где N - количество меандров в подвесной структуре. Коэффициент упругости линейно уменьшается при последовательном добавлении меандров к подвесу. На рис. 3.30 показаны варианты подвесных креплений, используемых для получения низких коэффициентов упругости системы.

Таблица 3.3. Физические размеры микропереключателей, используемых в разработке Pacheco и др.

Источник: Pacheco, Katehi, Nguyen, 2000

Рис. 3.30. Варианты креплений, используемых в подвесных ВЧ микропереключателях. Репродукция из книги J.Y. Park, G.H. Kim, K.W. Chung, J.U. Bu, 2001, Monohthical-ly integrated mieromaehined RF MEMS capacitive switches*. Sensors and Actuators A, 89:88-94 с разрешения Elsevier Science, ©2001, Elsevier Science

Источник: Pacheco, Katehi, Nguyen, 2000

Последовательно-параллельные амортизирующие переключатели. Как правило, последовательные микропереключатели относятся к типу устройств, использующих для замыкания металлические контакты, тогда как параллельные ключи работают на емкостном физическом принципе. Для того чтобы параллельный ключ обладал хорошим коэффициентом развязки на низких СВЧ частотах, его контакты также должны быть металлическими, поскольку уровень развязки по входу/выходу зависит от конструкции ключа (Tan, Rebeiz, 2001). Исходя из этого, были разработаны последовательно-параллельные переключатели, объединяющие в себе два типа ключей. При этом последовательные и параллельные ключи должны иметь индивидуальные управляющие напряжения, подведенные через соответствующие сопротивления. На рис. 3.31 показан вариант широкополосного амортизирующего переключателя, состоящего из двух последслательпых и одного параллельного ключей со смещением постоянным напряжением. Когда ключ находится в замкнутом состоянии, резистор закорачивается, и для ВЧ сигнала открывается путь, обеспечивающий низкие потери.

Для обеспечения надежного электрического контакта на каждой контактной площадке мостовой конструкции формируется углубле-

о

ние размером 6000 А. Когда мост опускается вниз, эти углубления создают контакт с заземленной площадкой (в параллельном ключе)

В таблице 3.4 приведены расчетные и экспериментально определенные напряжения срабатывания при использовании подвесной конструкции с различным количеством меандров. Как видно из таблицы, напряжение срабатывания падает при увеличении числа меандров. Однако измеренные значения намного превышают расчетные, что связано с технологическими проблемами изготовления (Pacheco, Katehi, Nguyen, 2000).

, Таблица 3.4. Измеренные и расчетные напряжения срабатывания при различном количестве меандров

консоли, t - толщина консоли. Значения параметров, используемые в уравнении (3.13), приведены в таблице 3.3. Полный коэффициент упругости вдоль оси Z, Kz, определяется суммой коэффициентов упругости всех четырех подвесных структур, прикрепленных к системе:

широкополосное закорачивание

/ Л

замена на современные параллельный и последовательный микропереключатель мостового типа

Рис. 3.31. Последовательно-параллельный амортизирующий переключатель. Здесь / - длина, Zo- импеданс, Л - длина волны. Репродукция из книги G.L. Tan, G.M. Rebeiz, 2001, <iDC-26 GHz MEMS series-shunt absorptive switches)). Proceedings of IEEE Microwave Symposium, Volume 1, IEEE, Piscataway, NJ, USA: 325-328 с разрешения IEEE, ©2001 IEEE

носимые потери

т

эксериментальные Libra

потери на отражение

частота, ГГц

- -1

&

S с

а

Рис. 3.32. Модельные

данные и результаты тестирования параллельно-последовательного микропереключателя. Репродукция из книги G.L. Tan, G.M. Rebeiz, 2001, oDC-26 GHz MEMS series-shunt absorptive switches!), Proceedings of IEEE Microwave Symposium, Volume 1, IEEE, Piscataway, NJ, USA: 325-328 с разрешения IEEE, ©2001 IEEE

3.5.3. Переключатели с ртутным контактом

В Центре микроэлектроники в Северной Каролине (MCNC) разработано электростатическое механическое микрореле, реализованное на поликремниевой подложке, с микрокаплей ртути на конце контакта (Saffer, Simon, Kim, 1996, 1997). Консоль, сформированная на поликремнии, имеет следующие параметры: толщину 2 мкм, ширину

амортизатор

управляющий электрод

□

амортизатор

сигнальный электрод

ртуть

Рис. 3.33. Схема микрореле с ртутным контактом. Репродукция из книги S. Saffer, J. Simon, C.J. Kim, 1996, Мегсигу contact switching with gap-closing microcantilever)Proceedings of SPIE, 2882: 204-209 с разрешения SPIE

Рис. 3.34. Последовательность изготовления микрореле с ртутным контактом в сечении АА (рис. 3.33). Репродукция из книги S. Saffer, J. Simon, C.J. Kim, 1996, Мегсигу contact switching with gap-closing microcantilever)), Proceedings of SPIE, 2882: 204-209 с разрешения SPIE

Poly 1 -0x2-

Ox 1-

Nit/Ox-

-Au/Cr -Poly 0 b0x2 Ox 1

Чип Центра Микроэлектроники (a)

NiVOx

Poly 1-43

Au/Cr - Poly 0

удаление защитного слоя и освобождение балки (б)

Poly 1 *а

Nlt/Ox-

т

- ртуть

- Poly О

i осаждение ртути

..... , (в)

На рис. 3.34 показана последовательность изготовления такого реле. На рисунке изображено поперечное сечение, обозначенное на рис. 3.33 как АА. Балки формируются из поликремния (Poly 1) толщиной 2 мкм, а сигнальный электрод - из поликремния (Poly 0) то.11!цйной 0.5 мкм. Защитный 2-х микронный оксидный слой вытравливается с помощью HF. Для высвобождения балок используется один из следующих методов: сушки при помощи СО2, травления в парах HF или сублимации в р-дихлорбензоле. После этого полученная структура подвергается действию паров ртути. Ртуть строго оседает в специально выделенных зонах, выполненных из материала, вступающего в реакцию только с ртутью. Размеры получаемого шарика ртути зависят от времени воздействия паров ртути на

2... 3 мкм, длину 300... 500 мкм. На рис. 3.33 приведена схема реле, состоящая из поликремниевой балки и фиксированных управляюше-го и сигнального электродов.

или с линией передач (в последовательном ключе), но при этом площадь соединения должна быть минимальной, иначе для срабатывания ключа потребуется напряжение, намного превышающее пороговое значение. Углубления на контактах помогают решить проблему залипания. На рис. 3.32 приведены результаты тестирования такого переключателя, здесь же показаны данные, полученные при помощи моделирования с использованием системы Libra (Agilent Technologies: http: eesof.tm.agilent.com/). Параллельно-последовательный микропереключатель имеет вносимые потери менее 0.5 дБ в частотном диапазоне 0... 26 ГГц.

амортизатор

управляющий

электрод

ртуть

Рис. 3.35. Микрофотография микрореле с ртутным контактом. Репродук- ция из книги S. Saffer, J. Simon, C.J. Kim, 1996, Мегсигу contact

switching with gap-closing microcantilevero. Proceedings of SPIE,

2882: 204-209 с разрешения SPIE

Сопротивление микрореле в разомкнутом состоянии составляет более 200 Мом, полное сопротивление устройства лежит в диапазоне 1.9... 3.2кОм при предельно допустимом токе 10мА.

3.5.4. Магнитные переключатели

Включение магнитных приводов может выполняться без подачи внешней электроэнергии при помощи постоянных магнитов или полутвердых ферромагнитных материалов. Высокая плотность магнитной энергии позволяет развивать довольно большие усилия и длительное время удерживать контакты в замкнутом состоянии. Несмотря на то, что при уменьшении размеров происходит ослабление магнитной силы, при величине зазора более 1 мкм магнитный привод все же превосходит электростатический по величине производимых усилий (Busch-Vishnic, 1992). Поэтому магнитные приводы являются весьма перспективными устройствами для создания микроустройств. Высокоэффективные постоянные магниты позволяют создавать электромагнитные двигатели диаметром менее 1 мм (loth, 1993). Также предпринимаются попытки создания планарных электромагнитных приводов на основе применения методов гальванического нанесения магнитных материалов (Ahn, Allen, 1993, Ahn, Kim, Allen, 1993, Guckel et al, 1993, Hosaka, Kuwano, Yanagisawa, 1993, Tilmans et al, 1999). При уменьшении размеров электромагнитных приводов самым сложным является снижение размеров катушек, что очень трудно сделать с технологической точки зрения. Детальное рассмотрение микрореле на основе магнитных приводов будет дано в разделе 3.6.

3.5. Исполнительные механизмы микросистем

3.5.5. Электромагнитные переключатели

В последние годы все более увеличивается спрос на электромагнитные реле (ЭМР), включая реле с подвижным якорем, герконовые и твердотельные реле, появившиеся в восьмидесятых годах двадцатого века, поскольку они обладают высокой надежностью, долговечностью и незначительным механическим износом (Coutrot et al, 2001, Sadler, Liakopoulos, Ahn, 2000). ЭМР no сравнению с традиционными твердотельными реле обладают более низкими сопротивлением в замкнутом состоянии и утечками в разомкнутом состоянии, невысокой выходной емкостью и большой электромагнитной защитой. Однако почти все ЭМР, за исключением современных твердотельных реле, имеют довольно большие размеры и проблемы при интеграции с электронными устройствами, подвержены влиянию ударов и вибрации, обладают большим энергопотреблением и производят при работе высокий акустический шум. В современных микрореле устранены практически все перечисленные недостатки при сохранении всех достоинств традиционных ЭМР. Применение микротехнологий для изготовления механических реле позволило уменьшить их размеры, стоимость и время переключения, при одновременном улучшении их способности к интегрированию с электронными компонентами. Для многих систем связи требуется создание матричных переключателей, обладающих высокой скоростью переключения. В то же время такому набору ключей нет необходимости работать с высокой электрической нагрузкой. Современные технологические методы позволяют изготавливать на одной подложке сразу множество реле, что значительно снижает стоимость производства матричных переключателей. При использовании интегрированного матричного переключателя 8x8 можно уменьшить количество линий управления с 64 до 16.

Основные ограничения традиционных ЭМР связаны с наличием в их приводах катушек и ферромагнитных якорей. Микрореле допускают применение других принципов действия приводов, которые могут быть электростатическими и электромагнитными. Электромагнитные приводы предпочтительнее электростатических, поскольку могут работать с недорогими и низковольтными устройствами управления. В то время как электростатическим приводам требуется низкий ток, но сравнительно высокое напряжение 5... 100 В, что влечет за собой создание специальных управляющих устройств и цепей высоковольтной изоляции. Постоянные магниты или полутвердые магнитные материалы позволяют создать электромагнитные реле с функцией самозащелкивания.

структуру и температуры ртутного резервуара. Обычно диаметр ртутного шарика равен 10 мкм. На рис. 3.35 представлена микрофотография готового реле с ртутным контактом.