Карбидокремниевые микромеханические ключи тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат наук Лагош, Антон Валерьянович

• Лагош, Антон Валерьянович
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Лагош, Антон Валерьянович

Оглавление

Введение

Глава 1. Современное состояние разработок микромеханических ключей

1.1. Конструкции микромеханических ключей

1.2. Технология изготовления микромеханических ключей

1.3. Методы улучшения электромеханических параметров микромеханических ключей

1.4. Области применения микромеханических ключей

Выводы по первой главе

Глава 2. Моделирование и проектирование конструкций микромеханических ключей

2.1. Расчет электромеханических параметров

2.1.1. Типовая конструкция микромеханического ключа

2.1.2. Микромеханический ключ с нелинейным упругим элементом

2.1.3. Микромеханический ключ с двумя устойчивыми состояниями

2.2. Расчет высокочастотных параметров микромеханического ключа

2.3. Моделирование работы микромеханического ключа

на высокой мощности

2.4. Особенности использования карбида кремния в качестве материала подвижного элемента

2.5. Разработка карбидокремниевых микромеханических ключей

Выводы по второй главе

Глава 3. Технология изготовления карбидокремниевых микромеханических ключей

3.1. Разработка технологии изготовления карбидокремниевых микромеханических ключей на подложке кремния

3.2. Разработка технологии изготовления карбидокремниевых микромеханических ключей на подложке сапфира

3.3. Исследование возможности управления изгибом поверхности подвижного элемента в карбидокремниевых микромеханических ключах

3.4. Разработка методики корпусирования микромеханических ключей

Выводы по третьей главе

Глава 4. Измерение параметров экспериментальных образцов

4.1. Методика измерения электромеханических и ВЧ параметров микромеханических ключей

4.2. Измерение электромеханических и ВЧ параметров карбидокремниевых микромеханических ключей

4.3. Анализ полученных результатов

Выводы по четвертой главе

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Карбидокремниевые микромеханические ключи»

ВВЕДЕНИЕ

Ключи являются классическими микромеханическими устройствами для ВЧ приложений. В этих устройствах механическое движение используется для замыкания или размыкания ВЧ линии передач (для заданной полосы частот). Другими словами, полное входное сопротивление ВЧ линии передачи управляется механическими движениями подвижного элемента микромеханического ключа.

Микромеханические ключи подходят для использования в ВЧ системах с низким уровнем потерь, которые не требуют высокой скорости переключения [1], поскольку обладают следующими достоинствами по сравнению с твердотельными аналогами:

- низкое энергопотребление;

- низкие вносимые потери во включенном состоянии;

- хорошая изоляция в выключенном состоянии;

- высокая коммутируемая мощность;

- линейность (низкие интермодуляционные искажения).

К недостаткам микромеханических ключей относятся:

- низкая скорость переключения (15... 200 мкс);

- высокое напряжение переключения (40.. .100 В) [2];

- надежность [3].

Первые микромеханические ключи изготавливались на кремнии и поликремнии и использовались в низкочастотных приложениях [4]. Но для ВЧ схем с низким уровнем потерь кремний и поликремний в качестве материалов контактов неприменимы в виду своего достаточно большого удельного сопротивления. Это послужило толчком к развитию микромеханических устройств на основе металлов с высокой удельной проводимостью: алюминия, золота, меди, никеля и платины [5-11].

На сегодняшний день практически единственным коммерчески доступным микромеханическим ключом для ВЧ применения является устройство компании Radant MEMS (США). Данные ключи характеризуются хорошими ВЧ параметрами

и высокой коммутируемой мощностью. Однако, управляющее напряжение составляет величину в 90 В, что значительно усложняет процесс интеграции с другими электронными компонентами.

Улучшение электромеханических параметров микромеханического ключа является актуальной проблемой. Электромеханические параметры взаимосвязаны и улучшение одних может привести к ухудшению других. Для оценки соотношения и оптимизации параметров микромеханических ключей, и сравнения различных конструкций необходимо определить комплексный критерий оптимизации.

Одним из перспективных материалов для подвижных элементов в микромеханических структурах является карбид кремния, обладающий отличными механическими свойствами [12]. Данный материал характеризуется хорошей стойкостью в условиях агрессивной внешней среды. Использование карбида кремния в качестве материала подвижного элемента в микромеханических ключах позволило бы не только улучшить электромеханические параметры, но и расширить область применения таких устройств, снизив влияние деградационных эффектов.

Пленки карбида кремния обладают существенными механическими напряжениями, что приводит к нежелательным деформациям и изгибам микромеханических структур [13] и это необходимо учитывать при проектировании конструкций и разработке технологий микромеханических устройств на его основе.

Цель работы:

Разработка карбидокремниевых микромеханических ключей и исследование возможности улучшения их электромеханических параметров.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

1. Определение критерия оптимизации параметров микромеханического ключа.

2. Аналитическое и численное моделирование работы микромеханического ключа.

3. Проектирование и оптимизация конструкций карбидокремниевых микромеханических ключей.

4. Разработка и совершенствование технологического процесса создания карбидокремниевых микромеханических ключей.

5. Исследование возможности управления изгибом подвижного элемента на основе пленки карбида кремния.

6. Изготовление экспериментальных образцов карбидокремниевых микромеханических ключей.

7. Исследование параметров экспериментальных образцов карбидокремниевых микромеханических ключей.

Научная новизна работы

1. Предложен комплексный критерий оптимизации конструкции микромеханических ключей, позволяющий реализовать конструкцию с лучшим соотношением электромеханических параметров в рамках конкретного технологического процесса.

2. Установлено, что изгибом подвижного элемента на основе пленки карбида кремния, возникающим из-за неравномерного по времени процесса плазмо-стимулированного окисления, можно управлять путем изменения давления остаточной атмосферы в процессе осаждения пленки.

Практическая значимость работы

1. Разработаны аналитические модели расчета электромеханических микромеханических ключей, которые хорошо согласуются с численным моделированием в ПО COMSOL Multiphysics.

2. Спроектирована и оптимизирована конструкция микромеханического ключа с подвижным элементом на основе пленки карбида кремния с двумя устойчивыми состояниями и «внутренним» закреплением торсионных подвесов. Показано, что соотношение электромеханических параметров в такой конструкции лучше, чем в типовых конструкциях микромеханических ключей.

3. Разработана технология изготовления микромеханических ключей с подвижным элементом на основе пленки карбида кремния.

4. Изготовлены экспериментальные образцы карбидокремниевых микромеханических ключей с двумя устойчивыми состояниями и «внутренним» закреплением торсионных подвесов подвижного элемента, а также на основе типового варианта конструкции.

5. Разработана методика и исследованы параметры экспериментальных образцов карбидокремниевых микромеханических ключей.

6. Показано преимущество использования карбида кремния в качестве материала подвижного элемента по сравнению с традиционно используемыми в технологиях микромеханических ключей.

7. Практическая реализация конструкции ключа с подвижным элементом с двумя устойчивыми состояниями и с «внутренним» закреплением торсионных подвесов позволила экспериментально показать ее преимущество в сравнении с типовым вариантом конструкции.

Внедрение

Результаты диссертационной работы непосредственно использованы при выполнении ряда научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ ИЦ ЦМИД и НОЦ «Нанотехнологии»: НИР «Электрон-Снасть» (№ 2011/508 (7092/НОЦ НТ - 22) от 12.12.11 г.), ОКР «Ключ-ЛЭТИ» (договор № 33/190-12 от 27.06.12 г.) и ОКР «Электрон-1П» (государственный контракт № 2014/221(14-7/НОЦ НТ - 27) от 14.02.2014 г.). Исследования также проводились в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы», проект №14.578.21.0120 от 27.10.2015 «Комплекс беспроводных энергонезависимых датчиков температуры и деформаций для бортовой аппаратуры управления и контроля на основе радиочастотной идентификации». Результаты работы внедрены в учебный процесс ФГАОУ ВО СПбГЭТУ «ЛЭТИ» подготовки бакалавров по направлению 28.03.01 «Нанотехнологии и микросистемная техника».

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Установлено, что в рамках предложенного критерия оптимизации, уменьшение управляющего напряжения и повышение быстродействия, при заданной толщине, плотности материала подвижного элемента и величине зазора между управляющими электродами, достигается за счет использования конструкции микромеханического ключа с двумя устойчивыми состояниями и торсионными подвесами.

2. Плазмо-стимулированное окисление поверхности и изменение парциального давления кислорода в процессе роста пленки карбида кремния обеспечивают возможность управления изгибом подвижного элемента на ее основе.

Методы исследования

Для проектирования конструкций микромеханических ключей использовались ПО COMSOL Multiphysics и ПО CST Microwave Studio на основе метода конечных элементов.

Технологический процесс изготовления карбидокремниевых микромеханических ключей был реализован в чистых помещениях НОЦ «Нанотехнологии» СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Использовалось следующее оборудование:

- участок технохимии для химической обработки и очистки пластин;

- участок фотолитографии для формирования микроструктур;

- участок электронно-ионного нанесения металлических пленок для формирования металлизации и контактов;

- участок ионно-химического осаждения пленок SiC и AlN для получения функциональных и жертвенных слоев и композиций;

- участок плазмохимических процессов для сухого травления и микропрофилирования пленок SiC, удаления жертвенных слоев и формирования структур с низким уровнем механических напряжений;

- участок оптической микроскопии для контроля размеров и топологии микроструктур;

- участок сборки для реализации финишных операций разделения кристаллов, контроля и разварки контактов.

Величина изгиба поверхности микромеханических подвижных структур определялась при помощи контрольно-диагностических приборов:

- цифрового оптического микроскопа для 2D и 3D измерений «HIROX 7700»;

- растрового электронного микроскопа «Quanta Inspect».

Исследование параметров экспериментальных образцов карбидокремниевых

микромеханических ключей осуществлялось при помощи зондовой станции прецизионного позиционирования «Cascade Microtech M150» с ВЧ и DC зондами. Апробация результатов

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

- 15-ая научная молодежная школа с международным участием "Физика и технология микро- и наносистем. Карбид кремния и родственные материалы", г. Санкт-Петербург, Россия, 8 - 9 октября 2012 г.;

- 66-ая научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава университета, г. Санкт-Петербург, Россия, 1 - 8 февраля 2013 г.;

- Юбилейная научно-техническая конференция, посвященная 70-летию ФГУП "НПП "Исток", г. Фрязино, Россия, 15 - 16 мая 2013 г.;

- IX научно-техническая конференция молодых специалистов по радиоэлектронике, г. Санкт-Петербург, Россия, ОАО «Авангард», 21 апреля 2016 г.

- 4th International School and Conference "Saint-Petersburg OPEN 2017", г. Санкт-Петербург, Россия, апрель 2017 г.;

- VI Всероссийская научно-техническая конференция «Электроника и микроэлектроника СВЧ», г. Санкт-Петербург, Россия, май-июнь 2017 г.;

- 24-я Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Вакуумная техника и технологии - 2017», г. Санкт-Петербург, Россия, июнь 2017 г.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, из них 5 статей в научных журналах, рекомендованных ВАК при Минобрнауки России для опубликования основных научных результатов диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, также получено свидетельство о государственной регистрации топологии интегральных микросхем. Степень достоверности результатов

Достоверность полученных результатов подтверждается аналитическим и численным моделированиями и их корреляцией с проведенными экспериментами. Литературные данные из отечественных и зарубежных источников также подтверждают полученные результаты.

Все результаты были представлены на научно-технических конференциях и школах всероссийского и международного уровня, а также опубликованы в рецензируемых научных журналах. Результаты работы подтверждены актами о внедрении.

Личный вклад автора

Личный вклад автора заключается в создании аналитических моделей расчета, проектировании конструкций карбидокремниевых микромеханических ключей и численном моделировании их работы, разработке технологии изготовления и корпусирования, а также методик исследования их параметров. Автор принимал активное участие в изготовлении экспериментальных образцов на всех стадиях. Автор лично проводил измерения параметров экспериментальных образцов.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений и библиографического списка, включающего 61 наименование. Диссертация содержит 151 страницу машинописного текста, включая 70 рисунков и 15 таблиц.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ РАЗРАБОТОК МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ КЛЮЧЕЙ

1.1. Конструкции микромеханических ключей

Типовая конструкция микромеханического ключа состоит из подвижного элемента, управляющих электродов и разорванной ВЧ линии передач (Рисунок 1.1). При подаче напряжения на электроды, подвижный элемент изгибается и замыкает линию передач, обеспечивая передачу сигнала. Далее, после снятия напряжения, за счет упругой возвращающей силы подвижный элемент возвращается в исходное состояние, тем самым размыкая линию передач и прерывая передачу сигнала.

Рисунок 1.1. Типовая конструкция микромеханического ключа

Микромеханические ключи классифицируются по типу контакта, исполнительному механизму, конструкции подвижного элемента и конфигурации схемы включения (Таблица 1.1).

Управлять переключением микромеханического ключа можно при помощи следующих механизмов: электростатического [15], магнитостатического [16], пьезоэлектрического [17] и теплового [18, 19].

Таблица 1.1. Классификация микромеханических ключей [14]

Механизм включения

Напряже ние, В Ток, мА Потребл ение, мВт Размер Время переключе ния, мкс Контактная сила, мкН

Электростатическ ий 20-100 Маленький 1-200 50-1000

Тепловой 3-5 5-100 0-200 Большой 300-10000 500-4000

Магнитостатическ ий 3-5 20-150 0-100 Средний 300-1000 50-200

Пьезоэлектрическ ий 3-20 ^0 ^0 Средний 50-500 50-200

Движение (в соответствии с типом конструкции)

Вертикальное Обычно реализуется в устройствах с маленькими размерами

Латеральное Обычно реализуется в устройствах с большими размерами

Тип контакта

Металл-метал БС-60 ГГц

Емкостной 6-120 ГГц

Конфигурация схемы включения

Последовательное включение БС-50 ГГц с контактом типа металл-металл

10-50 ГГц с емкостным контактом

Параллельное включение БС-60 ГГц с контактом типа металл-металл

10-200 ГГц с емкостным контактом

Электростатический механизм управления

Основным преимуществом использования электростатического механизма управления переключением микромеханического ключа является практически нулевое потребление энергии. К недостаткам ряда конструкций с таким механизмом управления можно отнести зарядку диэлектрика и последующее залипание управляющих электродов.

