Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле

Sf*

т

£0£гЛ

15 20 25

. - 1, гл, частота, ГГц , ,гк.

Рис. 3.25. Зависимость вносимых потерь и потерь на отражение от частоты. Репродукция из книги С. Goldsmith, Z. Yao, S. Eshelman, D. Denniston, 1998, (-Performance of low-loss MEMS capacitive switch-es , IEEE Microwave and Guided wave Letters 8(8): 269-271 с разрешения IEEE, ©1998 IEEE

Когда мембрана находится в верхнем положении, емкость системы необходимо определять с учетом диэлектрического слоя между мембраной и нижним электродом. Для этого можно воспользоваться уравнением:

Си = £owW {до + -

(3.10)

где W - ширина мембраны, W - ширина центрального проводника копланарного волноводного тракта, а - зазор между мембраной и нижней частью линии передач. В формуле присутствует дополнительный член id/ffr, учитывающий конечную толщину td диэлектрического слоя между мембраной и нижним электродом, где относительная диэлектрическая проницаемость. Для ключа, в котором ег = 7.6, td = 1500 А, 50 = 4 мкм, исключение члена tdlr при оценке емкости может привести к 3% погрешности. Эта погрешность увеличивается до 10%, если до = 1.5 мм [58].

Отношение значений емкости в нижнем и верхнем положении мембраны можно записать в виде:

3.5. Исполнительные механизмы микросистем

Для диэлектрического слоя толпщной 1000 А, площадью 80 х 100 мкм W Sr = 7.6, отношение емкостей составляет 60 : 1 для = 1-5 мкм и 120 : 1 для до = 4 мкм [58].

Из уравнения (3.11) видно, что толщина диэлектрика влияет на отношение емкостей, поэтому использование очень тонкого слоя позволяет достичь высокого отношения емкостей. Но существующие технологии не дают возможности получения диэлектрических слоев

о

менее 1000 А. К тому же диэлектрический слой должен без пробоя выдерживать напряжения в диапазоне 5... 50 В. К этому можно добавить, что на значение емкости в нижнем положении мембраны оказывает влияние степень гладкости поверхностей диэлектрического и металлического слоев. На рис. 3.26 показано, как шероховатость поверхностей сказывается на отношении емкостей. Считается, что площадь контакта составляет 50% полной площади.

Рис. 3.26. Зависимость 1.00 емкости в нижнем положении мембраны от шероховатости вьпиележащего 0.75 слоя. Репродукция из книги J.B. Muldavin, G. Rebeiz, 2000а, High isolation CPW MEMS shunt switches, part 1: Model-mg>,IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 48(6): 1045-1052 с разрешения о со IEEE,©2000 IEEE

0.50-

0.25 -

i толщина диэлектрического слоя

i I I , i i i I i

I I I I I I

200 300

шероховатость [A]

Из рис. 3.26 видно, ЧТО при шероховатости поверхности в 100 А происходит уменьшение емкости в нижнем положении мембраны на 65%. Поэтому для получения оптимального соотношения емкостей необходимо обеспечивать шероховатость поверхностей в микросистеме менее 40 А.

3.5.2. Рс1зработка переключателей с низким напряжением срабатывания

3.5.2.1. Консольные переключатели Микропереключатели с высоким напряжением срабатывания несовместимы с традиционными технологиями изготовления ИС, поскольку для применения в ВЧ и микроэлектронных системах на-

пряжения должны быть не вьпие 5 В. Из уравнения (3.8) видно, что напряжение срабатывания (опускания исполнительного механизма) можно уменьшить тремя способами: >, ;

(1) увеличением площади электродов;

(2) уменьшением зазора между исполнительным механизмом (балкой, мембраной) и нижним электродом;

(3) уменьшением упругости структуры.

Компактность и миниатюрность являются важными показателями микросистем, поэтому метод увеличения площади электродов практически никогда не применяется. Во втором случае существуют ограничения на величину зазора, связанные с потерями на отражение ВЧ сигнала. Самым гибким является третий подход, поскольку снижение упругости конструкции не влечет за собой значительного изменения размеров, веса и ВЧ характеристик микропереключателей. Было показано, что при использовании в ключах очень эластичных складчатых подвесных пружин и увеличении зоны действия электростатического поля значительно снижается напряжение срабатывания. Последние разработки микропереключателей: с использованием серпантинных и консольных пружин (Pacheco, Nguyen, Katehi, 1998), а также подвесных консольных конструкций (Shen, Feng, 1999), продемонстрировали возможность снижения напряжения срабатывания до уровня 14. .. 16 В.

(а)

Рис. 3.27. Микромеханические переключатели с: а - серпантинной и б - консольной пружинами. Репродукция из книги S. Pacheco, С.Т.-С. Nguyen, L.P.B. Katehi, 1998, MicromechanicaI electrostatic К-band switch)), Proceedings of IEEE MTTS, Piscataway, NJ, USA: 1569-1572 с разрешения IEEE, ©1998 IEEE

Ha рис. 3.27 показаны микрофотографии переключателей, использующих серпантинные и консольные пружины. Эти две структуры

идентичны и отличаются лишь конфигурацией пружин, прикрепленных к консоли. Серпантинная конструкция состоит из двух меандров 220 мкм длиной и балок консоли 250 мкм длиной. Обе пружины имеют ширину 4 мкм и располагаются на расстоянии 4.2 мкм от копланарного волноводного трата (Brauchler et al, 1996). Площадь электродов составляет 220 мкм х 220 мкм. Механические характеристики серпантинных и консольных микропереключателей приведены в таблице 3.2.

Таблица 3.2. Механические характеристики ключей, показанных на рис. 3.26

Источник: S. Pacheco, С.Т.-С. Nguyen, L.P.B. Katehi, 1998

Из-за низкой упругости таких ключей в условиях высоких давлений и ускорений консоль может двигаться. Для устранения этого эффекта в однополюсных двунаправленных (ОПДН) ключах сверху конструкции размещают электрод. Напряжение между верхним электродом и консолью удерживает переключатель в верхнем положении, предотвращая любое нежелательное перемещение балки. После отключения этого напряжения балка становится свободной, и между балкой и заземленной поверхностью может быть подано напряжение, необходимое для срабатьгаания ключа.

На рис. 3.28 показаны частотные характеристики рассматриваемых ключей. Напряжение срабатьюания составляет 14... 16В, что вьппе данных представленных в таблице 3.2. Это расхождение в основном объясняется напряжением сжатия внутри слоя золота, что не учитывалось при составлении таблицы.

Низкое напряжение срабатывания также характерно для подвесных ВЧ ключей (Shen, Fen, 1999), которые обладают низкими вносимыми потерями ( 0.5 дБ) и хорошей развязкой по входу/выходу

27 дБ) в диапазоне частот 0.25... 40 ГГц. Поперечный разрез такого ключа показан на рис. 3.29.

Для ВЧ сигналов используется копланарный волноводный тракт. Между верхним и нижним электродами размещена проводящая пластина, подвешенная вдоль сигнальной линии и поверхности заземле-

- 10482

Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле

ния. Движение консоли вверх/вниз направляется при помощи скоб, как показано на рис. 3.29. Напряжение, приложенное между верхним и нижним электродами, способствует перемещению проводящей пластины в ОПДН ключах. Когда на нижний электрод подается напряжение, пластина опускается вниз и перекрывает заземленную площадку и сигнальную линию, что означает закорачивание на землю ВЧ тракта и перевод ключа в выключенное состояние.

I I I I I I I I I I I I I

I I I I I I I

1111

I I I I I I I I I I I I I м I

-S11 Hh-S12 ♦-S21

--A--S22

i i i I i i i i

-10 -20

< -30

I [ I I I I I I I I I

15 20

Частота, ГГц (а)

I I I I I

15 20 25 30

Частота, ГГц (б)

35 40

Рис. 3.28. Частотные характеристики: а - серпантинного ключа, б - консольного ключа, во включенном состоянии. Репродукция из книги S. Pacheco, С.Т.-С. Nguyen, L.P.B. Katehi, 1998, Micromechanical electrostatic K-band switch . Proceedings of IEEE MTT-S, Piscataway, NJ, USA: 1569-1572 с разрешения IEEE, ©1998 IEEE

При подаче напряжения на верхний электрод проводящая пластина возвращается в верхнее положение. При этом волноводный тракт открывается, и ВЧ сигнал поступает на выход ключа, что соответствует включенному состоянию переключателя. Таким образом.

3.5. Исполнительные механизмы микросистем

операция переключения осуществляется при помощи двух управляющих импульсов, сдвинутых по фазе, один из которых поступает на верхний электрод, а второй - на нижний. Для срабатывания переключателя требуется сила, превышающая сумму сил тяжести балочной конструкции и сил трения с воздухом проводящей пластины {Fmp)- Минимальное напряжение срабатывания можно определить по формуле:

,-;.ч:а::.

Vmin -

£qA

(3.12)

где d - зазор между проводящей пластиной и электродами, тд - вес проводящей пластины, А - рабочая площадь пластины, а ео - диэлектрическая проницаемость воздуха.

Рис. 3.29. Поперечный разрез подвесного консольного микропереключателя: а - ключ выключен, б - ключ включен. Репродукция из книги S.-C. Chen, М. Feng, 1999, Low actuation voltage RF MEMS switches with signal frequencies from 0.25 to 40 GHz , Proceedings of IEEE International Devices Meeting, IEEE, Piscataway, NJ, USA: 689-692 с разрешения IEEE, © 1999 IEEE

верхний электрод

скоба

копланарный

электрод

волноводный тракт

В идеальном случае, пренебрегая трением с воздухом, для проводящей прокладки размерами 100 х 400 мкм^ и (/ = 4 мкм, Vmin 1 В.

3.5.2.2. Параллельные переключатели Разработка складчатых подвесных структур позволила реализовать микропереключатели с низким напряжением срабатывания, что стало возможным благодаря способности таких конструкций обеспечивать низкие значения упругости на небольшой площади. Складчатые структуры обладают высокой чувствительностью только в одном определенном направлении. Коэффициент упругости для складчатой подвесной структуры kz в направлении оси z можно записать в виде (Pacheco, Katehi, Nguyen, 2000):

kz = Ew{ -

+ 12(1 + г/)

1 -1

(3.13)

где E - модуль Юнга для металла, ;у - коэффициент Пуассона для металла, Lg - длина пружины, Lc - длина консоли, w - ширина