МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ КЛЮЧ
MICROELECTROMECHANICAL SWITCH

Изобретение относится к радиотехнике сверхвысокой частоты (СБЧ) и может быть использовано в программно-управляемых радиосистемах, например в перестраиваемых радиолокационных системах.
Используемые в настоящее время микроэлектромеханические (МЭМ) ключи с электростатическим управлением включают в себя подложку, выполненную из диэлектрического или полупроводникового материала, на которой расположены управляющий электрод, СВЧ-электрод и один из концов подвижного электрода, подвижная часть которого расположена параллельно поверхности управляющего электрода с зазором между ними. Электрическое напряжение, приложенное к управляющему и подвижному электродам, вырабатывает электростатическую силу, которая преобразует управляющий сигнал в движение и замыкает СВЧ-контакт. Размыкание СВЧ-контакта при снятии электрического напряжения происходит за счет сил упругости подвижного электрода.
Общими недостатками, присущими МЭМ-ключам с электростатическим управлением, являются высокое электрическое напряжение (50-100 В), необходимое для управления перемещением подвижного электрода, и возможность залипания подвижного электрода с управляющим и/или СВЧ-электродом.
Причиной указанных недостатков является обеспечение требуемого быстродействия МЭМ-ключа за счет баланса между электростатической силой (т.е. уровнем управляющего напряжения) и силой упругости подвижного электрода.
Для понижения уровня управляющего напряжения известны, например, следующие решения.
В патенте США US 6529093 описана конструкция электростатического МЭМ-ключа, в котором используются ступенчатые управляющие электроды для уменьшения зазора между ними и подвижным электродом. Уменьшение зазора между управляющими и подвижным электродами увеличивает электростатическую силу, приложенную у подвижному электроду, и позволяет снизить управляющее напряжение. Недостатками являются уменьшение уровня изоляции СВЧ-сигнала в разомкнутом состоянии МЭМ-ключа и ухудшение электрической развязки между цепями СВЧ и управления.
Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к предлагаемому изобретению является конструкция МЭМ-ключа, описанная в патенте США US 7321275. Известный по этому патенту МЭМ-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, а также уменьшен зазор между ним и управляющим электродом. Уменьшение силы упругости подвижного электрода и зазора между управляющим и подвижным электродами позволяет снизить электростатическую силу, необходимую для перемещения подвижного электрода, что позволяет снизить управляющее электрическое напряжение. Недостатками являются уменьшение уровня изоляции СВЧ-сигнала в разомкнутом состоянии МЭМ-ключа и увеличение времени размыкания МЭМ-ключа при снятии управляющего напряжения.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является снижение управляющего напряжения и увеличение скорости замыкания СВЧ-контакта с одновременным увеличением скорости размыкания СВЧ-контакта, включая преодоление эффекта залипания подвижного электрода с управляющим и/или СВЧ-электродом.
Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемый МЭМ-ключ, также как известный, содержит подложку, выполненную 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. Но в отличие от известного в предлагаемом МЭМ-ключе между подложкой и подвижным электродом установлена упругая пластина, закрепленная одним концом на подложке, а форма и размеры упругой пластины оставляют открытой поверхность управляющего и высокочастотного электродов, а под свободным концом упругой пластины выполнено в подложке углубление для перемещения упругой пластины.
Техническими результатами, достигаемыми при реализации изобретения, являются снижение управляющего электрического напряжения и повышение быстродействия МЭМ-ключа.
Влияние на получение указанных технических результатов оказывают следующие существенные признаки. Сущность предлагаемого изобретения заключается в использовании упругой пластины (диэлектрической, полупроводниковой или металлической), расположенной между подложкой и подвижным электродом и закрепленной одним концом на подложке. Упругая пластина имеет два технических назначения: амортизация СВЧ-контакта при его замыкании и быстрое размыкание СВЧ-контакта при снятии управляющего электрического напряжения за счет собственных сил упругости. Использование упругой пластины позволяет снизить массу и упругость подвижного электрода, что приводит к снижению управляющего электрического напряжения и к повышению быстродействия МЭМ-ключа как в момент его замыкания, так и в момент его размыкания.
Совокупность признаков, сформулированных в пункте 2 изобретения, характеризует МЭМ-ключ, в котором в упругой пластине над управляющим и высокочастотным электродами выполнены вырезы, размеры которых превышают соответственно размеры управляющего и высокочастотного электродов. В таком устройстве упругая пластина взаимодействует с подвижным электродом по всей его длине, что улучшает амортизацию подвижного электрода при замыкании МЭМ-ключа и ускоряет движение подвижного электрода при размыкании МЭМ-ключа.
Совокупность признаков, сформулированных в пункте 3 изобретения, характеризует МЭМ-ключ, в котором длина подвижной части упругой пластины меньше длины полости до управляющего электрода. В таком устройстве упругая пластина также служит для амортизации подвижного электрода при замыкании МЭМ-ключа и ускоряет движение подвижного электрода при размыкании МЭМ-ключа. Однако в таком устройстве форма упругой пластины и соответствующая ей конфигурация полости в подложке упрощаются, что облегчает технологию изготовления МЭМ-ключа.
