260 Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле

Suzuki, К., Chen, S., Marumoto, Т., Ага, Y., Iwata, R., 1999, А mieromaehined RF microswitch applicable to phased-array antennas*, in Proceedings of IEEE MTT-S Symposium, IEEE, Piscataway, NJ, USA: 1923-1926,

Tangonan, G., Loo, R., Schaffner, J., Lee, J.J., 1999, Microwave photonic apphcations of MEMS technology*, in IEEE Proceedings of International Topical Meetings on Microwave Photonics, MWP 99, IEEE, Piscataway, NJ, USA: 109-112.

Tan, G.L., Rebeiz, G.M., 2001, DC-26GHz MEMS series-shunt absorptive .switches*, in Proceedings of IEEE Microwave Symposium, Volume 1, IEEE, Piscataway, NJ, USA: 325-328.

Taylor, W.P., Allen, M.G., 1997, Integrated magnetic microrelays: normally open,

normally closed and multi-pole devices*, in Proceedings of Transducers 97, IEEE,

Piscataway, NJ, USA: 1149-1152. Taylor, W.P., Brand, O., Allen, M.G., 1998, Fully integrated magnetically actuated

mieromaehined relays*. Journal of Micro electromechanical Systems 7(2): 181-191. Tilmans, H.A.C., Fullin, E., Ziad, H Van de Peer, M.D.J., Kesters, J., Van Geffen,

E., 1999, A fully packaged electromagnetic microrelay*, in Proceedings of IEEE

International Conference on Microelectromechanieal Systems, MEMS 99, IEEE,

Piscataway, NJ, USA: 25-30. Timoshenko, S., Krieger, S.W., 1987, Theory of Plates and Shells, McGraw Hill, New

York.

Ulm, R.B., Walter, Т., Fiedler, R.M., Voigtlender, K., Kasper, E., 2000, K-band capacitive MEMS switches*, Topical Meeting on Silicon Monolithic Integrated Circuits in RF Systems 2000, IEEE, Piscataway, NJ, USA: 119-122.

Wright, J.A., Tai, Y.C., 1999, Magnetostatic MEMS relays for the miniaturization of brushless DC motor controllers*, in Proceedings of IEEE Symposium on MEMS 99, IEEE, Piscataway, NJ, USA: 594-599.

Yao, J.J Chang, M.F., 1995, nA surface mieromaehined miniature switch for telecommunications applications with signal frequencies from DC up to 4GHz*, Transducers 95-Eurosensors IX: 384-387.

Yao, J.J., 2000, RF MEMS from a device perspective*. Journal Micromechanics and Microengineering 10: R9-R38.

Yao, Z.J., Chen, S., Eshelman, S., Denniston, D., Goldsmith, C, 1999, Microma-chined low-loss microwave switches*. Journal of Microelectromechanieal Systems 8(2): 129-134.

Yao, Z.J., Goldsmith, C, Eshelman, S., Denniston, D., 1997, Mieromaehined RF signal switching devices on high resisitvity silicon substrates*, in Proceedings of Microelectromechanieal Systems ASME 1997, ASME, Fairfield, NJ, USA: 69-73,

Zavracky, P.M., Morrison, R.H., 1984, Electrically actuated micromechanical switches with hysteresis*, in Technology Digest IEEE Solid-state Sensors Conference 1984, IEEE, Piscataway, NJ, USA: 50-51.

Zavracky, P.M., Majumdar, S., McGruer, N., 1997, Micromechanical switches fabricated using nickel surface micromachining*. Journal of Microelectromechanieal Systems 6(1): 3-9. .

Zavracky, P.M., McGruer, N.E., Morrison, R.H., Potter, D., 1999, eMiCTOswitches and

microrelays with a view toward microwave applications*. International Journal of RF

and Microwave Computer Aided Engineering 9: 338-347.

ГЛАВА 4

t л 1

Inti

КОНДЕНСАТОРЫ И КАТУШКИ ИНДУКТИВНОСТИ в МИКРОСИСТЕМАХ

4.\. Введение

Широкое распространение технологий СВЧ ИС, позволяющих изготавливать миниатюрные устройства, привело к бурному развитию микросистем, в результате чего появились элементы ВЧ и СВЧ схем, размеры которых составляют гораздо меньще их длины волны. Механические микроустройства нашли свое применение в таких областях техники, как системы беспроводной связи, устройства позиционирования, военная и бытовая электроника, а также датчики для автомобилей. Высокоэффективные маломощные ВЧ приемопередатчики стали составной частью многих из этих устройств. В настоящее время существует довольно большой круг задач, который нельзя решить, применяя традиционные технологии изготовления ИС. Например, невозможно получить компоненты с высокой добротностью (Qg > 30), необходимые для обеспечения высокой избирательности в ВЧ системах связи. Qg планарных спиральных катушек индуктивности и конденсаторов на высоких частотах составляет порядка 10, поэтому для получения требуемых значений добротности применяют внешние индукторы и перестраиваемые конденсаторы. Малошумящие генераторы, управляемые напряжением, также требую применения компонентов с высокой добротностью, поскольку фазовый шум генератора пропорционален l/Qx, где Qt - добротность всей системы.

Использование фильтров на объемных и поверхностных акустических волнах (ПАВ) и перестраиваемых колебательных контуров в мобильных устройствах связи приводит к повышению требований к размерам приемопередатчиков. Актуальной является и задача построения полностью интегрированных планарных катушек индуктивности и конденсаторов для микросистем и монолитных СВЧ ИС,

что представляет собой довольно сложную проблему, поскольку традиционные индуктивные элементы являются трехмерными. Объединение технологий изготовления СВЧ ИС и микросистем позволит создавать новые устройства, обладающие целым рядом достоинств: миниатюрными размерами, небольшим весом, низким уровнем потребляемой мощности, возможностью массового производства, надежностью и воспроизводимостью. Несмотря на то, что пока остался еще ряд технически неразрешенных проблем, есть уверенность, что в ближайшем будущем будет создан интегрированный ВЧ модуль на одном кристалле, включающий в себя приемник, фильтры, переключатели, антенны, логические блоки и усилители.

В этой главе представлены варианты катушек индуктивности и конденсаторов, применяемых в микросистемах. Здесь же приведены их расчетные соотношения и подробно рассмотрены способы улучшения добротности катушек. Выбор технологии для изготовления катушек индуктивности определяется конкретными условиями прикладной задачи, поскольку каждый метод имеет свои достоинства и недостатки. .

4,2. Пассивные компоненты микросистем: - . достоинства и недостатки

Пассивные элементы, такие как катушки индуктивности, конденсаторы и трансформаторы, не удовлетворяют всем требованиям современных устройств беспроводной связи и быстродействующих цифровых систем. Недостатками твердотельных компонентов, таких как диоды на jo-n-переходах и диоды Шотки, являются их небольшой коэффициент перестройки (обычно менее 30%), низкая добротность Q (меньше 10), высокие резистивные потери и низкая резонансная частота. В последние годы в результате бурного развития микроэлектроники и микросистем удалось построить высокоэффективные пассивные-компоненты для ВЧ применений. Из-за своих миниатюрных размеров, надежности, простоты монтажа и компактности, эти пассивные компоненты сразу же нашли себе применение в ВЧ микросистемах. Изготовление пассивных компонентов на проводящей подложке, например, кремниевой, с применением традиционных технсшогий обработки значительно снижает стоимость производства по сравнению с их изготовлением на GaAs подложке, но при этом при их интеграции в устройства с прямой передачей данных повышаются их потери и снижается добротность. Для уменьшения

потерь и повышения добротности было предложено использовать многослойные структуры и оставлять пространство между подложкой и проводящими линиями.

При увеличении рабочей частоты в ВЧ магнитных компонентах увеличиваются вихревые токи и потери из-за гистерезиса в магнитном сердечнике. Было предложено несколько способов снижения размеров катушек индуктивности для ВЧ приложений. Применяя технологию изготовления микросистем, можно сформировать магнитные сердечники и проводники желаемой толщины и ширины.

Проводники в любой ВЧ схеме обладают тремя основными электрическими характеристиками: сопротивлением, емкостью и индуктивностью, которые все вместе приводят к задержке сигнала. Из-за возникновения емкостной или индуктивной связи между проводниками в схеме возможно появление дополнительного шума. Поэтому при проектировании любого проводника в ВЧ схеме необходимо следовать четко разработанной модели, поскольку каждый виток провода или полоски может радикально изменить поведение всей ВЧ системы. Поскольку не существует простых моделей для расчета индуктивности всего кристалла, очень сложно выделить индуктивность отдельного элемента.

Снижение размеров радиоприемников - очень непростая задача, потому что до сих пор наблюдается недостаток внешних частотно-избирательных пассивных миниатюрных компонентов, которые в традиционных радиоприемниках управляются механическим способом. Последние разработки пассивных ВЧ компонентов для микросистем не решают проблем настройки миниатюрных радиоприемников. -

4,3. Индукторы в микросистемах

Индуктор (рис. 4.1а) - элемент электрической схемы, на выводах которого появляется напряжение при изменении тока, протекающего через него. В отличие от конденсаторов, которые запасают электрическую энергию, индукторы накапливают магнитную энергию. Появление напряжения на выводах индуктора объясняется явлением магнитной индукции. Изменяющееся во времени магнитное псше, вызванное протеканием тока в индукторе, приводит к возникновению электродвижущей силы. В качестве индукторов, как правило, используются катушки из провода, круглые или спиральные по форме. Провод накручивается витками для усиления потока индукции и получения большой индуктивности на малой площади. Катушки

индуктивности влияют на электрическую схему следующим образом:

(1) емкость провода увеличивает нагрузку для схемы управления;

(2) из-за сопротивления, емкости и индуктивности провода может произойти задержка сигнала;

(3) емкостные и индуктивные связи между разными проводами приводят к появлению дополнительного шума.

Любые изменения тока в цепи приводят к изменению магнитного поля. Закон Фарадея утверждает, что изменение магнитного поля приводит к появлению электрического поля, которое по закону Ленца всегда препятствует дальнейшему изменению тока.

Идеальный пассив-

А В ный элемент облада-

ет постоянным номинальным значением во всем диапазоне рабочих частот. Однако для любого реального элемента существует зависимость его характеристик от частоты, как это показано на примере катушки индуктивности (рис. 4.16). Рабочей областью рассматриваемого индуктора является зона I. Область II - переходная зона, в которой по мере увеличения частоты ин-

частота (б)

Рис. 4.1. Самоиндукция и взаимная индукция вызванная изменением тока, б - типичные рабочие зоны индуктора. Здесь: /д - ток в катушке А, /в - ток в катушке В

дуктивность сначала

возрастает, а потом снижается и при какой-то частоте становится отрицательной.

Эта частота перехода в область отрицательных значений называется первой резонансной частотой индуктора. Необходимо всегда следить, чтобы катушка индуктивности не попала в третью зону, поскольку там она превращается в емкостной элемент, и ее добротность становится практически равной нулю.

направление тока

Рис. 4.2. Спиральный индуктор и влияние тока на соседние сегменты

Lt = Lo + M,

(4.1)

где Lt - полная индуктивность, Lq - сумма собственных индуктивностей сегментов, М - сушла. юаимных индуктивностей сегментов.

. : 4.3.1. Собственная индуктивность и взаимная индуктивность

Как показано на рис. 4.1а, изменение тока в катушке А приводит к изменению магнитного поля в ней, что индуцирует напряжение в катушке В. Электродвижущая сила, появившаяся в катушке В при изменении тока в катушке А, пропорциональна скорости изменения потока индукции, вызванного изменением тока в катушке А. Принцип действия трансформатора заключен в постоянной генерации напряжения, препятствующего изменению магнитного поля. Изменение тока или напряжения в одной катушке, вызванное изменением тока в другой катушке, называется взаимной индукцией. По закону Фарадея при взаимной индукции возникает электродвижущая сила (эдс), направленная всегда на устранение изменений магнитного поля, вызванных током в связанной катушке. Изменение тока приводит к появлению в каждой катушке эдс, вызванных изменением потока индукции в витках катушек, связанного с самоиндукцией магнитного поля.

В случае спирального

индуктора полная индуктивность определяется суммой собственных индуктивностей прямых сегментов и взаимной индуктивностью между сегментами. Например для спирального индуктора, показанного на рис. 4.2, взаимные индуктивности между сегментами а и е, вызванные протеканием в этих сегментах тока одинаковой частоты и фазы, складываются. То же самое происходит и в парах сегментов с-д, b-f, d-h. Однако при протекании в сегментах токов разных направлений, например, в сегментах а-д, взаимные индуктивности вычитаются. Аналогичные соотношения существуют между парами сегментов а-с, е-д, е-с, d-f, d-b, h-f, h-b. Следовательно, индуктивность катушки или части катушки любой формы определяется следующим выражением: