РЧ МЭМС ВАРАКТОР С ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЙ АКТИВАЦИЕЙ

Настоящая полезная модель относится к области СВЧ электроники. Радиочастотные микроэлектромеханические (РЧ МЭМС) варакторы найдут применение в устройствах, где возникает потребность в настройке импеданса в ходе их работы. Это относится, например, к управляемым напряжением СВЧ генераторам, а также множеству элементов приемопередающих модулей, для которых в современных условиях требуется перестройка частоты - перестраиваемые согласующие схемы, перестраиваемые усилители мощности, перестраиваемые фильтры. В коммерческом сегменте пример актуальности перестройки частоты - мобильная радиосвязь, для которой в последние годы характерно увеличение числа стандартов связи. Сегодня для поддержки всех применяемых в смартфонах стандартов связи приходится использовать широкополосную антенну и десятки узкополосных фильтров и усилителей (отдельный для каждой частоты).
Из существующего уровня техники известен электростатический МЭМС ключ, который содержит кремниевый кристалл со сформированным подвижным электродом в виде консоли с выполненными в ней симметричными щелевидными отверстиями, образующими гибкие поддерживающие балки разной длины, перпендикулярные друг другу, и подложку, на которой размещен по меньшей мере один неподвижный электрод и токовые шины, и которая соединена с кремниевым кристаллом с образованием зазора между подвижным и неподвижным электродами. Подвижный электрод снабжен шунтом, закорачивающим токовые шины при контакте и расположенным со смещением относительно центра в сторону от свободного края подвижного электрода. Технический результат заключается в уменьшении напряжения управления МЭМС ключом и увеличении максимально допустимого тока коммутации. RU 2541439 C1, D8D 7/02, 10.02.2015 г.
Недостаток данного технического решения состоит в больших потерях и низкой добротности.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в снижении потерь и энергопотребления, повышении добротности, уменьшении влияния нелинейностей в СВЧ устройствах, а также создании нового типа СВЧ элементной базы.
Поставленная задача решается за счет того, что РЧ МЭМС варактор с электростатической активацией включает в себя подложку, покрытый диэлектрическим слоем управляющий электрод, на который подается напряжение активации, кантилевер, расположенный над диэлектрическим слоем. Основным материалом элемента выбрана медь из-за ее высокой проводимости. Эта характеристика является важным требованием для получения высокой добротности и низких потерь.
Размеры подвижных элементов конструкции и конструкционные особенности обуславливают низкое энергопотребление.
Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи, состоит в повышении добротности, достижении низких потерь и электропотребления за счет правильно подобранных конструкционных материалов переключателя.
Устройство поясняется на фиг. 1, на которой изображен поперечный разрез "А-А" РЧ МЭМС варактора с электростатической активацией в неактивированном состоянии.
Устройство поясняется на фиг. 2, на которой изображен РЧ МЭМС варактор с электростатической активацией, вид сверху.
РЧ МЭМС варактор с электростатической активацией включает в себя подложку 1, на которую нанесен нижний слой меди 2, далее расположен металлический кантилевер 3, изгибаемый под действием приложенного постоянного напряжения и таким образом меняющий свою емкость. На подложке 1 расположен управляющий электрод 4, который покрыт диэлектрическим слоем 5, между кантилевером 3 и диэлектрическим слоем
расположен воздушный зазор 6. Верхний слой меди 7 состоит из кантилевера 3 и копланарных линий. На диэлектрический слой 5 наносят жертвенный слой 8, который в ходе производства вытравливается, и образуется воздушный зазор 6.
РЧ МЭМС варактор имеет подводящие линии, минимальный размер которых определяется размерами корпуса, и контактные площадки. Для уменьшения нежелательного влияния подводящих линий (паразитной индуктивности) в качестве подложки используется материал с меньшей диэлектрической проницаемостью и подводящая линия с меньшим характеристическим импедансом.
Послойная топология РЧ МЭМС варактора состоит из нескольких слоев: нижний слой меди, слой нитрида кремния, слой оксида кремния, верхний слой меди. При этом данная топология не включает несколько дополнительных служебных слоев.
На подложку наносится нижний слой меди. Основным структурным материалом РЧ МЭМС варактора выбрана медь, благодаря ее высокой проводимости. Эта характеристика является важным требованием для получения высокой добротности. Процесс нанесения меди состоит из четырех этапов: напыление адгезионного подслоя, напыление меди, утолщение меди (при необходимости), напыление защитного слоя. Для напыления необходима технология вакуумного напыления металлов, которая также применяется для формирования копланарного волновода и подвижной мембраны. Для утолщения меди, а именно для увеличения толщины линий и формирования мембраны - электрохимическое осаждение. Металлизацию нижнего и верхнего слоев меди возможно выполнить, используя одну и ту же подпоследовательность операций.
2
2
Третий слой РЧ МЭМС варактора - слой диэлектрика, основным материалом которого является нитрид кремния, имеющий относительную проницаемость равную 7. Технология изготовления определяет шероховатость и позволяет варьировать толщину нитрида кремния, т.е.шероховатость определяет максимально достижимую емкость варактора при всех остальных зафиксированных параметрах. Поскольку толщина нитрида кремния определяется технологией изготовления и варьируется лишь в ограниченных пределах, то основным способом увеличения максимальной емкости является увеличение площади обкладок варактора. Площадь обкладок варактора в зависимости от толщины и шероховатости диэлектрика должна составлять от 0,007 мм до 0,032 мм, чтобы он имел максимальную емкость 2 пФ, что соответствует квадратным обкладкам размерами от 84×84 мкм до 180×180 мкм.
Далее наносится жертвенный слой - оксид кремния. Осаждение нитрида и оксида кремния может производиться последовательно в одном процессе при использовании технологии плазмохимического осаждения. Для формирования контуров планарных структур в каждом слое необходима технология лазерной фотолитографии, селективного химического травления и плазмохимического травления. Для удаления жертвенного слоя, а также меди требуется операция селективного химического травления.
После удаления жертвенного слоя образуется воздушный зазор. Минимальный воздушный зазор для достижения минимальной емкости 0,4 пФ должен составлять от 0,16 мкм до 0,67 мкм, это также позволяет получить коэффициент перекрытия (соотношение между максимальной и минимальной емкостью) равный 5. Такой разброс значений зазора обусловлен сильной зависимостью максимальной емкости от шероховатости диэлектрика. При необходимости получения коэффициента перекрытия больше 5, достаточно увеличить зазор, максимальная величина составляет порядка 1 мкм.
Время переключения 50 мкс теоретически достижимо при использовании электростатической активации, если в качестве верхнего слоя РЧ МЭМС варактора выбрана медь. Также теоретически достижимы напряжения активации меньше 100 В.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Стационарное устройство находится в неактивном состоянии. При приложении управляющего напряжения смещения кантилевер, нависающий над линией, покрытой диэлектриком, притягивается под действием приложенного постоянного напряжения и таким образом меняет свою емкость. Величина емкости между кантилевером и нижним электродом зависит от величины воздушного зазора.