Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле

В работе (Tilmans et al, 1999) описаны электромагнитные микрореле полностью интегрированные в керамических и пластиковых корпусах. Для управления подвижным NiFe якорем, замыкающим контакты, используется многослойная медная катушка.

уплотнительное кольцо

> - ( W контакты КК

! MS

Рис. 3.36. а - микрофотография микрореле, б - микрофотография верхней части чипа. Репродукция из книги Н. А.С. Tilmans, Е. Fullin, Н. Ziad, M.D.J. Van de Peer, J. Kesters, E. Van Geffen, 1999, A fully packaged electromagnetic micro relays, Proceedings of IEEE International Conference on MEMS, IEEE, Piscataway, NJ, USA: 25-30 с разрешения IEEE, ©1999 IEEE

Под разработкой злектромагнитного переключателя подразумевается изготовление привода, электрических контактов, корпуса и сборка всего изделия. Чип электромагнитного микрореле, показанный на рис. 3.36 а, построен на ферромагнитной подложке, в состав которой входит U-образный сердечник злектромагнита, состоящего из двухслойной медной катушки с 127 витками площадью 6x8 мкм^, из NiFe (50/50) полюсов площадью 1 х 0.5мм, нанесенных гальваническим способом, и нижнего электрического контакта из золота толщиной 0.5 мкм. На рис. 3.36 6 показана конструкция верхней части чипа, выполненная на оксидированной кремниевой подложке. Она состоиг из нанесенного гальваническим способом NiFe (80/20) слоя толщиной 20 мм, содержащего якорь (2 х 18 мм) и две поддерживающие балки (1.6 х0.15мм), выполняющие роль пружин. Якорь и балки подвешены на расстоянии 1 мкм над кремниевой подложкой. На якорь наностится контакт из золота толщиной 1.5 мкм, как показано на рис. 3.376. Площадь контакта равна 0.20 х 1.5мм. Контакты и якорь размещаются в герметично закрытом углублении, как показано на рис. 3.37 а. Уплотнительное кольцо состоит из слоя никеля, покрытого SnPb. Зазор между контактами и зазор между

3.5. Исполнительные механизмы микросистем

полюсами отличаются на полную толщину контактов, которая приблизительно равна 2 мкм. Размеры микрореле приблизительно составляют 5.3 X 4.1 мм, а толщина всей сборки - 1 мм (рис. 3.37 б).

Рис. 3.37. а - микрореле в керамическом корпусе, б - корпус SOIC. Репродукция из книги Н.А.С. Tilmans, Е. FuIIin, Н. Ziad, M.D.J. Van de Peer, J. Kesters, E. Van Geffen, 1999, А fully packaged electromagnetic micro relays. Proceedings of IEEE International Conference on MEMS, IEEE, Piscataway, NJ, USA: 25-30 с разрешения IEEE, ©1999 IEEE

Аналитическая модель, построенная методом конечных злемен-тов (Fullin et al, 1998), показывает, что магнитная сила Р^, действующая на якорь, ограничивается магнитным насыщением якоря и/или остаточным зазором между полюсами. Для магнитодвижущей силы 0.8 AT, магнитной проницаемости = 2000 и индукции насыщения материала якоря 1 Т, расчетное значение для F составляет 2мН. Средняя длина якоря составляет 1.6 мм при остаточном зазоре 1 мкм. Максимальная сила, действующая на контакт при его замыкании, Fc меньше максимальной магнитной силы на величину силы упругости. Очевидно, что F(. будет меньше 1 мН. В таблице 3.5 представлены типичные рабочие характеристики микрореле.

В традиционных ЭМР электрические контакты герметично закрыты внутри капсулы, обычно заполненной азотом или вакуумом, для того, чтобы выдерживать большее напряжение пробоя и повысить продолжительность жизни переключающих контактов. Вариант микрореле в керамическом корпусе с 24-мя выводами показан на рис. 3.37а.

Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле

Таблица 3.5. Типичные рабочие параметры микрореле

Источник: Wright, Tai, 1999

3.5.6. Термические переключатели

Наряду с неоспоримыми достоинствами микрореле имеют и недостатки. Например, изготовление катушек, входящих в состав электромагнитных приводов, является довольно сложным технологическим процессом, поскольку в микрореле они должны быть планар-ными. Одним из способов упрощения магнитных приводов является устранение катушек, т. е. построение бескатущечных магнитных приводов на кремниевой подложке. Для этого был разработан термически управляемый магнитный привод, запускаемый изменением локальной намагниченности структуры методом точечного разогрева при помощи инфракрасного (ИК) лазерного луча. Устранение катушки не только упрощает магнитный привод, но и позволяет при его изготовлении использовать микротехнологии.

Принцип действия термического привода показан на рис. 3.38. Привод состоит из постоянных магнитов, якоря, выполненного из

3.6. Бистабильные микрореле и микроприводы

мягкого магнитного материала, и статоров, изготовленных из термочувствительных магнитных материалов с низкой точкой Кюри. При нагреве одного из статоров для уменьшения его намагниченности возникает градиент магнитного поля, вызывающий изменение силы, действующей между статорами, в результате этого второй статор притягивает к себе якорь. Точечный нагрев осуществляется при помощи ИК лазера и системы линз с микронной фокусировкой.

Рис. 3.38. Принцип действия термического микрореле: а - без нагрева, б - с нагревом. Здесь: N - север, S - юг. Репродукция из книги Е. Hashimoto Н. Тапака, Y. Suzuki У. Uensishi, А. Watabe, 1994, ( Thermally controlled magnetic actuator (TCM.A) using thermo sensitive magnetic ma-terialsi). Proceedings of IEEE MEMS Workshop, 1994, IEEE, Piscataway, NJ, USA: 108-113 c разрешения IEEE,

©1994 IEEE

i 1

постоянные магниты

якорь из мягкого магнитного материала термочувствительные магнитные статоры

локальный нагрев

уменьшение намагниченности

сила притяжения (б)

3.6. Бистабильные микрореле и микроприводы

Объединение нескольких технологий, таких как микротехнологии обработ1;;и кремния, монтажа методом перевернутого кристалла и пайки при 1ЮМОЩИ PbSn, позволяет создавать очень миниатюрные и многофункциональные СВЧ приборы, что является очень существенным для современной промышленности, в которой вопросы стоимости стоят далеко не на последнем месте. Центральное место в производстве недорогих, высокоэффективных и экономически выгодных СВЧ схем занимают ВЧ микротехнологии, которые ведут к созданию СВЧ схем, интегрированных на кремниевой подложке. Было доказано, что для увеличения плотности монтажа при

Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле

ч

Рис. 3.39. Чип, состоящий из четырех микрореле, может заменить четыре традиционных реле. Фотография напечатана с разрешения www.memsrus.com

3.6. Вистабильные микрореле и микроприводы

ным является подбор материала для изготовления контактов. На рис. 3.40 приведены зависимости сопротивлений контактов от величины силы, приложенной к ним, для трех типов материалов, определенных для традиционных реле. Видно, что при увеличении силы сопротивление уменьшается, стремясь к значению 2 Ома. Это значение определяется суммой сопротивлений в месте контакта, связанных с внешними цепями. Высокие значения сопротивлений контактов из серебра объясняются образованием на их поверхности непроводящих структур, таких как AgO.

Рис. 3.40. Зависимость сопротивления контактов от приложенной к ним силы для трех разных материалов. Репродукция из книги Н. Hosaka, Н. Kuwano, К. Yanagisawa, g 1993, ((Electromagnetic micro relays: concepts and fundamental characteristics*. Proceedings of IEEE Symposium on Microelectromechanical Systems MEMS 93, IEEE, Piscataway, NJ, USA: 12-15 с разрешения IEEE, ©1993 IEEE

Рис. 3.41. Схемы пружин, используемых в микрореле: а - крестообразная пружина, б - спиральная пружина (размеры приведены в микронах). Репродукция из книги Н. Hosaka, Н. Kuwano, К. Yanagisawa, 1993, ((Electromagnetic micro relays: concepts and fundamental characteristics)). Proceedings of IEEE Symposium on Microelectromechanical Systems MEUS 93, IEEE, Piscataway, NJ, USA:12-15 с разрешения IEEE, ©1993 IEEE

Сила, mkH

1000

крестообразная пружина (a)

спиральная пружина (б)

На рис. 3.41 показаны варианты плоских симметричных пружин, используемых в микрореле. Крестообразные и спиральные пружины изготавливаются методом ионного напыления пермолоя на кремниевую подложку. Контактное усилие и скорость переключения реле в основном определяются жесткостью и резонансной частотой пружины.

одновременном снижении размеров и стоимости устройства наиболее подходящим способом является размещение аналоговых и цифровых цепей на одном кристалле. При уменьшении размеров всей системы самым критичным становится достижение высокой плотности интеграции и монтажа.

На практике бывает очень сложно добиться снижения размеров электромагнитных реле из-за трудности изготовления маленьких магнитных катушек. Выходом из этой ситуации является применение электростатических приводов. В 1993 году было показано, что электромагнитные приводы - наиболее подходящий выбор с экономической и практической точек зрения для реле размером порядка Imm (Hosaka, Kuwano, Yanagisawa, 1994). Актуальным также является разработка электростатических микрореле (Gretillat et al, 1997, Hosaka, Kuwano, Yanagisawa, 1994), термических микрореле (Hashimoto, Uensishi, Watabe, 1995, Hashimoto et al, 1994), микрореле для контроллеров бесщеточных двигателей постоянного тока (Wright, Tai, 1999), магнитных микроприводов (Fullin et al, 1998, Tilmans et al, 1999), поликремниевых ключей и микрореле (Drake et al,1995), микрореле с ртутными контактами (Saifer, Simon, Kim, 1997). В следующих разделах подробно рассматриваются механизмы приводов.

3,6.1. Микрореле с магнитным приводом

Применение микротехнологий для производства механических реле позволило не только уменьшить их размеры, стоимость и время переключения, но и дало возможность создавать интегрированные системы на основе кремниевых технологий. Как видно из рис. 3.39, микрореле размером 1 мм меньше традиционных реле в два раза по ширине и в четыре раза по длине, что показывает их практическую и экономическую выгоду. При разработке микрореле важ-