Интегральный микроэлектромеханический переключатель
INTEGRATED MICROELECTROMECHANICAL SWITCH

Предлагаемое изобретение относится к области микросистемной техники и может быть использовано в интегральной электронике для коммутации сигналов.
Известен интегральный микроэлектромеханический переключатель [Gabriel М. Rebeiz, RF MEMS: Theory, Design, and Technology, John Wiley & Sons, Inc. ISBN: 0471-20169-3, p.125, fig. 5.3] который содержит подложку с расположенным на ней компланарным волноводом, состоящим из двух заземляющих линий и линии передачи, выполненных из проводникового материала, неподвижный электрод электростатического привода, выполненный из проводникового материала и расположенный непосредственно на линии передачи, диэлектрический слой, расположенный на поверхности неподвижного электрода электростатического привода, подвижный электрод электростатического привода, выполненный в виде пластины с перфорацией из проводникового материала и расположенный с зазором относительно диэлектрического слоя, закрепленный на подложке с помощью опорных элементов, выполненных из проводникового материала и расположенных непосредственно на заземляющих линиях компланарного волновода, образующий с линией передачи плоский конденсатор переменной емкости.
Данный переключатель позволяет коммутировать сигналы частотой до 40 ГГц с низкими вносимыми потерями, низкой индуктивностью, малым временем переключения, низким напряжением смещения.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, являются компланарный волновод, неподвижный электрод электростатического привода, подвижный электрод электростатического привода, выполненный в виде пластины с перфорацией из проводникового материала, диэлектрический слой, опорные элементы, выполненные из проводникового материала.
Недостатком конструкции переключателя являются возможные произвольные срабатывания при коммутации сигналов высокой мощности, чувствительность к вибрациям и внешним ускорениям вдоль осей X, Y, Z, прилипание подвижного электрода электростатического привода к неподвижному электроду, вызванное инжекцией зарядов на поверхность и в объем диэлектрического слоя, что приводит к значительному снижению добротности, а так же в связи с этим высокая плотность электрического тока, протекающего через диэлектрический слой и внезапная разность потенциалов между двумя точками, что, как правило, приводит к необратимому разрушению диэлектрического слоя, который начинает вести себя как проводник.
Функциональным аналогом заявленного объекта является микроэлектромеханический переключатель [Gabriel М. Rebeiz, RF MEMS: Theory, Design, and Technology, John Wiley & Sons, Inc. ISBN: 0471-20169-3, p. 126, fig. 5.4] содержащий подложку с расположенным на ней компланарным волноводом, состоящим из двух заземляющих линий и линии передачи, выполненных из проводникового материала, неподвижный электрод электростатического привода, выполненный из проводникового материала и расположенный непосредственно на линии передачи, диэлектрический слой, расположенный на поверхности неподвижного электрода электростатического привода, подвижный электрод электростатического привода, выполненный в виде пластины с перфорацией из проводникового материала, образующий с линией передачи плоский конденсатор переменной емкости, расположенный с зазором относительно диэлектрического слоя и закрепленный на подложке с помощью опорных элементов, расположенных непосредственно на заземляющих линиях компланарного волновода по средством упругих элементов подвеса, имеющих форму меандра, выполненных из проводникового материала.
Данный переключатель позволяет коммутировать сигналы частотой до 40 ГГц с низкими вносимыми потерями, низкой индуктивностью, малым временем переключения, низким напряжением смещения, обладает высоким соотношением емкости благодаря использованию материала с высокой диэлектрической проницаемостью в качестве материала диэлектрического слоя.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, являются компланарный волновод, неподвижный электрод электростатического привода, подвижный электрод электростатического привода, выполненный в виде пластины из проводникового материала с перфорацией, диэлектрический слой, опорные элементы, выполненные из проводникового материала, упругие элементы подвеса, имеющие форму меандра, выполненные из проводникового материала.
Недостатком конструкции переключателя является чувствительность к вибрациям и внешним ускорениям вдоль осей X, Y, Z, прилипание подвижного электрода электростатического привода к неподвижному электроду, вызванное инжекцией зарядов на поверхность и в объем диэлектрического слоя, что приводит к значительному снижению коэффициента емкости, возможные произвольные срабатывания при коммутации сигналов высокой мощности, а так же высокая плотность электрического тока, протекающего через диэлектрический слой и внезапная разность потенциалов между двумя точками, что, как правило, приводит к необратимому разрушению диэлектрического слоя, который начинает вести себя как проводник.
Из известных наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является интегральный микроэлектромеханический переключатель [S.-C. Shen and М. Feng, Low actuation voltage RF MEMS switches with signal frequencies from 0.25 GHz to 40 GHz, in Proceedings, IEEE International Electronics Device Meeting, December 1999, p. 689, fig. 1], содержащий подложку с расположенным на ней компланарным волноводом, состоящим из двух заземляющих линий и линии передачи, выполненных из проводникового материала, емкостной переключающий элемент, образованный двумя неподвижными нижними электродами электростатического привода, выполненными из проводникового материала и расположенными непосредственно на подложке симметрично по краям линии передачи и с зазором под подвижным электродом электростатического привода, выполненным в виде пластины с перфорацией из проводникового материала, закрепленным на подложке с помощью опорных элементов, выполненных из проводникового материала и находящихся непосредственно на заземляющих линиях компланарного волновода, неподвижный верхний электрод, выполненный из проводникового материала и закрепленный на подложке с помощью опорных элементов, выполненных из проводникового материала и расположенный с зазором над подвижным электродом электростатического привода, диэлектрический слой, расположенный на поверхности неподвижных нижних электродов электростатического привода и линии передачи.
Данный переключатель позволяет коммутировать сигналы частотой до 40 ГГц с низкими вносимыми потерями и низкой индуктивностью.
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками, являются подложка с расположенным на ней компланарный волноводом, неподвижный нижний электрод, выполненный из проводникового материала, подвижный электрод электростатического привода, выполненный в виде пластины с перфорацией из проводникового материала, неподвижный верхний электрод электростатического привода, выполненный из проводникового материала и расположенный с зазором над подвижным электродом, диэлектрический слой, опорные элементы, выполненные из проводникового материала, упругие подвесы, состоящие из упругих балок в форме меандра, выполненные из проводникового материала.
Недостатком конструкции данного переключателя является чувствительность к механическим воздействиям, таким как вибрации, внешнее ускорение в положительном и отрицательном направлении осей X, Y, прилипание подвижного электрода электростатического привода к диэлектрическому слою, вызванное инжекцией зарядов на поверхность и в объем диэлектрического слоя, что приводит к значительному снижению коэффициента емкости, в связи с этим недостаточная жесткость конструкции переключателя для того, чтобы подвижный электрод электростатического привода принял исходное положение в следствии действия сил упругости и как следствие относительно высокое время переключения из одного состояния в другое, возможные произвольные срабатывания при коммутации сигналов высокой мощности, а так же высокая плотность электрического тока, протекающего через диэлектрический слой и внезапная разность потенциалов между двумя точками, что, как правило, приводит к необратимому разрушению диэлектрического слоя, который начинает вести себя как проводник.
Технический результат, достигаемый при осуществлении предполагаемого изобретения, заключается в возможности коммутации сигналов сантиметрового волнового диапазона с низкими вносимыми потерями, низкой индуктивностью, низким напряжением смещения, малым временем переключения из одного состояния в другое, исключение чувствительности к вибрациям, внешним ускорениям в положительном и отрицательном направлении осей X, Y, Z, наличие механизмов возвращения подвижного электрода электростатического привода в исходное состояние в случае его прилипания в нижнем или в верхнем положении, исключение произвольных срабатываний переключателя при коммутации сигналов высокой мощности, повышение жесткости конструкции неподвижного верхнего электрода электростатического привода.
Технический результат достигается за счет введения двух электростатических приводов, первый из которых содержит емкостной переключающий элемент, образованный неподвижным нижним электродом электростатического привода, выполненным из проводникового материала, встроенным в линию передачи компланарного волновода с нанесенным на его поверхность диэлектрическим слоем, расположенным с зазором под подвижным электродом электростатического привода, выполненным в виде пластины с перфорацией из проводникового материала, закрепленным на подложке с помощью четырех опорных элементов, выполненных из проводникового материала и расположенных непосредственно на заземляющих линиях компланарного волновода, по средством упругих элементов подвеса, выполненных в виде упругих балок в форме меандра из проводникового материала, неподвижным верхним электродом электростатического привода, выполненным в виде пластины с перфорацией из проводникового материала с нанесенными на его поверхность поперечными упругими балками из проводникового материала, закрепленного на четырех опорных элементах, расположенных непосредственно на подложке, второй электростатический привод, состоящий из двух подвижных электродов электростатического привода, выполненных из проводникового материала в виде гребенчатых структур с одной из сторон, расположенных симметрично по обе стороны подвижного электрода первого электростатического привода и закрепленных на опорных элементах крепления подвижного электрода первого электростатического привода с помощью двух пар упругих подвесов, выполненных в виде упругих балок из проводникового материала и двух упругих элементов, выполненных из проводникового материала и закрепленных непосредственно на подвижном электроде первого электростатического привода, двух неподвижных электродов электростатического привода, выполненных из проводникового материала в виде гребенчатых структур с одной из сторон и расположенных непосредственно на подложке по обе стороны от подвижных электродов второго электростатического привода с возможностью электростатического взаимодействия с ними в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенками электродов.
Для достижения необходимого технического результата в интегральный микроэлектромеханический переключатель, содержащий подложку с расположенным на ней компланарным волноводом, состоящим из двух заземляющих линий и линии передачи, выполненных из проводникового материала, неподвижный нижний электрод первого электростатического привода, выполненный из проводникового материала, диэлектрический слой, расположенный на поверхности неподвижного нижнего электрода первого электростатического привода, подвижный электрод первого электростатического привода, выполненный в виде пластины с перфорацией из проводникового материала и расположенный с зазором относительно диэлектрического слоя, закрепленный на подложке с помощью четырех опорных элементов, выполненных из проводникового материала и расположенных непосредственно на заземляющих линиях компланарного волновода по средством упругих элементов подвеса, выполненных в виде упругих балок в форме меандра из проводникового материала, неподвижный верхний электрод первого электростатического привода, выполненный в виде пластины с перфорацией из проводникового материала, введен закрепленный на четырех опорных элементах, выполненных из проводникового материала и расположенных непосредственно на заземляющих линиях компланарного волновода по средством упругих элементов подвеса, второй электростатический привод, состоящий из двух подвижных электродов второго электростатического привода, выполненных из проводникового материала в виде гребенчатых структур с одной из сторон, расположенных симметрично по обе стороны подвижного электрода первого электростатического привода и закрепленных на опорных элементах крепления подвижного электрода первого электростатического привода с помощью двух пар упругих подвесов, выполненных в виде упругих балок из проводникового материала и двух упругих элементов, выполненных из проводникового материала и закрепленных непосредственно на подвижном электроде первого электростатического привода, двух неподвижных электродов второго электростатического привода, выполненных из проводникового материала в виде гребенчатых структур с одной из сторон и расположенных непосредственно на подложке по обе стороны от подвижных электродов второго электростатического привода с возможностью электростатического взаимодействия с ними в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенками электродов, причем неподвижный нижний электрод первого электростатического привода расположен непосредственно на линии передачи, а на поверхность неподвижного верхнего электрода первого электростатического привода нанесены поперечные упругие балки из проводникового материала, подложка выполнена из высокорезистивного материала.
Сравнивая предлагаемое устройство с прототипом, видим, что оно содержит новые признаки, то есть соответствует критерию новизны. Проводя сравнение с аналогами, приходим к выводу, что предлагаемое устройство соответствует критерию «существенные отличия», так как в аналогах не обнаружены предъявляемые новые признаки.
На Фиг. 1 приведена топология предлагаемого интегрального микроэлектромеханического переключателя и показано сечение. На Фиг. 2 приведено сечение предлагаемого интегрального микроэлектромеханического переключателя.
Интегральный микроэлектромеханический переключатель (Фиг. 1) содержит подложку 1 с расположенным на ней компланарным волноводом 2, состоящим из двух заземляющих линий 3, 4 и линии передачи 5, выполненных из проводникового материала, неподвижный нижний электрод первого электростатического привода 6, выполненный из проводникового материала и встроенный в линию передачи 5 компланарного волновода 2 с нанесенным на его поверхность диэлектрическим слоем 7, расположенным с зазором под подвижным электродом первого электростатического привода 8, выполненным в виде пластины с перфорацией из проводникового материала, закрепленным на подложке 1 с помощью опорных элементов 9, 10, 11, 12, выполненных из проводникового материала и расположенных непосредственно на заземляющих линиях 3, 4 компланарного волновода 2 по средством упругих элементов подвеса 13, 14, 15, 16, выполненных в виде упругих балок в форме меандра из проводникового материала, неподвижным верхним электродом первого электростатического привода 17, выполненным в виде пластины с перфорацией из проводникового материала и закрепленного на опорных элементах 18, 19, 20, 21, расположенных непосредственно на подложке 1, второй электростатический привод, состоящий из двух подвижных электродов второго электростатического привода 22, 23, выполненных из проводникового материала в виде гребенчатых структур с одной из сторон, расположенных симметрично по обе стороны подвижного электрода первого электростатического привода 8, подвижный электрод второго электростатического привода 22 закреплен на опорных элементах 9, 12 и на подвижном электроде первого электростатического привода 8 с помощью упругих подвесов 24, 25, 26, выполненных в виде упругих балок из проводникового материала, подвижный электрод второго электростатического привода 23 закреплен на опорных элементах 10, 11 и на подвижном электроде первого электростатического привода 8 с помощью упругих подвесов 27, 28, 29, выполненных в виде упругих балок из проводникового материала, двух неподвижных электродов второго электростатического привода 30, 31, выполненных из проводникового материала в виде гребенчатых структур с одной из сторон и расположенных непосредственно на подложке по обе стороны от подвижных электродов второго электростатического привода 22, 23 с возможностью электростатического взаимодействия с ними в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенками электродов.
Предполагаемое изобретение не ограничено только лишь емкостным интегральным микроэлектромеханическим переключателем с контактами металл-диэлектрик-металл, оно также может быть использовано для создания омических интегральных микроэлектромеханических переключателей с контактами металл-металл. В интегральных микроэлектромеханических переключателях с резистивным соединением согласно предполагаемому изобретению подвижный электрод первого электростатического привода 8, выполненный в виде пластины из проводникового материала, предназначен для создания в положении включения замыкания между двумя отстоящими друг от друга частями линии передачи 5, выполненных из проводникового материала, неподвижный нижний электрод первого электростатического привода 6, выполненный из проводникового материала, расположен на подложке 1 симметрично под подвижным электродом первого электростатического привода 8.
В случае емкостного и резистивного интегрального микроэлектромеханического переключателя диэлектрический слой 7 может находится как на подвижном электроде первого электростатического привода 8, так и на поверхности линии передачи 5.
Работает устройство следующим образом.
Напряжение, приложенное к неподвижному нижнему электроду первого электростатического привода 6 относительно подвижного электрода первого электростатического привода 8, приводит к возникновению электростатической силы, притягивающей подвижный электрод первого электростатического привода 8 к диэлектрическому слою 7, нанесенному на поверхность неподвижного нижнего электрода первого электростатического привода 6. В результате чего большое значение емкости плоского переменного конденсатора структуры металл-диэлектрик-металл, образованного подвижным электродом первого электростатического привода 8, неподвижным нижним электродом первого электростатического привода 6 и диэлектрическим слоем 7, препятствует прохождению поступающего сигнала, замыкая его на заземляющую линию 3, 4. Данное состояния переключателя является включенным, что соответствует нижнему положению подвижного электрода первого электростатического привода 8.
В случае отключения прикладываемого напряжения к неподвижному нижнему электроду первого электростатического привода 6, подвижный электрод первого электростатического привода 8 возвращается в исходное (нейтральное) положение за счет действия сил упругости, благодаря естественной жесткости конструкции. Данное состояние переключателя является выключенным, что соответствует нейтральному положению подвижного электрода первого электростатического привода 8.
При подаче напряжения на неподвижный верхний электрод первого электростатического привода 17, расположенного с зазором над подвижным электродом первого электростатического привода 8, подвижный электрод первого электростатического привода 8 притягивается к неподвижному верхнему электроду первого электростатического привода 17, тем самым увеличивая расстояние до диэлектрического слоя 7, нанесенного на линию передачи 5, что в свою очередь уменьшает емкость образованного плоского переменного конденсатора. В результате поступающий сигнал проходит по линии передачи 5. Данное состояние переключателя является выключенным, что соответствует верхнему положению подвижного электрода первого электростатического привода 8.
При подаче напряжения на неподвижные электроды второго электростатического привода 30, 31 относительно подвижных электродов второго электростатического привода 22, 23, возникает электростатическое взаимодействие в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов. Таким образом подвижный электрод второго электростатического привода 22 притягивается к неподвижному электроду второго электростатического привода 30, а подвижный электрод второго электростатического привода 23 притягивается к неподвижному электроду второго электростатического привода 31, тем самым вызывая натяжения подвижного электрода первого электростатического привода 8. Данное состояние переключателя является выключенным, и позволяет исключить произвольные срабатывания в случае действия на конструкцию подвижного электрода первого электростатического привода 8 внешнего ускорения в положительном или отрицательном направлении осей X, Y, Z, вибраций, при коммутации сигналов высокой мощности или же в случае прилипания подвижного электрода первого электростатического привода 8 к диэлектрическому слою 7.
В конфигурации включенного состояния не существует опасности взаимодействия между электростатическими силами, используемыми для приведения подвижного электрода первого электростатического привода 8 в определенное положение и радиочастотным сигналом, передаваемым по компланарному волноводу 2, благодаря использованию емкостной развязки управляющего напряжения от радиочастотного сигнала. Следовательно, поверхность неподвижного нижнего электрода первого электростатического привода 6 и неподвижного верхнего электрода первого электростатического привода 17 может быть большой, однако величина напряжения включенного состояния, прикладываемого к неподвижным электродам первого электростатического привода 6, 17 может быть очень низкой.
Таким образом, предлагаемое устройство представляет собой интегральный микроэлектромеханический переключатель с электростатическим механизмом активации и емкостным принципом коммутации, позволяющий замыкать или размыкать цепь в линии передачи при коммутации сигналов сантиметрового волнового диапазона.
Введение неподвижного верхнего электрода первого электростатического привода, выполненного в виде пластины с перфорацией из проводникового материала с нанесенными на его поверхность поперечными упругими балками из проводникового материала, закрепленный на дополнительных четырех опорных элементах, расположенных непосредственно на подложке, второго электростатического привода, состоящего из двух подвижных электродов второго электростатического привода, выполненных из проводникового материала в виде гребенчатых структур с одной из сторон, расположенных симметрично по обе стороны подвижного электрода первого электростатического привода и закрепленных на опорных элементах крепления подвижного электрода первого электростатического привода с помощью двух пар упругих подвесов, выполненных в виде упругих балок из проводникового материала и двух упругих элементов, выполненных из проводникового материала и закрепленных непосредственно на подвижном электроде первого электростатического привода, двух неподвижных электродов второго электростатического привода, выполненных из проводникового материала в виде гребенчатых структур с одной из сторон и расположенных непосредственно на подложке по обе стороны от подвижных электродов второго электростатического привода с возможностью электростатического взаимодействия с ними в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенками электродов, позволяет коммутировать сигналы по линии передачи с большей добротностью, низкими вносимыми потерями в замкнутом состоянии, большей шириной полосы частот, низкой индуктивностью, низким напряжением смещения, малым временем переключения из одного состояния в другое, с исключением произвольных срабатываний при коммутации сигналов высокой мощности, чувствительности к вибрациям, внешним ускорениям в положительном или отрицательном направлении осей X, Y, Z, а также с возможностью возвращения подвижного электрода первого электростатического привода в случае его прилипания в нижнем или в верхнем положении, что позволяет использовать предполагаемое изобретение в качестве интегрального элемента, позволяющего коммутировать сигналы сантиметрового волнового диапазона.
Таким образом, по сравнению с аналогичными устройствами, предлагаемый интегральный микроэлектромеханический переключатель позволяет коммутировать сигналы по линии передачи с низкими вносимыми потерями, большей шириной полосы частот, низким напряжением смещения, малым временем переключения из одного состояния в другое благодаря использованию подвижного электрода первого электростатического привода с малой площадь пластины и малой жесткостью крепления, а также второй электростатический привод позволяет исключить произвольные срабатывания при коммутации сигналов высокой мощности, чувствительность к вибрациям, внешним ускорениям в положительном или отрицательном направлении осей X, Y, Z, и реализовать механизм возвращения подвижного электрода первого электростатического привода в случае его прилипания в нижнем или в верхнем положении.