В качестве примера конструкции ключа с электростатическим механизмом управления рассмотрим разработку ученых из Техниона [20] (Рисунок 1.2).

Рисунок 1.2. Общий вид ВЧ модуля, содержащего три микромеханических ключа. (А) Переключающая пластина подвижной структуры. (В) Упругие элементы подвижной структуры. (С) КПВ, сигнальная линия. (Б) КПВ, земляная шина/нижний электрод линии управления. (Е) Электрод линии управления. (Б) Рамка для корпусирования. (О) Подложка [20]

Ключ состоит из трех основных элементов: схема, переключающий мостик и рамка для корпусирования. Схема включает в себя: КПВ линию передачи и линии управления переключением. Схема представляет собой контактную шунтирующую архитектуру. Подвижная микромеханическая структура состоит из подвижной массы (металлический мостик) и упругих подвесов. Размеры одного микромеханического ключа составляют 170x600 мкм.

Переключающий мостик состоит из трех слоев: низкоомного слоя из монокристаллического кремния, слоя металла и диэлектрического слоя между ними. Металлический слой обращен своей поверхностью к схеме (Рисунок 1.3).

Silicon handle layer DC metallization Substrate Wafer ■ sPacer metallization

Рисунок 1.3. Схематическая модель шунтирующего микромеханического ключа [20]. (A) Вид снизу микромеханического мостикового подвижного элемента из кремния (голубой) со слоями диэлектрика (желтый) и металла (красный). (B) Упругие подвесы из кремния (голубой). (C) Сигнальная шина (красный). (D) Земляная шина (красный). (E) Шина питания (зеленый). (F) Рамка для корпусирования на основе кремния (синий). (G) Разделительный слой (фиолетовый).

Управляющий сигнал подается между низкоомным слоем кремния и земляной шиной линии передачи. Слой металла является активной частью микромеханического ключа, меняя состояние от малой емкости в верхнем состоянии до омического контакта в нижнем состоянии. Поскольку используется шунтирующая конструкция, металлический слой мостика связывает сигнальную линию и земляные шины. Слой диоксида кремния выполняет роль изолятора между низкоомным слоем кремния и металлическим слоем, тем самым развязывая линию управления и линию передачи сигнала. В качестве материала подложки использовался GaAs с диэлектрической проницаемостью 12,9.

В качестве упругих подвесов в подвижном элементе используются змеевидные пружины. Такая форма позволяет снизить аксиальные напряжения в структуре, закрепленной с двух сторон.

Разработчики данной конструкции сообщают, что напряжение включения такого ключа составляет 140 В, а время переключения 90 мкс. При этом на частоте 35 ГГц изоляция лежит на уровне 34 дБ, вносимые потери на той же частоте 0,1 дБ, а потери на отражение -26 дБ. Можно сделать вывод, что данная конструкция обладает отличными ВЧ характеристиками, но время переключения и управляющее напряжение требуют значительной оптимизации.

Магнитостатический механизм управления

Магниты стали появляться в качестве микромеханических приводов именно для использования в микромеханических ключах [21-24]. Магнитостатический механизм имеет множество преимуществ перед электростатическими, пьезоэлектрическими и тепловыми механизмами. К примеру, создаваемые усилия могут быть на уровне миллиньютонов, а перемещение на уровне миллиметров. Но основным недостатком такого механизма является сложность технологии, поскольку требуются такие компоненты как электромагнитные катушки.

В работе [21] представлен магнитный микромеханический ключ, в котором формируется замыкающее усилие порядка 200 мкН с напряжением срабатывания менее 0,7 В и потребляемой мощностью 13 мВт. Ключ замыкается за 65 мкс, устойчивое состояние достигается за 200 мкс. Поскольку магнитостатический микромеханический ключ изготавливается при помощи методов поверхностной микрообработки, при низких температурах (<300 °С) и управляется низким напряжением (<0,7 В), то открывается возможность полной совместимости с КМОП и твердотельными приборами, изготовленными на кремниевой, сапфировой или кварцевой подложках. Изображения микромеханического ключа представлены на Рисунке 1.4.

