4.3.8. Переменные катушки индуктивности

Программируемый индуктор - это индуктор с переключаемым количеством витков. Цепи управления могут быть реализованы на основе микрореле с цифровым запуском, интегрированных с индукторами в одном модуле при помощи методов поверхностных и объемных технологий. В работе (Zhou, Sun, Carr, 1997, 1999) показано, как, используя четыре микрореле, можно получить 16 значений индуктивности в диапазоне 2.5... 324.8 нГн. А в работе (Pehlke, Burstein, Chang, 1997) описано, как при помощи фазовращателя и спаренных ВЧ и управляющей катушек реализовать электрически перестраиваемый индуктор, обладающий 100% настройкой и добротностью, равной 2000. В работе (Lubecke et al, 2000) рассмотрены индукторы с переменной индуктивностью, построенные на основе 3D самособирающихся структур. Такие переменные индукторы используют напряжение внутри слоя для отклонения от плоскости подложки, на которой они изготавливаются. Индукторы отделены от подложки для минимизации потерь из-за паразитных эффектов, а для изменения индуктивности в них применяется температурно-управляемый элемент. Были изготовлены индукторы с непрерывной регулировкой индуктивности в диапазоне 18%, при этом добротность составляла более 13, а для значений добротности более 20 удалось получить индукторы с возможностью изменения индуктивности больше, чем на 30%.

4.3.9. Катушки индуктивности на основе полимеров

При изготовления 3D микроиндукторов с воздушным сердечником, встроенных в кристалл, для построения вспомогательного сердечника были использованы свойства деформации полимеров (Chomn-qwang, Lee, 2000). Индуктор формируется на кремниевой подложке электролитическим методом. Для изготовления нижнего проводника с гальванически нанесенным покрытием из меди применяется полимерная форма из резиста SU-8 толщиной 15 мкм. Для получения вспомогательного сердечника в форме колокола толщиной 40 мкм используется метод УФ литографии. На верхнюю часть этого полимерного колокола напыляется пленка из золота. Готовый индуктор состоит из нижних проводников, сформированных на подложке, и верхних проводников, имеющих форму арки с воздушным мостом.

4.4. Микроконденсаторы

Существует много практических схем, где для регулирования некоторых электрических параметров должны использоваться конденсаторы. Среди них: малошумящие усилители, генераторы гармонических сигналов и преобразователи частоты. Многие современные беспроводные системы предъявляют очень строгие требования к широкополосным генераторам, управляемым напряжением (ГУН), которые должны быть стабильными, иметь высокую добротность и низкий фазовый шум. Диапазон настройки ГУН должен быть достаточным для перекрытия всей интересующей полосы частот. Ключевыми элементами ГУН являются электрически перестраиваемые конденсаторы. Во многих схемах применяются внешние переменные конденсаторы, что связано с трудностями в изготовлении встроенных микроконденсаторов, обладаюпщх высокой добротностью. Компоненты ГУН, используемые для выбора частотного диапазона, выбора канала, и другие подстроечные элементы, до сих пор остаются вне кристалла, поскольку традиционными методами микрообработки кремния не удается реализовать индукторы и ва-ракторы, имеющие высокую добротность. Обычные варакторы, выполненные на подложке из кремния или арсенида галлия, а также перестраиваемые конденсаторы, использующие барьер Шотки, не подходят для применения в устройствах, где требуется высокая добротность и низкий уровень фазового шума. Однако в последние годы удалось создать микроконденсаторы на основе кремния с улучшенными характеристиками, что дает уверенность в том, что в ближайшем будущем появятся микроустройства и однокристальные электронные схемы со встроенными регулируемыми конденсаторами. Это позволит при помощи очень низких напряжений управлять подвешенными мембранами и консолями, встроенными в ВЧ микросистемы, и тем самым производить операции настройки и переключения. По сравнению с твердотельными варакторами перестраиваемые микроконденсаторы обладают низкими потерями и большим диапазоном перенастройки.

Перед проектированием емкостного элемента для широкополосного устройства разработчик должен внимательно изучить его рабочие характеристики: импеданс, вносимые потери, величину паразитных емкостей, эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС), линейность и добротность во всем интересующем диапазоне частот. Мнимая и действительная части импеданса конденсатора определяются из круговой диаграммы полных сопротивлений. На частоте последовательного резонанса реактивное сопротивление

конденсатора равно нулю. При этом импеданс устройства определяется ЭПС, которое для керамического конденсатора с высокой добротностью на частоте 1 ГГц обычно равно 100 мОм.

Как правило, для широкополосных устройств используются конденсаторы с большим значением емкости для выполнения требований при работе в низкочастотном диапазоне. При этом на низких частотах импеданс конденсатора будет достаточно мал, что обеспечит беспрепятственный проход ВЧ сигнала. Диапазон работы конденсатора определяется при измерении его вносимых потерь (S21). Если измеренная величина S21 превышает требуемое значение, этот конденсатор не подходит для рассматриваемого применения. Величину добротности можно определить, используя выражение;

\Xc-Xl\ ЭПС

(4.25)

где \Хс - Xi\ - реактивное сопротивление. ЭПС конденсатора необходимо учитывать во всем интересующем диапазоне частот. Из уравнения (4.25) видно, что чем больше сопротивление, тем меньше добротность и тем вьппе резистивные потери устройства. Для каждого конденсатора существует резонансная частота, выше которой его использовать нельзя, поскольку в его суммарном импедансе начинает превалировать индуктивная составляющая. Поэтому всегда надо стремиться к тому, чтобы величина индуктивности конденсатора была, как можно, меньше, при этом резонансная частота должна значительно превышать максимальную рабочую частоту сигнала.

В регулируемых микроконденсаторах для настройки величины емкости применяются электромеханические способы изменения физических и геометрических параметров конденсаторов, например, электростатические и термическе методы. Емкость конденсатора с двумя электродами площадью А, разделенных зазором d, может быть определена по формуле:

еА d

(4.26)

где е - диэлектрическая проницаемость среды. Здесь не учитываются краевые эффекты. Из уравнения видно, что для построения регулируемого конденсатора можно варьировать тремя параметрами. Поэтому и существуют три группы регулируемых конденсаторов: с переменным зазором, с переменной площадью электродов и с переменной диэлектрической проницаемостью.

Рис. 4.33. Вид сверху на переменный микроконденсатор. Репродукция из книги D.J. Young, В.Е. Bover, 1996, А mieromaehined variable capacitor for monolithic low-noise VCOs , Proceedings of the International conference on Solid-state sensors and Actuators, IEEE, Washington, DC:86-89 с разрешения IEEE, ©1996 IEEE

200 MKM

, Когда к системе из параллельных пластин прикладывается электрическое поле, под действием электростатических сил подвижная

11 - 10482

4.4.1. Микроконденсаторы с регулируемым Зс13ором

4-4-1-1. Электростатическая регулировка В таком переменном конденсаторе нижний электрод закреплен, а верхний подвешен над ним. Подвешенный электрод, поддерживаемый микропружинами, может перемещаться в вертикальном направлении, перпендикулярном подложке. Зазор между фиксированным и подвижным электродами, определяющий величину емкости конденсатора, регулируется за счет электростатических сил, возникающих при подаче управляющего напряжения. Основное достоинство электростатического механизма регулировки - низкая потребляемая мощность. В работах (Young, Boser, 1996, Young et al, 2001) приведено описание переменного микроконденсатора с регулируемым зазором. На рис. 4.33 показан вид сверху такого конденсатора, выполненного на кремниевой подложке. Он состоит из алюминиевой пластины толщиной 1 мкм, подвешенной в воздухе при помощи четырех подвесов в форме балок, выполняющих роль пружин. Электроды имеют квадратную форму со стороной 200 мкм с квадратными отверстиями 2 мкм х 2 мкм, расположенными через 10 мкм, которые необходимы для полного удаления защитного материала. Первоначальный зазор равен 1.5 мкм, при этом экспериментално определенная добротность составляет 62. При изменении напряжения от О до 5.5 В значение емкости регулируется в пределах 2.11... 2.46 пФ, что соответствует диапазону настройки 16%.

Глава 4- Конденсаторы и катушки индуктивности

пластина начинает двигаться по направлению к закрепленному электроду. Силы распределены вдоль всей длины подвижной пластины. Когда приложенное напряжение достигает порогового значения, эта пластина быстро схлопывается с нижней пластиной, и напряжение настройки уже никак не влияет. Равновесие между электростатическими силами притяжения и силами упругости подвесов действует только при отклонениях, меньших 1/3 от первоначального зазора между электродами. Отсюда появляется ограничение по регулировке микроконденсаторов - 2/3 от исходного зазора, что теоретически составляет 50% диапазон настройки для любого электростатического переменного конденсатора с параллельными пластинами. Максимальный диапазон регулировки может быть найден из выражения:

1 -1

(4.27)

В работах (Zou, Liu, Schutt-Aine, 2001, Zou et al, 2000) показано, как можно преодолеть это ограничение по регулировке в двух-электродной микросистеме. Для этого была переделана конструкция подвижного электрода. Принцип действия усовершенствованного двухэлектродного варактора представлен на рис. 4.34а. Верхняя пластина подвешивается на пружине с коэффициентом упругости А:, нижняя пластина фиксируется. Постоянное напряжение, прикладываемое к верхней пластине, приводит к появлению электростатической силы, заставляющей перемещаться подвешенную пластину по направлению к нижней пластине, в результате чего емкость конденсатора увеличивается. Был изготовлен варактор такого типа, в котором подвешенная пластина, изготовленная из Poly 2 и золота, имела массу 0.8 мг и площадь 230 мкм х 230 мкм. В ней было проделано 141 отверстие для вытравливания оксидного слоя, располагавшегося между пластинами. Нижняя пластина была выполнена из Poly 1. В исходном состоянии при зазоре между пластинами 0.75 мкм конденсатор имел емкость 0.57пФ, максимальная емкость 0.85 пФ была достигнута при напряжении 3.3 В.

В работах (Dec, Suyama, 1997, 1998а, 1998b, 2000) был продемонстрирован способ увеличения диапазона настройки с 50 до 100%. Для этого был построен трехэлектродный переменный конденсатор, показанный на рис. 4.346. Он состоит из трех поликремниевых пластин: одной подвешенной при помощи пружин (средней) и двух фиксированных (верхней и нижней) (рис. 4.35).

4.4- Микроконденсаторы

пружина S иг \

фиксированная пластина

подвешенная пластина

\пружина

rf, + Kit)

пружина klZ

подвешенная

ГЦ (f) пластина O-A!) \ CpZ

фиксированная пластина (a)

фиксированная пластина (б)

Рис. 4.34. Принцип действия электромеханического переменного конденсатора с параллельными пластинами: а - с двумя пластинами, б - с тремя пластинами. Репродукция из книги А. Dec, К. Suyama, 1998b, Micromachined electromechanically tunable capacitors and their applications to RF ICs , IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 46(12): 2587-2596 с разрешения IEEE, (§1998 IEEE

Ha Cd и Cp подаются два разных напряжения Vi и Vi- Если приложено напряжение Vi, емкость С в увеличивается, при подаче напряжения F2, емкость Сд уменьшается. Максимальный диапазон настройки конденсатора Сд по отношению к напряжению Vi и Ср по отношению к V2 равен по прежнему 50%. Однако напряжение V2 позволяет повысить теоретический диапазон настройки конденсатора Cd до 100%. Несмотря на то, что проводимость поликремния хуже, чем алюминия, из-за своих механических свойств для построения микроконденсаторов он используется чаще. Был изготовлен переменный микроконденсатор с исходной емкостью 1.9 пФ и воздушным зазором 0.75 мкм. Площадь его пластин составила 398 мкм х 398 мкм. При V\ = З.ЗВ и V2 = О было достигнуто максимальное значение емкости, равное 2.84 пФ. Добротность такого конденсатора на частоте 1ГГц равнялась 15.4, а коэффициент перестройки составил 1.87 : 1.

Переменные микроконденсаторы с регулируемым зазором могут быть также реализованы методом самосборки (MESA) (Fan et al, 1998). На рис. 4.36 показана микрофотография такого MESA-koh-денсатора. Поликремниевая пластина площадью 250 мкм х 250 мкм поднимается над подложкой при помощи четырех боковых опор длиной 300 мкм, управляемых микроприводами. Емкость такого микроконденсатора в исходном состоянии составляет 500 фФ, при поднятии пластины на высоту 250 мкм она снижается до 20 фФ. Главный недостаток такой системы - нелинейность изменения емкости от