т

Рис. 3.19. Фотография микропереключателя, сделанная на сканирующем электронном микроскопе. Репродукция из книги P.M. Zavracky, i:! S. Majumdar, N. McGruer, 1997, MicromechanicaI switches fabri-cated using nickel surface micromachining . Journal of Microelectromechanieal systems 6(1): 3-9 с разрешения IEEE(c)1997 IEEE

3.5.1.2. Параллельные емкостные переключатели Последовательные ключи имеют, как правило, металлические контакты и поэтому обладают малыми вносимыми потерями и отличной линейностью. Для многих практических применений важно, чтобы у переключателя были минимальные вносимые потери и низкое рабочее напряжение. Чем выше вносимые потери, тем больше потребление энергии, и тем хуже коэффициент шума системы. Ключи с металлическими мембранами имеют небольшие вносимые потери, уровни напряжения переключения, совместимые с твердотельными переключателями, высокую скорость переключения и хорошую линейность (Goldsmith et al, 1995).

На рис. 3.20 показан мембранный переключатель. Входной ВЧ сигнал подается через внутренний соединительный элемент на верхнюю часть мембраны. Выходная линия, расположенная под мембраной, крепится при помощи тонкой металлической полоски.

На рис. 3.20 б показан вид мембранного переключателя сверху. Когда на управляющий электрод подается напряжение, электростатические силы заставляют мембрану опускаться вниз. При достаточном напряжении мембрана сильно деформируется и входит в контакт с нижней линией передач, замыкая два полюса, как показано на рис. 3.20 в. Коэффициент развязки ключа в разомкнутом состоянии определяется величиной паразитной емкости между мембраной в верхнем положении и нижней линией передач. Развязка между входом/выходом может быть улучшена при помощи допол-

нительного диэлектрического слоя, нанесенного на линию передач, который одновременно с этим снижает залипание между контактами.

соединительный элемент -t ч разомкнут

выход

углубленный электрод (а)

V соединительный элемент

мембрана

выход

выход

угаубленный электрод (в)

. Простой однофазный однонаправленный мембранный переключатель. Репродукция из книги С. Goldsmith, Н.Т. Lin, В. Powers, W.R. Wu, В. Norwell, 1995, Micromachined membrane switches for microwave applications!). Proceedings of IEEE Microwave Theory and Technology Symposium, 1995, IEEE, Piscataway, NJ, USA: 91-94 с разрешения IEEE, ©1995 IEEE

Как показано на рис. 3.21, в состав модернизированного ключа входит диэлектрический слой толщиной 1000 А из нитрида кремния или STO (оксида титаната стронция). Без подачи напряжения ключ обладает высоким импедансом, благодаря воздушному зазору между нижней и верхней металлическими пластинами. При подаче напряжения электростатические силы заставляют мембрану отклоняться вниз, и когда разность потенциалов достигает порогового значения, мембрана занимает положение, показанное на рис. 3.216. В этом положении мембрана лежит прямо на диэлектрическом слое, и между ВЧ сигналом и нижней линией передач образуется емкост-

нал связь. Эта емкостная связь переводит ключ в состояние с низким импедансом между верхним и нижним электродами. Отношение импеданса в выключенном и включенном состояниях прямо пропорционально отношению емкостей во включенном и отключенном состояниях. Тонкий диэлектрический слой также служит для уменьшения эффекта залипания между двумя металлическими слоями, который присутствует во всех ключах с непосредственным соединением металлических контактов.

Электромеханические характеристики. Модель, изображенную на рис. 3.16 б, можно использовать для объяснения электромеханики параллельного ключа. Мембранный переключатель, также как и консольный ключ, может быть представлен в виде конденсатора, у которого одна из параллельных пластин подвешена при помощи идеальной пружины над закрепленной заземленной пластиной. Эта модель имеет одну степень свободы и точно описывает перемещение мембраны, как функцию от приложенного напряжения. Перемещение мембраны можно найти из уравнения баланса давлений (Goldsmith et al, 1996):

(3.7)

соединитель

входе

входе

Ж

иэлап^ическило

(а) ключ разомкнут

опора

z!!!5dbi

опора

Ж

(б) ключ замкнут

где Р - полное давление на механическую конструкцию ключа, д - зазор между мембраной и нижним электродом, до - первоначальная высота мембраны при отсутствии электрического поля, V - приложенное напряжение, еа - диэлектрическая проницаемость свободного прост-

Рис. 3.21. Мембранный ключ с диэлектрическим слоем. Репродукция из книги С. Goldsmith, &. EsheIman,T.H. Lin, D. Denniston, S. Chen, B. Norvell, 1996, ((Characteristics of micromachined switches at microwave frequenciesoProceeJms* of ранства. Константа упру-lEEE Microwave Theory and Technology Sympo- гости Kg определяется smm, 1996, IEEE, Piscataway, NJ, USA: 1141-1144 модулем Юнга и ко-

с ра-эрешения IEEE, ©1996 IEEE , тт

эффициентом Пуассона

мембраны, а также остаточным механическим напряжением. Когда на переключатель подается напряжение, мембрана начинает отклоняться вниз, при этом за-

зор уменьшается, а электростатическое давление на мембрану увеличивается. При критической величине зазора, равной 2/30, механическая система становится нестабильной, и мембрана резко падает на нижнюю пластину. Напряжение, при котором происходит падение мембраны, можно определить при помощи уравнения:

Vp =

Рис. 3.22. Зависимость величины зазора от приложенного напряжения. Репродукция из книги С. Goldsmith, S. Eshelman, Т.Н. Lin, D. Denniston, S. Chen, B. Norvell, 1996, ((Characteristics of micromachined switches at microwave frequencies Procee£;m3s of IEEE Microwave Theory and Technology Symposium, 1996, IEEE, Piscataway, NJ, USA: 1141-1144 с разрешения IEEE, ©1996 IEEE

27eo J

(3.8)

приложенное напряжение

50.0

100.0 150 О 200,0 250.0 300.0 350.0 400.0 радиус мембраны, мм

Рис. 3.23.

