Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле

крополосковой секции гораздо меньше длины волны, ее можно использовать как состредоточенный элемент. Примерами сосредоточенных микрополосковых элементов являются встречно-штыревые конденсаторы, спиральные катушки индуктивности, тонкопленочные резисторы, МДМ (металл - диэлектрик - металл) конденсаторы, сквозные отверстия и воздушные мостовые структуры. Микрополосковые секции в распределенной и сосредоточенной форме широко используются в активных и пассивных микросистемах. Примерами таких микросистем являются микрофильтры (Глава 5), преобразователи импеданса, соединительные элементы, линии задержки и фазовращатели (Глава 6). Микрокатушки индуктивности и микроконденсаторы рассматриваются в четвертой главе.

3.8.2.8. Моделирование вносимых потерь микропереключателя Было показано (Hyman et al, 1999), что программное обеспечение, такое как HP EESof/Touchstone http: eesof.tm.agilent), основанное на двумерных моделях, не подходит для расчета электромагнитного рассеяния таких сложных пространственных структур, как микросистемы, поскольку они не учитывают взаимодействия свободно подвешенных элементов с подложкой. Поэтому для моделирования вносимых потерь и коэффициента развязки применяется 3D программа ID3D (Hyman et al, 1999). В эту модель включены компоненты переключателя, расположенные рядом с линией передач. Переключатель моделируется в замкнутом состоянии, все металлические детали считаются выполненными из золота толщиной 1 мкм, используется GaAs подложка, диэлектрическая проницаемость слоев нитрида кремния не учитывается из-за их маленькой толщины, ширина линии передач принимается равной 25 мкм. Входные и выходные сигнальные линии - 50-ти омные микрополосковые линии шириной 60 мм. На рис. 3.52 показаны зависимости внесенных потерь от величины сопротивлений контактов, рассчитанные для разных частот. Коэффициент развязки переключателя вычисляется аналогичным образом, только при этом контакты заменяются воздушным зазором. На рис. 3.53 представлены зависимости коэффициента развязки от величины зазора, посчитанные для разных частот.

Из результатов моделирования видно, что величина усилий при замыкании контактов сильно влияет на уровень вносимых потерь. Наличие на контактах загрязнений или каких-либо включений также сказывается на вносимых потерях переключателя. Так увеличение сопротивления контактов на 0.5 Ом приводит к возрастанию уровня вносимых потерь на 0.1 дБ.

3.8. Расчет, моделирование и сравнение микропереключателей

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 сопротивление контактов, Q

0.70 0.80 0.90

1.00

i Рис. 3.52. Зависимость вносимых потерь от сопротивления контактов для ! разных частот. Репродукция из книги D. Hyman, J. Lam, В.

. Warneke, А. Schmitz, T.Y. Hsu, J. Brown, J. Schaffner, A. Waltson,

R.Y. Loo, M. Mehregany, J. Lee, 1999, Surface mieromaehined RF MEMS switches on GaAs Substrates*, International Journal of RF

and Computer Aided Engineering 9: 348-361 с разрешения Wiley, yv . .v ©Wiley

Metal 1 to dimple Gep - DH & SH-1.8 (мкм)

Рис. 3.53. Зависимость коэффициента развязки от величины зазора для разных частот. Репродукция из книги D. Hyman, J. Lam, В. . .. Warneke,.А. Schmitz, T.Y. Hsu, J. Brown, J. Schaffner, A. Waltson, s R.Y. Loo, M. Mehregany, J. Lee, 1999, Surface mieromaehined RF

I.,;, y,: MEMS, switches on G&ks SvihstT&tesx, International Journal of RF and Computer Aided Engineering 9: 348-361 с разрешения Wiley, . © Wiley

3.8.2.9. Разновидности микрополосковых линий В микросистемах и СВЧ ИС используются несколько вариантов микрополосковых линий: многослойные микрополосковые линии, тонко-

Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле

пленочные микрополосковые линии, перевернутые и подвешенные микрополосковые линии. Подробную информациию о них можно найти в работе (Gupta et al, 1996).

3.9. Важные моменты при проектировании микропереключателей

Для разработчиков микропереключателей часто бывает сложно выполнить требования по коэффициенту развязки. Обычно обеспечение коэффициента развязки < 40 дБ не вызывает больших проблем. Однако, когда требуемый уровень изоляции составляет порядка 50... 60 дБ, разработчику необходимо более тш;ательно подходить к составлению монтажной схемы устройства, особенно при проектировании углов и изгибов. В этом случае чаще всего применяются копланарные волноводные линии передач (CPW), поскольку их можно изготовить очень узкими, что позволяет облегчить разводку монтажной схемы и увеличить плотность дорожек. При этом также уменьшаются эффекты взаимного влияния сигнальных линий, что объясняется наличием верхнего слоя заземления. Кроме тщательной разводки ВЧ линий необходимо организовать внешнюю развязку управляющих линий кристалла при помощи шунтирующих конденсаторов, расположенных как можно ближе к выводам линий управления. В схемах, где требуется разместить большое количество переключающих элементов в ограниченном пространстве, предпочтительнее использовать микропереключатели, а не ключи на основе полевых транзисторов и монолитных СВЧ ИС, поскольку их применение позволяет уменьшить количество линий постоянного напряжения.

3.10. Заключение

Ключи на полевых транзисторах и PIN-диодах являются наиболее распространенными переключающими элементами в современных ВЧ и СВЧ интегральных схемах. Недостатками многих полупроводниковых ключей являются большие вносимые потери во включенном состоянии и плохой коэффициент развязки в выключенном состоянии. Поэтому в настоящее время активно разрабатываются механические микроключи для переключения ВЧ сигналов. Современный уровень микротехнологий позволяет встраивать такие микропереключатели в ВЧ микросистемы. Микропереключатели с электростатическим приводом обладают низкими вносимыми потерями, незна-

3.10. Заключение

чительным энергопотреблением, хорошим коэффициентом развязки и высокой линейностью.

Возможность объединения микропереключателей с кремниевыми микроэлектронными элементами позволяет создавать устройства, которые невозможно изготовить традиционными методами. Достоинствами микропереключателей являются быстрое срабатывание, небольшая потребляемая мощность, возможность интеграции с микроэлектронными элементами, высокое сопротивление в выключенном состоянии. В последние годы появилось много публикаций, посвященных микропереключателям, которые нашли свое применение и в автоматическом испытательном оборудовании (ATE), где необходимо выполнять строгие требования по токам утечки и коэффициенту развязки, и в системах связи, где нужны переключающие устройства с высокой степенью функциональности, и во многих других системах. Основными элементами микропереключателей являются консоль, мостовая схема или мембрана, управляемые электростатическим или магнитными приводами. Электростатические приводы являются более предпочтительными из-за простоты объединения с традиционными интегральными схемами. Напряжения срабатывания микропереключателей лежат в диапазоне 5... 100 В. В таблице 3.8 приведены рабочие характеристики реальных ВЧ микропереключателей. Очевидно, что вносимые потери и коэффициент развязки зависят от емкости переключателя во включенном и выключенном состоянии.

Микропереключатели, как правило, изготавливаются методами поверхностной технологии, при которых происходит вытравливание защитных слоев, например, оксидных, для получения структуры ключа. Сложной проблемой является объединение технологий производства микропереключателей с традиционными методами изготовления ИС, таких как КМОП (комплементарные металло-оксидные полупроводниковые) и GaAs структуры. Были опубликованы сообщения об успешной интеграции поликремниевых переключателей с MOSFET транзисторами, при этом контакты выполнялись из леги-рованйого поликремния. Недавние исследования Hyman и Mehregany (1999) показали, что использование золота для изготовления контактов приводит к уменьшению сопротивления контактов в замкнутом состоянии и замедляет образование посторонних пленок. Но золото несовместимо с кремнием, и поскольку оно часто примененяется в переключателях, необходимо разрабатывать новые технологии для интегрирования микропереключателей и ИС.

Таблица 3.8. Рабочие характеристики ВЧ микропереключателей

о со о

О

о

о

о о

е

>§ о S

>§

Продолжение таб. 3.8.

о