Permalloy Springs

Gold Contacts

а

Stationary Permalloy Core (stator)

Copper Windings

Moving Permalloy Core (armature)

5.0kVx60

■ I I I I 1 I I I I

500um

Рисунок 1.4. Изображение микромеханического ключа с магнитостатическим механизмом

управления [21]: а - РЭМ изображение; б - оптическое изображение

Для достижения больших усилий на большем расстоянии используется высокопроницаемый пермаллой NiFe 80/20 с соленоидальной обмоткой [21], для минимизации потребляемой энергии, времени переключения и площади кристалла. Обмотки изготовлены из меди из-за ее низкого поверхностного сопротивления, а электрические контакты изготовлены из золота из-за его низкого контактного сопротивления. Переключатель разработан таким образом, чтобы минимизировать величину тока, требуемого для возбуждения катушки (<20 мА) и, тем самым снижая необходимую площадь КМОП транзистора, управляющего переключением катушки. Тесно упакованные обмотки имеют толщину 11 мкм с зазором 9 мкм и расположены на пермаллое №Бе с шагом от 9 до 10 мкм. Переключатель имеет вытянутую форму вдоль направления переключения для размещения большего числа обмоток. Удлиненная конструкция позволила разместить больше обмоток на единицу площади, чем это было бы реализовано в тороидальной конструкции при минимальном шаге обмоток. Тороидальная конструкция имеет ограничительное пространство для обмотки в центре. Важным следствием удлинения конструкции стало увеличение краевого потока через внутреннее пространство, закрытое сердечником.

Возвратная пружина изготовлена из того же пермаллоя NiFe 80/20, используемого для изготовления ферромагнитного сердечника. Чтобы исключить

дополнительную жесткость в NiFe 80/20, вызванную растягивающими напряжениями (~ 280 Мпа), возвратная пружина разработана специальной формы («folded flexure») [21].

Переключатель был испытан на 3 106 рабочих циклах. Поскольку коммутатор еще не был помещен в корпус, то контактное сопротивление ключа несколько варьировалось (250 мОм ± 150 мОм). После 3 106 рабочих циклов, переключатель сохранил низкое контактное сопротивление, но периодически застревал во включенном положении (залипание контактов). Устройство переключается быстрее, чем аналогичные магнитные микромеханические ключи, благодаря большему усилию и меньшей массе (даже для двухпозиционных устройств). Если учитывать время дребезга контактов, то время выхода на устойчивое состояние составит величину менее 200 мкс, которая существенно ниже, чем у большинства магнитных микромеханических ключей. При минимальной мощности актюации (5 мВт), переключатель закрывается за время <250 мкс.

Авторы статьи [21] сообщают, что будущие конструкции переключателей будут иметь два контакта на якоре, что позволит уменьшить суммарное сопротивление переключателя. Работа будет сосредоточена на корпусировании устройства в инертной атмосфере, разработке и внедрении технологии скользящих контактов. Эти доработки и экспериментальные улучшения позволят снизить контактное сопротивление и в тоже время повысить срок службы переключателя. Так же, можно увеличить толщину устройства, в этом случае, при той же мощности актюации будет создаваться большее контактное усилие. В тоже время, при использовании более толстого сердечника потребуется внедрение специальных слоев для снятия внутренних напряжений, что приведет к снижению плотности обмотки.

Тепловой механизм управления

Помимо высокого напряжения включения, к недостаткам электростатического механизма управления можно отнести проблему залипания контактов, вследствие эффекта зарядки диэлектрического слоя между ними, что существенно снижает

надежность таких ключей. Микроактюаторы с тепловым механизмом управления позволяют избежать такой проблемы и более того снизить управляющее напряжение [25-28]. Также, на основе теплового механизма управления могут быть спроектированы конструкции с высоким коэффициентом жесткости и большими контактными силами, что обеспечивает низкое контактное сопротивление. Такие микромеханические ключи будут способны коммутировать сигналы высокой мощности и обладать хорошей надежностью работы на отказ. Несмотря на все преимущества микромеханических ключей с тепловым механизмом управления, существенным недостатком, ограничивающим их широкое использование, является высокое энергопотребление. Решением этой проблемы может быть конструкция, использующая защелкивающийся механизм, которая также обеспечит хорошие ВЧ параметры [29].

Рассматриваемый в работе [29] широкополосный защелкивающийся микромеханический ключ с тепловым механизмом управления (Рисунок 1.5) показывает превосходную производительность вплоть до 40 ГГц.

Рисунок 1.5. Защелкивающийся микромеханический ключ с тепловым механизмом

управления [29]

Ключ использует два тепловых актюатора, оттягивающих два плеча, которые фактически являются сигнальными линиями двух копланарных линий передачи. Каждое плечо составляет 8 мкм в ширину и 300 мкм в длину. Толщина плеча формируется в процессе изготовления и составляет 20 мкм. Порты ввода/вывода спроектированы таким образом, чтобы согласовать систему с ВЧ линией с волновым сопротивлением в 50 Ом. Используемые сигнальные плечи имеют малое поперечное сечение для снижения коэффициента жесткости. Для согласования по волновому сопротивлению, зазоры формируются узкими, в тоже время, обеспечивая достаточно пространства для движения актюатора. Для соединения тепловых актюаторов с сигнальными плечами используется тонкий слой нитрида. Это позволяет отделить ВЧ схему от актюатора и упрощает технологический процесс. Использование диэлектрического моста (нитрида) в качестве интерфейса между актюаторами и тонкими плечами позволяет работать в широкополосном диапазоне.

Ключ работает на коротких импульсах низкого напряжения или тока, оставаясь в устойчивом состоянии с нулевым потреблением энергии. При подаче тока через актюаторы (при помощи металлического или поликремниевого нагревателя), ключ защелкивается, переходя во включенное состояние.

Время переключения разработанного ключа [29] составляет 16 мс, а потребляемая мощность порядка 0,5 Вт. Данный ключ демонстрирует хорошую работоспособность в широкой полосе частот с вносимыми потерями менее 0,3 дБ на частоте 20 ГГц и 0,8 дБ на частоте 40 ГГц. Потери на отражение и изоляция ключа составляют величины более 20 дБ для всего диапазона частот. Ключ также был успешно испытан для коммутации ВЧ сигнала с мощностью до 40 дБм. Ключ имеет очень простую ВЧ структуру, что позволяет интегрировать его в более сложные схемы переключения.

Пьезоэлектрический механизм управления

Как уже упоминалось ранее, в микромеханических ключах чаще всего используются электростатический, магнитостатический, тепловой и

пьезоэлектрический механизмы управления. Наиболее активные разработки ведутся именно по конструкциям с электростатическим механизмом актюации, в связи с простотой дизайна, технологии и отсутствия ограничений по материалам. Однако, ключ с электростатическим механизмом требует высоких управляющих напряжений 20 - 50 В, что автоматически требует использования дополнительного DC-DC конвертора. Для снижения напряжения включения можно понизить жесткость конструкции, но это ухудшает надежность микромеханического ключа. Использование электромагнитного или теплового механизма значительно снижает напряжение включения. Однако при этом, возрастает потребление мощности и время переключения, что ограничивает круг применения такой конструкции. С этой точки зрения пьезоэлектрический механизм является компромиссом, поскольку позволяет уменьшить напряжение включения без ущерба для других параметров микромеханического ключа.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Лагош, Антон Валерьянович, 2017 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Низкопотребляющие малогабаритные радиотехнические модули на основе микроэлектромеханических ключей / Бохов О. С. [и др.] // Нано- и микросистемная техника. - 2012. - №12. С. 60-71.

2. Electromechanical considerations in developing low-voltage RF MEMS switches / Peroulis D. [et al.] // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. - 2003. - Vol. 51(1). - P. 259-270.

3. Лагош А.В. Механизмы деградации ВЧ МЭМС-ключей / Лагош А.В., Корляков А. В. // Нано- и микросистемная техника. - 2016. - №5(18). С. 316-331.

4. Petersen K. E. Micromechanical membrane switches on silicon // IBM Journal of Research and Development. - 1979. - Vol. 23(4). - P. 376-385.

5. Performance of low-loss RF MEMS capacitive switches / Goldsmith C. L. [et al.] // IEEE Microwave and Guided Wave Letters. - 1998. - Vol. 8(8). - P. 269-271.

6. Tait R. N. An IC compatible process for fabrication of RF Switches and tunable capacitors // Journal of Electrical and Computer Engineering. - 2000. -Vol. 25(1). - P. 25-28.

7. Novel DC-Contact MEMS shunt switches and high-isolation series/shunt designs / Muldavin J. B., Rebeiz G. M. // 2001 31st European Microwave Conference. -2001. - P. 1-3.

8. Fabrication of high power RF MEMS switches / Wang L. [et al.] // Journal of Microelectronic Engineering. - 2006. - Vol. 83(4-9). - P. 1418-1420.

9. Low-cost low actuation voltage copper RF MEMS switches / Balaraman D. [et al.] // 2002 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest. - 2002. P. 1225-1228,

10. Low actuation voltage capacitive shunt RF MEMS switch having a corrugated bridge / Song Y.-T., Lee H.-Y., Esashi M. // IEICE Transactions on Electronics. - 2006. - Vol. E89-C(12). - P. 1880-1887.

11. Evaluation of platinum as a structural thin film material for RF-MEMS devices / Ekkels P. [et al.] // Journal of Micromechanics and Microengineering. - 2009.

- Vol. 19(6). - P. 1-8.

12. Микроэлектромеханический ключ для СВЧ-применения на основе пленок карбида кремния / Корляков А. В., Лагош А. В., Лучинин В. В. // Электронная техника. Серия 1: СВЧ-техника. - 2013. - №3(518). С. 80-85.

13. Асташенкова О. Н. Физико-технологические основы управления механическими напряжениями в тонкоплёночных композициях микромеханики: автореф. дис. ...канд. тех. наук: 05.27.01. - СПб., 2015. - 18 с.

14. Rebeiz G. M. RF MEMS: theory, design, and technology. - John Wiley & Sons, 2003. - 512 p.

15. Разработка микромеханического реле с электростатическим принципом управления / Тимошенков С. П. [и др.] // Оборонный комплекс

- научно-техническому прогрессу России. - 2007. - №1. - С. 16-20.

16. Magnetostatic MEMS relays for the miniaturization of brushless DC motor controllers / Wright J. A., Tai Y.-C. // Technical Digest 12th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems. - 1999. - P. 594-599.

17. Piezoelectrically actuated RF MEMS DC contact switches with low voltage operation / Lee H.-C., Park J.-Y., Bu J.-U. // IEEE microwave and wireless components letters. - 2005. - Vol. 15(4). - P. 202-204.

18. Electrothermally actuated RF MEMS switches suspended on a low-resistivity substrate / Girbau D. [et al.] // Journal of Microelectromechanical Systems. -2007. - Vol. 16(5). - P. 1061-1070.

19. Микродвижители для микророботехники / Калёнов В. Е. [и др.] // Нано-и микросистемная техника. - 2013. - №12. - С. 41-46.

20. Hybrid RF-MEMS switches realized in SOI wafers by bulk micromachining / Aharon O., Gal L., Nemirovsky Y. // Journal of Microelectromechanical Systems. -2010. - Vol. 19(5). - P. 1162-1174.

21. High-performance lateral-actuating magnetic MEMS switch / Glickman M. [et al.] // Journal of Microelectromechanical Systems. - 2011. Vol. 20(4). - P. 842-851.

22. CMOS-compatible back-end process for in-plane actuating ferromagnetic MEMS / Glickman M. [et al.] // Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems Conference. - 2009. - P. 248-251.

23. Design and implementation of a bistable microcantilever actuator for magnetostatic latching relay / Wu Y. [et al.] // Microelectronics Journal. - 2010. - Vol. 41(6). - P. 325-330.

24. Design and fabrication of a single membrane push-pull SPDT RF MEMS switch operated by electromagnetic actuation and electrostatic hold / Cho I.-J., Yoon E. // Journal of Micromechanics and Microengineering. - 2010. - Vol. 20(3). - P. 1-7.

25. Разработка и исследование термомеханического биморфного микроактюатора / Корляков А. В. [и др.] // Нано- и микросистемная техника. - 2015. - №12(185). - С. 56-62.

26. Analysis and design of polysilicon thermal flexure actuator / Huang Q.-A., Lees N. K. S. // Journal of Micromechanics and Microengineering. - 1999. - Vol. 9(1). -P. 64-70.

27. Thermo-magnetic metal flexure actuators / Guckel H. [et al.] // Technical Digest IEEE Solid-State Sensor and Actuator Workshop. - 1992. - P. 73-75.

28. Nickel-plated thermal switch with electrostatic latch / Driesen M. [et al.] // Sensors and Actuators A: Physical. - 2010. - Vol. 164(1-2). - P. 148-153.

29. Thermally actuated latching RF MEMS switch and its characteristics / Daneshmand M. [et al.] // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. -2009. - Vol. 57(12). - P. 3229-3238.

30. A fully wafer-level packaged RF MEMS switch with low actuation voltage using a piezoelectric actuator / Park J.-H. [et al.] // Journal of Micromechanics and Microengineering. - 2006. - Vol. 16(11). - P. 2281-2286.

31. Contact resistance study of noble metals and alloy films using a scanning probe microscope test station / Chen L. [et al.] // Journal of Applied Physics. - 2007. -Vol. 102(7) - P. 074910.

32. Study of contacts in an electrostatically actuated microswitch / Majumder S. [et al.] // Sensors and Actuators A: Physical. - 2001. - V. 93(1). - P. 19-26.

33. Electro-thermally actuated RF MEMS switch for wireless communication / Li X. [et al.] // 2010 IEEE 5th International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems. - 2010. - P. 497-500.

34. A low actuation voltage electrostatic actuator for RF MEMS switch applications / Chu C.-H. [et al.] // Journal of micromechanics and microengineering. -2007. - Vol. 17(8). - P. 1649-1656.

35. MEMS microswitches for reconfigurable microwave circuitry / Duffy S. [et al.] // IEEE Microwave and wireless components letters. - 2001. - Vol. 11(3). - P. 106108.

36. Ultra low actuation voltage RF MEMS switch / Attaran A., Rashidzadeh R. // Micro and Nano Systems Letters. - 2015. - Vol. 3(7). - P. 1-4.

37. Low-actuation voltage MEMS digital-to-analog converter with parylene spring structures / Ma C.-W. [et al.] //Sensors. - 2015. - Vol. 15(9). - P. 21567-21580.

38. Capacitive RF MEMS switches using ultrananocrystalline diamond films / Lebedeva A., Alagashev G. // Proceedings of the 2014 IEEE NW Russia Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference. -2014. - P. 54-56.

39. A packaged, high-lifetime ohmic MEMS RF switch / Majumder S. [et al.] // IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest. - 2003. - P. 1935-1938.

40. Коммутационная техника на основе технологий МСТ / Афиногенов И. А., Конькин А. В. // Сборник докладов международной научно-технической конференции Радиотехника, электроника и связь. ФГУП "Омский научно-исследовательский институт приборостроения" - 2011. С. 314-321.

41. Исследование факторов, определяющих элементно-химический состав и морфологические особенности контактных покрытий МЭМС-коммутаторов / Афиногенов И. А., Зельцер И. А., Трунин Е. Б. // Вестник Рязанского государственного университета имени С.А. Есенина. - 2014. - №3(44). - С. 114 -139.

42. Щаврук Н. В. Проектирование и изготовление микроэлектромеханических переключателей на положках GaAs для СВЧ диапазона: автореф. дис. .канд. тех. наук: 05.27.01. - Москва, 2015. - 27 с.

43. Iannacci J. Practical guide to RF-MEMS. - John Wiley & Sons, 2013. -

372 p.

44. A reconfigurable impedance matching network entirely manufactured in RF-MEMS technology / Iannacci J. [et al.] // Proceedings of SPIE: Smart Sensors, Actuators, and MEMS V. - 2011. - Vol. 8066. - P. 80660X-1-80660X-12.

45. A MEMS-based wide-band multi-state power attenuator for radio frequency and microwave applications / Iannacci J. [et al.] // Nanotechnology 2010: Electronics, Devices, Fabrication, MEMS, Fluidics and Computational. - 2010. - Vol. 2- P. 328-331.

46. Пат. RU2406688 С1 РФ, B81B7/02. Микроэлектромеханический ключ / Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" - № RU 2009127086/28; Заявлено 16.07.2009; Опубл. 20.12.2010. - 9 с.

47. Design and development of a surface micro-machined push-pull-type true-time-delay phase shifter on an alumina substrate for Ka-band T/R module application / Dey S., Koul S. K. // Journal of Micromechanics and Microengineering. - 2012. - Vol. 22(12). - P. 1-20.

48. Kreith F. Mechanical engineering handbook. - Boca Raton: CRC Press, 1999. - 2091 p.

49. Electrostatic aluminum micromirrors using double-pass metallization / Buhler J. et al. //Journal of Microelectromechanical systems. - 1997. - Vol. 6(2). - P. 126-135.

50. Simons R. N. Coplanar waveguide circuits, components and systems. - New York: John Wiley & Sons, 2001. - 464 p.

51. Binns K. J., Lawrenson P. J. Analysis and computation of electric and magnetic field problems. - Pergamon Press, 1973. - 352 p.

52. RF MEMS switches with SiC microbridges for improved reliability / Scardelletti M. C., Zorman C. A., Oldham D. R. // 2008 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium. -2008. - P. 1-4.

53. Group III nitride and SiC based MEMS and NEMS: materials properties, technology and applications / Cimalla V., Pezoldt J., Ambacher O. // Journal of Physics D: Applied Physics. - 2007. - Vol. 40(20). - P. 6386.

54. Wijesundara M., Azevedo R. Silicon carbide microsystems for harsh environments. - Springer Science & Business Media, 2011. - 247 p.

55. Amorphous SiC as a structural layer in microbridge-based RF MEMS switches for use in software-defined radio / Parro R. J. [et al.] // Solid-State Electronics. - 2008. - Vol. 52(10). - P. 1647-1651.

56. Семейство карбидокремниевых твердотельных, вакуумных и микромеханических ключей для экстремальных условий эксплуатации / Афанасьев А. В. [и др.] // Электроника и микроэлектроника СВЧ. - 2017. - №1(1). - С. 80-84.

57. Micromechanics based on silicon carbide / Astashenkova O. N., Korlyakov

A. V., Luchinin V. V. // Materials Science Forum. - 2013. - Vol. 740-742. - P. 998-1001.

58. Свид. ТИМС RU2016630165 РФ. Микроэлектромеханический ключ для сверхвысокочастотного применения / Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им.

B.И. Ульянова (Ленина)» (СПбГЭТУ «ЛЭТИ») - № RU 2016630114; Заявлено 12.10.2016; Опубл. 20.12.2016. - 1 с.

59. Research of mechanical stresses in micromechanical structures based on silicon carbide films produced by magnetron sputtering / Mikhailova O. N., Korlyakov A. V., Lagosh A. V. // Journal of Physics: Conference Series. - 2017. - Vol. 872(1). -P. 1-3.

60. Oberhammer J. Novel RF MEMS switch and packaging concepts: Doctoral thesis: Engineering and Technology. - Stockholm, 2004. - 154 p.

61. "Cavity-micromachining" technology: Zero-package solution for inertial sensors / Aigner R. et al. // Transducers' 01 Eurosensors XV. - 2001. - P. 186-189.