верхний электрод

область р-типа область п-типа алюминий

Si-nitride слой нитрида кремния

выходной сигнал слой диоксида кремния и нитрида кремния 1 -ый и 2-ой слои из р-легированного поликремния ЕЭ 3-ий слой из

р-легированного поликремния

Рис. 3.15. Консольная конструкция переключателя с двумя опорами. 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, Pis-cataway, NJ, USA:235-254 с разрешения IEEE(c)1997 IEEE

Как только приложенная сила достигает порогового значения срабатывания, что происходит, когда электростатические силы становятся больше сил упругости, консоль резко падает на нижний электрод, замыкая при этом электрические контакты (рис. 3.16 а). Консоль возвращается в исходное положение после того, как приложенное напряжение станет ниже порогового значения размыкания контактов, которое обычно бывает много ниже напряжения срабатывания. Такое гистерезисное поведение характерно для всех микропереключателей (Brown, 1998, Zavracky, Morrison, 1984).

Отклонение конца балки 5 может быть описано уравнением (3.3) (Hyman et al, 1999а).

Е ШЗ (-

где Ж, L и i - ширина, длина и толщина балки, Е - модуль Юнга, и - коэффициент Пуассона, а - электростатическая сила.

устройство для электрод верхнего восстанавливающая пружина верхний эпеетрод крепления контакта контакта

-\ , N

углубление контакта -

нижний электрод электрод нижнего контакта

Рис. 3.16. а - Схематичное изображение разомкнутого и замкнутого ключа. Сила, действующая на контакт, возникает из-за изгиба свободного конца балки, определяемого высотой углубления . на контакте. Обычная толщина пленки 1-2мкм, а ширина зазо-2 мкм; б - Эквивалентная механическая модель, в которой д~ зазор между электродами, К - модуль упругости, V - на-; i пряжение. Рисунок (а) взят из книги D. Hyman, М. Mehregany, . 1999, ((Contact physics of gold microcontacts for MEMS switch-

1 Transactions on Componenets and Packaging Technology

22(3): 357-364 с разрешения IEEE(c)1999IEEE

Эквивалентная схема консольного переключателя, показанная на рис. 3.16 6, представляет собой ключ в виде конденсатора, у которого одна из параллельных пластин подвешена при помощи идеальной линейной пружины над второй фиксированной и заземленной пластиной. Такая система имеет только одну степень свободы - расстояние между верхней подвижной пластиной и нижней закреп-

Krieger, 1987). Эквивалентная схема, показанная на рис. 3.16 6, помогает понять принцип действия электростатических микропереключателей. Металлические части переключателя висят над нижним металлическим электродом, образуя конденсатор с двумя параллельными пластинами. При подаче напряжения смещения между верхним и нижним электродами происходит перерах;пределение зарядов, приводящее к появлению электростатических сил между металлическими поверхностями. Эти силы, вне зависимости от полярности приложенного напряжения, заставляют свободно подвешенный контакт двигаться по направлению к нижнему электроду. Поскольку консоль начинает прогибаться, в ней возникают силы упругости, направленные в противоположных направлениях.

(3.4)

где £о - диэлектрическая проницаемость внутри зазора между пластинами, А - эффективная площадь пластин конденсатора, д - расстояние между пластинами. Когда напряжение достигает порогового значения срабатывания, пластины касаются друг друга. Электростатическим силам противодействуют силы отталкивания, вызываемые сжатием нижних слоев консоли, которые определяются следующим выражением: /9{-д), где / - удельная сила сжатия, в - единичная функция. Используя закон Гука, силу упругости пружины, направленную вверх, можно записать в виде: К{да -д), до - зазор без сжатия. Размер зазора может быть определен из уравнения баланса сил, вызванных приложенным напряжением, которое можно записать в виде:

Е^-/в{-д)-К{до~д) = 0.

(3.5)

Коэффициент упругости балки, имеющей две опоры (рис. 3.15), можно записать в виде:

К = lEW ( -

(3.6)

где Е - модуль Юнга, W, L, t - ширина, длина и толщина балки. На рис. 3.17 представлены зависимости результирующей силы (суммы электростатических сил и сил сжатия) от величины зазора, посчитанные при W = 100мкм, t = 0.5мкм, Е = 8 х 10* н/м^ (золото), для разных значений приложенного напряжения (сплошные линии) при следующих исходных данных А = А х 10 мкм^, К = 0.25 Н/м. В рассматриваемом случае предполагается, что исходная величина зазора составляет 4 мкм, а на верхнюю часть нижнего электрода нанесен 0.2 мкм слой 81зМ4. Пунктирная линия соответствует зависимости силы упругости от величины зазора.

Без подачи напряжения консольный ключ обладает высоким импедансом из-за воздушного зазора между верхней и нижней метал-

лической пластинами. Поскольку ВЧ переключатели имеют емкостную природу, для работы им не требуется непрерывная подача постоянного тока. Для перевода переключателей во включенное или отключенное состояние необходима электростатическая энергия, равная 0.5СУ2. В общем случае, независимо от типа консольного ключа его переключательные характеристики определяются, в основном, емкостью и приложенным напряжением. Поэтому рассеиваемую мопщость можно оценить при помопщ выражения: 0.5CVfs, где fs - скорость переключения. Для переключателя, рассмотренного выше, нижнее значение емкости равно 13 пФ. При напряжении смещения ключа в замкнутом состоянии 4В и частоте переключения 10 кГц рассеиваемая мощность будет равна 1мкВт.

зазор, мкм

Рис. 3.17. График зависимостей результирующей силы от величины зазо-I . ра при разных напряжениях для переключателя мостового ти-

па. Репродукция из книги E.R, Brown, 1998, RF-MEMS switches for reconfigurable internal integrated circuits*, lEEETransactions on Microwave Theory and techniques 41: 1323-1328 с разрешения IEEE(c)1998 IEEE

Благодаря низкому уровню рассеиваемой энергии и небольшому току смещения, в ВЧ микропереключателях довольно легко обеспечивается изоляция ВЧ тракта от управляющих цепей. Здесь изоляция может быть выполнена при помощи резисторов, тогда как в традиционных твердотельных ключах, для которых необходим гораздо

ленной пластиной. Константа упругости К определяется модулем Юнга и коэффициентом Пуассона верхней пластины и остаточным напряжением внутри конструкции переключателя. Приложенное напряжение V приводит к Возникновению электростатических сил, действующих на верхнюю пластину, задаваемых соотношением:

Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле

больший ток смещения, для развязки используются индукторы, поскольку применение резисторов привело бы к падению напряжения и повышению потребляемой мощности. По сравнению с индукторами чип-резисторы имеют гораздо меньшие размеры и стоимость, к тому же их можно изготавливать на одной кремниевой подложке с ВЧ микропереключателями, т. е. получать монолитную структуру.

До сих пор рассматривались только физические принципы работы микроперключателей и игнорировались практические трудности, связанные с такими явлениями, как напряжение в материале и залипание между верхним и нижним электродами. В мостовых переключателях механическое напряжение определяется, в основном, растяжением, которое составляет порядка 10 Па. Это напряжение меняет константу упругости материала и, вследствие этого, увеличивает пороговое напряжение. Залипание - это нежелательная связь между верхним и нижним электродами, возникающая за счет действия микроскопических сил на поверхности электродов, имеющих плоскую форму. Этот эффект сильно зависит от морфологии поверхности. Проблема залипания стоит особенно остро для ключей с металлическими контактами.

Одним из критичных моментов электромеханических микропереключателей является их скорость переключения. Механические ключи всегда имеют меньшее быстродействие, чем электронные, их скорость переключения лежит в диапазоне от микросекунд до миллисекунд в зависимости от материала и конструкции. Ключи, использующие мембрану небольшого веса, являются более быстродействующими по сравнению с консольными переключателями.

Когда приложенное напряжение достигает пороговое значение, консольная конструкция падает на нижний электрод, переводя ключ во включенное состояние. При уменьшении напряжения консоль возвращается в исходное состояние, что соответствует размыканию ключа, но это происходит при меньшем напряжении, чем напряжение срабатывания, т. е. в системе появляется гистерезис. На рис. 3.18 показан график изменения зазора в зависимости'от приложенного напряжения к консольному переключателю (Schiele et al, 1998). Нижний уровень напряжения срабатывания рассматриваемого консольного ключа составляет порядка 20 В при токе 50 нА, что объясняется утечками в системе. Следовательно, потребляемая мощность в этом случае равна 1 мкВт.

В работе (Zavracky, Majumdar, McGruer, 1997) было показано, что от гистерезиса можно избавиться, если механические микро-

3.5. Исполнительные механизмы микросистем

переключатели изготавливать по четырехуровневой поверхностной технологии с нанесением никеля гальваническим способом. Такие устройства могут иметь три вывода: исток, сток и затвор с 30 мкм шириной, 1 мкм толщиной и 65 мкм длиной. Основание балки консоли прикрепляется к истоку, как показано на рис. 3.19. Сама балка нависает над затвором и истоком. На конце балки, находящейся над истоком, формируется небольшой контактный выступ. Напряжение прикладывается к электроду затвора, возникающие при этом электростатические силы заставляют балку опуститься, замыкая при этом ключ. При снятии напряжения с затвора восстанавливающая сила возвращает балку в исходное положение. В случае рассматриваемого ключа, если контакты касаются стока до того, как балка достигает точки потери стабильности, пороговые напряжения при включении и выключении будут равны. Если же конструкция ключа позволяет балке переходить точку потери стабильности, ключ защелкивается и не открывается до тех пор пока приложенное напряжение не станет ниже порогового напряжения выключения, т.е. появляется гистерезис. Такие ключи могут быть почти всегда отрегулированы на работу без гистерезиса, потому что пороговое напряжение в них является функцией от геометрических размеров балки и поэтому легко подстраивается.

20 40

напряжение, В

Рис. 3.18. Зависимость изменения размеров зазора от приложенного напряжения, измеренная при увеличении и уменьшении напряжения. Репродукция из книги I. Schiele, J. Huber, В. Hillerich, F.Kozlowsky, 1998, Surface micromachined electrostatic micro relays. Sensors and Actuators A 66: 345-354 с разрешения Elsevier Science, ©1998 Elsevier Science