ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ МЭМС КЛЮЧ
ELECTROSTATIC MEMS KEY

Изобретение относится к микроструктурным микроэлектромеханическим системам (МЭМС). Изобретение может быть использовано в качестве коммутационного устройства для приборов с маломощными источниками питания, например, такими как автономные станции мониторинга окружающей среды и промышленных объектов, аэрокосмической техники, бортовой аппаратуры.
Известно электростатическое микрореле по патенту США US 6396372 (МПК H01H 57/00, опубликован 26.11.2002 г.), состоящее из подложки, на которой расположены неподвижные электроды и токовые шины, и подвижной части, расположенной с некоторым зазором от неподвижной части, включающей подвижные электроды, закрепленные к неподвижной части гибкими балками, и шунт, закорачивающий токовые шины. Опорные балки в расположены таким образом, что при этом упругость подвижного электрода распределена равномерно.
К недостаткам устройства-прототипа относятся: значительное напряжение управления микрореле, возможность слипания шунта и токовых шин при коммутировании тока.
Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к предлагаемому изобретению является конструкция МЭМС ключа, описанная в заявке США US 20060290443 (МПК H01P 1/10, опубликовано 28.12.2006 г.). Известный по этому патенту МЭМС ключ состоит из подложки, выполненной из диэлектрического или полупроводникового материала, на которой расположены управляющий электрод, высокочастотный электрод и один из концов подвижного электрода, подвижная часть которого расположена параллельно поверхности управляющего электрода с зазором между ними. Указанные электроды выполнены из электропроводящих материалов (полупроводники и металлы). В описанной конструкции предложен подвижный электрод с переменной силой упругости вдоль его длины. Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются подвижный электродом в виде консоли с гибкими поддерживающими балками, и подложка, на которой размещен, по меньшей мере, один неподвижный электрод и токовые шины, соединенная с кремниевым кристаллом с образованием зазора между подвижным и неподвижным электродами, причем подвижный электрод снабжен шунтом, закорачивающим токовые шины при контакте.
Недостатками данного технического решения являются: высокое управляющее напряжение и низкий максимально допустимый ток коммутации.
Задачей изобретения является разработка электростатического МЭМС ключа с более низким управляющим напряжением и большим максимально допустимым током коммутации.
Технический результат заключается в уменьшении напряжения управления МЭМС ключом и увеличении максимально допустимого тока коммутации.
Для достижения вышеуказанного технического результата электростатический МЭМС ключ 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, соединенную с кремниевым кристаллом с образованием зазора между подвижным и неподвижным электродами, причем подвижный электрод снабжен шунтом, закорачивающим токовые шины при контакте и расположенным со смещением относительно центра в сторону от свободного края подвижного электрода. В качестве подложки используется кремниевая или металлическая плата, а неподвижные электроды изолированы.
От прототипа МЭМС ключ отличается тем, что в подвижном электроде в виде консоли выполнены симметричные щелевидные отверстия, образующие гибкие поддерживающие балки разной длины, перпендикулярные друг другу, а шунт, расположенный на подвижном электроде, смещен относительно центра в сторону от свободного края подвижного электрода. Как и в прототипе подвижный электрод в предложенном изобретении имеет переменную упругость. В отличие от прототипа, поддерживающие подвижный электрод балки выполнены таким образом, что распределение переменной упругости по консоли подвижного электрода обеспечивает меньшее напряжение притягивания и большую силу отрыва шунта от токовых шин при выключении напряжения. Шунт, расположенный на подвижном электроде, смещен относительно центра в сторону от свободного края подвижного электрода, т.е. к более упругой части подвижного электрода.
При приложении смещения на электроды, под действием электростатических сил расстояние между электродами сначала начинает уменьшаться в области более гибкого края подвижного электрода (свободного края подвижного электрода). Далее этот процесс распространяется на остальную часть подвижного электрода. Область в районе шунта соединяется с неподвижным электродом в конце процесса включения. При выключении шунт отсоединяется от силовых шин упругой частью подвижного электрода. Изобретение позволяет, с одной стороны, уменьшить напряжение управления ключом, а, с другой стороны, обеспечить достаточную упругость конструкции для размыкания шунта от токовых шин.
Совокупность признаков, характеризующих изобретение, позволяет изготовить МЭМС ключ с более низким управляющим напряжением и большим максимально допустимым током коммутации.
Изобретение поясняется чертежами, где
на фиг.1 - схема электростатического МЭМС ключа, вид сверху,
на фиг.2 - схема электростатического МЭМС ключа, разрез А-А по фиг.1,
на фиг.3 - фотография кремниевого кристалла МЭМС ключа размером 6×7 мм (вид со стороны монтажа кристалла на печатную плату).
Электростатический МЭМС ключ содержит кремниевый кристалл 1 со сформированным подвижным электродом 2, снабженным шунтом 3. Подложку 4, на которой размещен, по меньшей мере, один неподвижный электрод 5 и токовые шины 6 (фиг. 1, 2).
Подвижный электрод 2 выполнен в виде консоли с выполненными в ней симметричными щелевидными отверстиями ⊥-образной формы, образующими гибкие поддерживающие балки 7 и 8 разной длины, перпендикулярные друг другу. Подвижный электрод 2 снабжен шунтом 3, закорачивающим токовые шины 6 при контакте и расположенным со смещением относительно центра в сторону от свободного края подвижного электрода 2. В качестве подложки 4 используется кремниевая или металлическая плата. Неподвижные электроды 5 изолированы от подложки 4 диэлектрическим слоем.
Технология изготовления такого ключа состоит из двух этапов: изготовление кремниевого кристалла и соединение этого кристалла с печатной платой, на которой сформированы неподвижные электроды. Цикл изготовления кремниевого кристалла содержит ряд стандартных операций, применяемых в технологии микроэлектронных приборов: формирование маски для анизотропного травления кремния и исходной мембраны для последующего создания подвижного электрода; локальное травление мембраны для создания выступов под шунты и создания поддерживающих гибких балок, формирования металлизации под шунты толщиной 1 мкм и локальное сквозное травление кремниевой мембраны с образованием подвижной части электрода. Таким образом, формируется подвижный электрод с шунтом, закрепленный с помощью гибких балок на несущей части кристалла.
Для увеличения теплоотвода целесообразно применять печатные платы с металлическим основанием. Можно использовать платы на алюминиевой основе толщиной 2 мм с изоляционным слоем толщиной 150 мкм на основе композитов. В качестве металлизации можно использовать медь толщиной 35 мкм со слоями никеля 2,5÷5 мкм и золота 0,1÷0,25 мкм, нанесенного иммерсионным способом. В качестве подложки можно использовать платы типа Т-111 фирмы Totking с разрешением токопроводящих шин и зазоров между элементами не менее 250 мкм.
Шины толщиной около 40 мкм и шириной 250 мкм позволяют пропускать ток до 5 А, что в большинстве случаев является достаточным для питания устройств средней мощности.
Поверхность металлизации печатных плат, в отличие от напыленных слоев металла на кремний или стекло, имеет существенную шероховатость. Измерения показали, что шероховатость гальванической металлизации на текстолите составляла 4÷5 мкм, а металлизации с иммерсионным золотом на плате с металлическим основанием 2÷3 мкм. Из-за возникновения межмолекулярных сил взаимодействия на гладких поверхностях электроды трудно разъединяются, что приводит к необходимости делать искусственную шероховатость в виде выступов, например на кремниевом электроде. В предлагаемом изобретении вследствие использования в качестве подложки печатных плат подвижные кремниевые электроды можно делать гладкими.
На фиг.3 представлена фотография кремниевого кристалла МЭМС ключа размером 6×7 мм (вид со стороны монтажа кристалла на печатную плату). Подвес подвижного электрода 2 с помощью балок 7, 8 к несущей части осуществлен несимметричным образом относительно одной из осей, таким образом подвижный электрод имеет неравномерную упругость. Более гибкая область подвижного электрода 2 расположена дальше от замыкающего шунта 3 и соединяется с несущей частью кристалла 1 более длинными и гибкими балками 7. Область расположения шунта 3 расположена ближе к коротким и жестким балкам 8 крепления подвижного электрода 2.
Изготовленные экспериментальные образцы кремниевых кристаллов МЭМС ключей имели площадь подвижного электрода 5×4 мм и толщину мембраны 15 мкм. Толщина золотого шунта составляла 1 мкм при ширине 0,5 мм. При обеспечении расстояния между электродами 3÷4 мкм расчетные данные показывали величину управляющего напряжения 35÷50 B. Экспериментальные образцы МЭМС ключей подвергались испытанию током нагрузки 3,0 А, при этом они оставались работоспособными. Следует отметить, что согласно нормативам ОСТ В 11 0998-99 по максимально допустимой плотности тока металлизированных дорожек данный ток является максимально допустимым для используемого шунта.