Зависимость напряжения срабатывания от размера мембраны. Репродукция из книги С. Goldsmith, S. Eshelman, Т.Н. Lin, D. Denniston, S. Chen, B. Norvell, 1996, ((Characteristics of micromachined switches at microwave irequenciesr) Proceedings of IEEE Mi- , crowave Theory and Technology Symposium, 1996, IEEE, Piscataway, NJ, USA: 1141-1144 с разрешения IEEE, ©1996 IEEE

Как видно из уравнения (3.8), величина зазора зависит от приложенного напряжения. На рис. 3.22 показан график зависимости изменения величины зазора от приложенного напряжения. Когда электростатическое поле отключается, силы растяжения возвращают мембрану в исходное состояние. На рис. 3.23 приведен график зависимости напряжения срабатывания от размера мембраны.

Goldsmith (1998) разработал микропереключатель, имеющий более высокие рабочую частоту и скорость переключения. Схема ключа формируется на верхней части слоя из диоксида кремния, нанесенного на высокорезистивную кремниевую подложку (> ЮкОмсм). В конструкцию переключателя входит копланарный волноводный тракт шириной 120 мкм, толщиной 4 мкм и зазором 80 мкм, изготовленный из алюминия (рис. 3.24).

толстый слой металлическая мембрана

металла / \ .

/ диэлектрик / нижний электрод

сигнальный тракт

мембрана

технологические отверстия

диэлектрик

Рис. 3.24. Емкостной микропереключатель: а - поперечный разрез, б - вид сверху. Репродукция из книги С. Goldsmith, Z. Yao, S. Eshelman, D. Denniston, 1998, Performance of low-loss MEMS capacitive switches*, IEEE Microwave and Guided wave Letters 8(8): 269-271 с разрешения IEEE, ©1998 IEEE

Поскольку схема ключа выполнена из толстогб слоя алюминия, она совместима с КМОП злементами. Такой переключатель обладает низкими потерями, которые на высоких частотах составляют порядка О.бдБ/мм. Хороший физический контакт достигается полировкой поверхностей между мембраной и нижним электродом, что также уменьшает воздушный зазор. На верхнюю часть нижнего электрода нанесен тонкий диэлектрический слой из нитрида кремния, который предотвращает закорачивание управляющего

сигнала при замыкании ключа, когда между верхней мембраной и нижним электродом устанавливается низкоимпедансная емкостная связь, влияющая на прохождение ВЧ сигналов. Мембрана выполняется из тонкого алюминия толщиной менее 0.5 мкм и обладает высокой проводимостью для ВЧ сигналов, а также имеет хорошие механические характеристики. На всей площади мембраны проделаны отверстия диаметром 2 мкм для уменьшения выдавливания пленки воздухом и для возможности проведения технологических операций. После удаления защитного полимерного слоя мембрана становится свободной и способной двигаться вверх и вниз к нижнему электроду в ответ на приложенное электростатическое поле.

Когда приложенное напряжение равно нулю, остаточное напряжение растяжения удерживает мембрану в подвешенном состоянии над копланарным волноводным трактом. Между линией ВЧ сигнала и заземленной металлической мембраной существует большое емкостное сопротивление. Величина емкости ключа в это время составляет порядка 20... 50 фФ. Когда между мембраной и нижним электродом появляется электрическое поле, мембрана начинает деформироваться из-за образования на металлических поверхностях положительных и отрицательных зарядов. Эти заряды приводят к возникновению силы притяжения. Когда значение этой силы становится достаточно большим, подвешенная металлическая мембрана падает на нижний электрод, формируя участок с низким импедансом, направляющий ВЧ сигнал на землю. В замкнутом состоянии емкость обычно составляет 3... 4 пФ. Такой перестраиваемый микроконденсатор работает как высокопроизводительный ВЧ ключ, позволяющий эффективно передавать или прерывать ВЧ сигналы за счет деформации мембраны.

На рис. 3.25 приведены зависимости вносимых потерь и потерь на отражение от частоты, измеренных в частотном диапазоне 0.13... 40 ГГц. Высокий уровень затухания объясняется паразитными емкостями, возникающими между линией передач и подвешенной заземленной мембраной. Проведенные исследования показывают, что такие ключи обеспечивают эффективное переключение ВЧ сигналов. Время переключения таких микропереключателей составляет

менее 5 мкс.

3.5.1.3. Влияние шероховатости поверхности диэлектрического слоя Когда мембрана защелкнута в нижнем положении, величину емкости можно, пренебрегая краевыми эффектами, оценить по формуле: