ближе, что при мощных сигналах может привести к электрическому пробою через воздушный зазор.

8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

частота, ГГц

Рис. 4.43. Зависимость добротности от частоты при значении емкости 0.1 пФ. Измерения проводились при помощи HP 8519С Network Analyzer. Репродукция из книги К.Р. Harsh, В. Su, W. Zhang, V.M. Bright, Y.C. Lee, 2000, The realization and design considerations of flip-chip integrated MEMS tunable capacitor*. Sensors and Actuators A: Physical 80: 108-118 с разрешения Elsevier Science, ©2000 Elsevier Science

4-4-1-3- Пьезоэлектрические переменные конденсаторы. Для регулирования зазора между электродами переменного конденсатора можно использовать пьезоэлектрический привод. В работе (Park et al, 2001) описан регулируемый микроконденсатор, управляемый приводом на основе титаната цирконата свинца (PZT), встроенный в схему линии передач с копланарным волноводом. У такого конденсатора отношение Стах/Стгп при напряжении смещения 6 В равно 3.1/1.

Достоинствами описанного пьезоэлектрического конденсатора являются низкое управляющее напряжение и линейность регулировки. PZT приводы изготавливаются на кремниевой подложке, нарезаются в форме кубиков и методом перевернутых кристаллов крепятся к линии передач на кварцевой подложке (рис. 4.44). Напряжение смещения, подаваемое на управляющий контакт, заставляет PZT привод вертикально опускаться на диэлектрический слой, расположенный на верхней части фиксированных электродов.

Изменение величины зазора между верхним и нижним электродами приводит к изменению емкости устройства. Линия передач и управляющие электроды изготавливаются из металлов Pt/Cu/Ar на кварцевой подложке по технологии lift-off . Далее методом селективного жидкостного травления формируется структура конденсатора с параллельными пластинами и осаждается слой диэлектрика. После чего на верхнюю часть линии передач, пластину заземления и управляющие электроды электролитическим способом наносится покрытие из золота. На рис. 4.44 показан изготовленный PZT

привод, используемый в качестве подвижного верхнего электрода переменного микроконденсатора. Такой конденсатор обладает добротностью 210 на частоте 1 ГГц.

Рис. 4.44. Фотографии со сканирующего микроскопа: а - PZT-привода, изготовленного на кремниевой подложке методами объемной технологии; б - увеличенного вида PZT-привода. Репродукция из книги J.Y. Park, Y.J. Lee, H.J. Nam, J.U. Bu, 2001, Micromachined RF MEMS tunable capacitors using piezoelectric actuators*. Proceedings of IEEE MTT-S Symposium, May 2001, Volume 3, IEEE, Washington, DC: 2111-2114 с разрешения IEEE, ©2001 IEEE

10 km

400 48 mm

4.4.2. Микроконденсаторы с регулируемой площадью пластин

Для конденсаторов с переменной площадью пластин не существует пределов по настройке, что является их преимуществом перед конденсаторами с переменным зазором. Гребенчатый микроконденсатор - один из самых простых конденсаторов с регулируемой площадью пластин. Его диапазон регулирования ограничивается только конструктивными особенностями поддерживающей пружины и длиной гребенки. В работе (Larson et al, 1991) рассмотрена схема электростатической микросистемы позиционирования гребенчатой структуры с металлическими проводниками. В этой системе

Рис. 4.45. Фотографии гребенчатого переменного микроконденсатора со сканирующего микроскопа с тремя различными коэффициента-ми увеличения. Репродукция из книги J.J. Yao, S. Park, J. DeNa- tale, 1998, Higli tuning ratio MEMS based tunable capacitors for RF communications applications*. Proceedings of solid-state sensors and Actuators Workshop, IEEE, Washington, DC: 124-127 с разрешения IEEE, ©1998 IEEE

Толщина пленки зависит от выбранного стехиометрического соотношения. На верхней части этих пленок методами фотолитографии и lift-oflF формируется гребенчатый конденсатор (рис. 4.48 на

зы наносятся тонкие пленки ферроэлектрического материала, например, BaxSrixTiOa, меняющего свою диэлектрическую проницаемость при изменении управляющего напряжения.

для изменения зоны перекрытия между электродами используется электростатический микродвигатель, плавно перемещающий гребенки. Такая структура идеально подходит для построения емкостных микропереключателей, переменных конденсаторов и подстро-ечных щлейфов, работающих в ВЧ диапазоне 2... 45 ГГц. В реализованном по такой схеме переменном микроконденсаторе при изменении напряжения смещения в диапазоне 80... 200 В значение емкости меняется от 0.035 до 0.1 пФ.

В гребенчатой структуре одна из гребенок обычно является стационарной, а вторая - подвижной. Когда к гребенкам прикладывается управляющее напряжение, между зубцами появляются электростатические силы, действующие на боковые стороны и заставляющие подвижную гребенку перемещаться относительно неподвижной, меняя площадь перекрытия и оставляя неизменным зазор между ними. Из рис. 4.45, на котором показана микрофотография гребенчатого микроконденсатора, видно что его диапазон непрерывной регулировки превышает 200%, при этом коэффициент перестройки равен 3 : 1 (Yao, Park, DeNatale, 1998).

На рис. 4.46 (стр. 318) показаны положения гребенок при разных управляющих напряжениях. На рис. 4.47 (стр. 319) представлена зависимость емкости гребенчатого микроконденсатора от управляющего напряжения, из которой видно, что площадь перекрытия влияет на величину емкости. Полная емкость рассматриваемого конденсатора при нулевом напряжении смещения равна 5.19 пФ, а при напряжении 5 В - 2.48 пФ. Его добротность на частоте 500 МГц составляла 34, а коэффициент перестройки при изменении напряжении смещения в диапазоне 2... 14 В был равен 3:1.

4.4.3. Микроконденсаторы с регулируемой диэлектрической проницаемостью

Из уравнения (4.26) видно, что изменение диэлектрической проницаемости приводит к пропорциональному изменению величины емкости конденсд.тора с параллельными пластинами. Поэтому, изменяя свойства материала между проводящими пластинами, можно реализовать переменный микроконденсатор, обладающий высокой добротностью. Этот принцип может быть применен в гребенчатых (Jose et al, 2001, Kirchoefer et al, 1998) и двойных (Lu et al, 2000, Van Keuls et al, 1999, Varadan et al, 1995) структурах, где постоянное напряжение смещения приводит к изменению электрических свойств. Для построения таких микроконденсаторов на подложку из LaAlOs или MgO методом лазерного осаждения из газовой фа-

Рис. 4.46. Микрофотографии переменного гребенчатого конденсатора при разных управляющих напряжениях. Репродукция из книги J. J. Yao, S. Park, J. DeNatale, 1998, High tuning ratio MEMS based tunable capacitors for RF communications applications*. Proceedings of solid-state sensors and Actuators Workshop, IEEE, Washington, DC: 124-127 с раэрещения IEEE, ©1998 IEEE

регулировка

Рис. 4.47. Зависимость емкости от управляющего напряжения для микроконденсатора, показанного на рис. 4.46. Репродукция из книги J.J. Yao, S. Park, J. DeNatale, 1998, <(High tuning ratio MEMS based tunable capacitors for RF communications applications*. Proceedings of solid-state sensors and Actuators Workshop, IEEE, Washington, DC: 124-127 с раэрещения IEEE, ©1998 IEEE

настройка 4220 (#16)

12 3 4

регулирующее напряжение, В

Переменные конденсаторы с регулируемой диэлектрической проницаемостью нашли свое применение в микрофазовращателях (Lu et al, 2000, Van Keuls et al, 1999, Varadan et al, 1995)

4.5. Заключение

Несмотря на то, что современные кремниевые ИС работают в гигагерцовом диапазоне, и технологии построения КМОП, биполярных КМОП структур позволяют изготавливать кремниевые ВЧ-ИС на GaAs подложках, рабочие частоты которых также лежат в нижнем гигагерцовом диапазоне, при построении ВЧ и СВЧ схем на-блюд§,ется острая нехватка пассивных элементов, обладающих высокой добротностью. Поскольку кремниевые подложки имеют высокий уровень потерь, на их основе очень трудно строить реактивные компоненты с высокой добротностью. Однако низкая стоимость изготовления кремниевых ИС по сравнению с ИС на GaAs подложках оставляет их конкурентноспособными, и кремниевые элементы будут и далее использоваться при разработке интегрированных ВЧ схем.

стр. 320). Рассматриваемый конденсатор в частотном диапазоне 50 МГц... 20 ГГц при изменении напряжения смещения от 1 до 40 В имел коэффициент перестройки 3.4 : 1. Регулирующее напряжение можно понизить при изготовлении гребенчатой структуры на кремниевой подложке и нанесении сверху нее тонкой ферроэлектриче-ской пленки (Jose et al, 2001).