощность, мВт

потери, дБ

Рис. 3.12. Сравнение микропереключателей и некоторых популярных ВЧ ключей по стоимости, потребляемой мощности и потерям

3.4.5. Интеграция ВЧ ключей в устройства связи и обеспечение изоляции линий

Широкое распространение микропереключателей не может не отразиться на архитектуре современных систем связи. Внедрение технологии изготовления ВЧ ключей в беспроводные системы связи значительно улучшает их переключательные и фильтрационные возможности, что позволяет обычному мобильному телефону иметь коэффициент развязки на уровне 60 дБ, а вносимые потери - 0.3 дБ. К тому же, благодаря использованию ВЧ микропереключателей в устройствах связи, резко снижается уровень перекрестных искажений и повышается динамический диапазон.

Для осуществления операции включения/выключения на большинство переключателей требуется подать управляющее напряжение смещения. При этом линии подачи управляющего напряжения должны быть хорошо изолированы от линий ВЧ сигнала. На практике, как правило, напряжение смещения подается на ключ через ВЧ дроссель, блокирующий ВЧ сигнал. Для ключевых элементов с тремя выводами, таких как полевые транзисторы, вопросы разделения сигналов не стоят очень остро. Тогда как при разработке электро-

реключатели по стоимости, потребляемой мощности и вносимым потерям.

Таблица 3.1. Сравнение ВЧ ключей и микропереключателей

Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле

статических микропереключателей необходимо тщательно продумывать топологию схемы для обеспечения надежной изоляции ВЧ и управляющих линий друг от друга. Попадание постоянного напряжения смещения в ВЧ тракт может привести к выходу из строя ВЧ устройств и тестирующих систем. В таких устройствах необходимо ставить элементы, блокирующие сигналы постоянного напряжения в ВЧ линиях. Такая блокировка, как правило, предусмотрена во всех промышленных коммутационных устройствах. Защита от постоянного напряжения может быть также реализована при помощи спаренных линий.

Практические вопросы объединения и монтажа ВЧ микросистем и компонентов, изготовленных по традиционной технологии, будут обсуждаться в девятой главе.

3.5. Исполнительные механизмы микросистем

Прогресс в микро- и нанотехнологиях сказался и на развитии микросистем. Электромеханическими микросистемами до последнего времени считались миниатюрные устройства или комбинированные наборы электрических и механических компонентов, изготовленные по технологиям производства ИС (Bryzek, Petersen, Мс-Culley, 1994). Основным преимуществом микросистем является возможность быстрого тиражирования и массового производства. Все технологии: и самые ранние, такие как объемные технологии обработки кремния, и более поздние, такие как LIGA, применяемые при изготовлении микросистем, имеют свои недостатки, и свои достоинства. Поскольку ВЧ микросистемы находятся на стадии бурного развития, рано составлять классификацию ВЧ микроустройств. Инженер-разработчик всегда четко разграничивает функциональность внутренних элементов ВЧ микросистем. В высокочастотных схемах микропереключатели могут использоваться либо для замены ключей на биполярных или полевых транзисторах, либо для перенаправления ВЧ сигнала между различными линиями .передач. При разработке ВЧ систем никогда нельзя забывать о реактивных элементах: индуктивностях и емкостях, поскольку каждый из них играет важную роль в ВЧ схемах. Исполнительные и управляющие цепи не должны нагружать основную схему, а сигналы постоянного напряжения необходимо надежно изолировать от ВЧ тракта.

Принцип действия исполнительного механизма ключей может быть электростатическим, магнитным или электромагнитным, и

каждый из указанных принципов имеет свои достоинства и недостатки. Преимущество электростатических исполнительных механизмов заключается в отсутствии потребления тока, а недостаток - в высоком напряжении срабатывания, обычно 5... 100 В. Достоинство электромагнитных механизмов - более низкое напряжение срабатывания, но при высоком потреблении тока. Электростатические ключи применяются в системах, для которых важным является низкая потребляемая мощность.

3.5.1. Электростатические исполнительные механизмы

3.5.1.1. Последовательные контактные переключатели Впервые мир заговорил о кремнии в начале восьмидесятых годов двадцатого века, когда благодаря нему произошла настоящая революция в сфере технологий производства ИС. Позже кремний стал использоваться для изготовления прецизионных миниатюрных механических систем, В конце 1970-ых годов Petersen (1978, 1979) разработал новый класс механических мембранных микропереключателей, реализованных на подложке из кремния. Такие электростатические микропереключатели могли работать с низкочастотным электрическим сигналом, и их характеристики представляли собой нечто среднее между параметрами электромагнитных реле и традиционных ключей на кремниевых транзисторах. Электростатические микропереключатели - очень маленькие устройства, обычно не превышающие 100 мкм в длину, управляемые при помощи электростатических полей. В их состав входит тонкая (0.35 мкм) покрытая металлом диэлектрическая мембрана, прикрепленная к кремниевой подложке, нависающая над небольшим прямоугольным углублением. Углубление выполняется методом строго контролируемого вытравливания кремния из-под осажденной диэлектрической пленки.

Совместимость таких ключей с традиционными кремниевыми ИС привела к дальнейшему их совершенствованию. Современные последовс35тельные микропереключатели обладают в СВЧ диапазоне более хорошими характеристиками и бывают консольными (Bozler et al, 2000, Chang, Chang, 2000, Hyman et al, 1999a, 1999b, Larson, Hackett, Melendes, 1991, McNie et al, 2000, Pacheco, Nguyen, Katehi, 1998, Park et al, 2000, Randal at al, 1996, Shen, Feng, 1999, Tangonan et al, 1999, Yao, Chang, 1995, Zavracky, Majumdar, McGruer, 1997, Za-vracky et al, 1999), емкостными (Brown, 1998, Goldsmith et al, 1998, Majumdar et al, 1997, Muldavin, Rebeiz, 2000a, 2000b, Pacheto, Katehi,

Nguyen, 2000, Pacheto, Peroulis, Katehi, 2001, Park et al, 2001, Poltz et al, 2001, Rizk et al, 2001, Santos et al, 1997, Sovero et al, 1999, Ulm et al, 2000, Yao et al, 1997) и мембранными (Goldsmith et al, 1995, 1996, 2001, Hiltmann et al, 1997, Muldavin, Rebeiz, 1999, Tan, Rebeiz, 2001, Yao et al, 1999). Было показано, что наличие во всех перечисленных переключателях подвижного металлического контакта не приводит к появлению больших паразитных наводок в СВЧ диапазоне, и что резистивные ключи обладают низким импедансом в замкнутом состоянии, а емкостные - высоким емкостным импедансом в разомкнутом состоянии.

.Ж-1Ц

1?Л-. Ь вход

-у выхо ij Hi

плоскость / плоскость

плоскость

подложки/ металлической / подложки пластины

Рис. 3.13. Консольный ключ в линии передач. Репродукция из книги L.E.

Larson, R.H. Hackett, М.А. Melendes, R.F. Lohr, 1991, Microactu-ators for GaAs based microwave integrated circuits.), IEEE Transducers on Solid State Sensord and Actuators, IEEE, Piscataway, NJ, USA: 743-746 с разрешения IEEE(c)1991 IEEE

Последовательные ключи имеют очень низкий уровень потерь, низкое напряжение срабатывания, а при работе с небольшими сигналами обладают высокой линейностью рабочих характеристик. Используя такой подход, можно разработать переключатель с изги-баюш;ейся балкой, обладаюш;ий в замкнутом состоянии импедансом порядка 50 Ом в широком частотном диапазоне, а'в разомкнутом состоянии - практически бесконечным импедансом. Были представлены новые варианты архитектур микропереключателей. Очень интересен вариант переключателя со структурой воздушного моста. Суш;ествуют две обилие формы электростатических переключателей: с резистивным соединением (металл-металл) для получения омического контакта и с емкостным соединением (металл-диэлектрик - металл), в котором используется отношение емкостей во вклю-

анкер

выходной сигнал

входной сигнал

Рис. 3.14. Консольный ключ с включаюпщм электродом. Репродукция из книги Н. J. De los Santos, Y.-H. Као, A.L. Caigoy, D.Dirmars, 1997, Microwave and mechanical considerations in the design of MEM switches for aerospace applications.), Proceedings of the IEEE Aerospace Conference, Aspen, CO, Volume 3, IEEE, Piscataway, NJ, USA:235-254 с разрсшения IEEE(c)1997 IEEE

В обоих вариантах приложенное управляюш;ее напряжение заставляет металлическую пластину опускаться вниз для замыкания линии передач. В переключателе мостового типа или консольной конструкции с двумя опорами, показанной на рис. 3.15, тонкая металлическая мембрана имеет свободное пространство посередине.

Консольные переключатели имеют в своем составе два важных механических элемента, обеспечивающих работоспособность всего устройства. Первый - тонкая балка, закрепленная в анкере слева от нижнего электрода, используемого для подачи управляющего напряжения (рис. 3.16). Второй важный элемент - широкая консоль, подвешенная над электродом, направленная к ВЧ линии передач.

Силы, действующие на металлические контакты, определяются условиями на границе электрода и величиной отклонения консоли. Механизм срабатывания микропереключателей может быть описан уравнениями механики для изгибающейся балки (Timoshenko,

ченном и выключенном состоянии. Каждый из этих типов переключателей имеет свои достоинства и свои недостатки. Подробный анализ каждой из этих топологий представлен в предыдуш;их разделах.

Консольная структура состоит из тонкой металлической пластины, зафиксированной на одном конце и свободно нависаюш;ей над металлической линией передач на расстоянии несколько микрон. Консоль может быть соединена последовательно с линией передач, как это показано на рис. 3.13, или металлический контакт может располагаться сверху линии передач, как на рис. 3.14. Между линией передач и фиксированным концом консоли находится металлический электрод, выполняюш;ий роль тянуш;его вниз механизма.