На фиг.1-4 представлены примеры реализации предлагаемого МЭМ-ключа (показаны вид сбоку и вид сверху).
Фиг.1 - МЭМ-ключ с упругой пластиной, имеющей вырез над поверхностью управляющего электрода и закрепленной на подложке со стороны закрепленного конца подвижного электрода,
Фиг.2 - МЭМ-ключ с упругой пластиной, имеющей длину подвижной части меньше длины полости в подложке до управляющего электрода и закрепленной на подложке со стороны закрепленного конца подвижного электрода,
Фиг.3 - МЭМ-ключ с упругой пластиной, имеющей вырез над поверхностью управляющего электрода и закрепленной на подложке со стороны свободного конца подвижного электрода,
Фиг.4 - МЭМ-ключ с упругой пластиной, имеющей длину подвижной части меньше длины полости в подложке до управляющего электрода и закрепленной на подложке со стороны свободного конца подвижного электрода.
МЭМ-ключ (фиг.1-4) содержит подложку 1 (диэлектрик или полупроводник), на которой расположены управляющий электрод 2, высокочастотный электрод 3 и один из концов подвижного электрода 4, подвижная часть которого расположена параллельно поверхности управляющего электрода 2 с зазором между ними. Подвижный электрод 4 служит общим электродом для СВЧ-сигнала и управляющего напряжения. Также МЭМ-ключ включает в себя упругую пластину 5 (диэлектрическую, полупроводниковую или металлическую), один конец которой закреплен на подложке 1, а свободная ее часть расположена между подвижным электродом 4 и подложкой 1. Форма и размеры упругой пластины 5 оставляют открытой поверхность управляющего 2 и высокочастотного 3 электродов. Под свободным концом пластины 5 в подложке 1 существует полость 6 глубиной, необходимой для перемещения упругой пластины 5 в момент замыкания МЭМ-ключа.
МЭМ-ключи с упругой пластиной 5, имеющей вырез над поверхностью управляющего электрода 2 и закрепленной на подложке 1 со стороны закрепленного или свободного конца подвижного электрода 4, показаны соответственно на фиг.1 и фиг.3. Размеры выреза превышают размеры управляющего электрода 2. Такая конфигурация упругой пластины 5 позволяет ей взаимодействовать с подвижным электродом 4 практически по всей его длине, что улучшает амортизацию подвижного электрода 4 при замыкании МЭМ-ключа и ускоряет движение подвижного электрода 4 при размыкании МЭМ-ключа.
МЭМ-ключи с упругой пластиной 5, имеющей длину подвижной части меньше длины полости 6 в подложке 1 до управляющего электрода 2 и закрепленной на подложке 1 со стороны закрепленного или свободного конца подвижного электрода 4, показаны соответственно на фиг.2 и фиг.4. В таких устройствах упругая пластина 5 также служит для амортизации подвижного электрода 4 при замыкании МЭМ-ключа и ускоряет движение подвижного электрода 4 при размыкании МЭМ-ключа. При этом форма упругой пластины 5 и соответствующая ей конфигурация полости 6 в подложке 1 упрощаются, что облегчает технологию изготовления МЭМ-ключей.
Подложка 1 может быть выполнена из полупроводниковых материалов (например, кремний), что позволяет изготавливать МЭМ-ключи совместно с полупроводниковыми элементами. Также подложка 1 может быть выполнена из диэлектрических материалов (например, сапфир, поликор), используемых для создания планарных СВЧ-структур, что позволяет изготавливать МЭМ-ключи совместно с СВЧ-структурами. Электроды МЭМ-ключа выполнены из электропроводящих материалов. В предлагаемом МЭМ-ключе предпочтительнее использовать алюминий, поскольку этот материал имеет наименьшую массу по сравнению с другими металлами с высокой электропроводностью (например, золото или медь) и практически не уступает им по электрическим и механическим свойствам, а уменьшение массы подвижного электрода 4 увеличивает быстродействие МЭМ-ключа. Упругая пластина 5 может быть выполнена из диэлектрика (например, нитрид кремния), полупроводника (например, поликристаллический кремний) или металла (например, алюминий). По механическим свойствам (упругость и усилие на излом) наиболее предпочтителен нитрид кремния. Этот материал широко используется в МЭМ-структурах для создания упругих мембран. Полость 6 в подложке выполняется по известным способам изотропного или анизотропного травления. Затем полость 6 заполняется жертвенным слоем (например, полиамид) для создания поверхности для напыления материала упругой пластины 5. Форма упругой пластины 5 обеспечивается известными способами фотолитографии и травления. Электроды 2, 3 и 4 предлагаемого МЭМ-ключа выполняются по известным технологиям создания МЭМ-структур (нанесение жертвенных слоев, напыление электропроводящих материалов, фотолитография, травление, удаление жертвенных слоев и т.д.).
В ряде случаев для создания предлагаемого МЭМ-ключа могут потребоваться дополнительные технологические операции. Например, при использовании полупроводниковой подложки 1 (например, кремний) необходимо обеспечить электрическую изоляцию между электродами 2, 3 и 4. Для этой цели на поверхности подложки 1 формируется диэлектрический слой 7 (фиг.3) (например, методом термического окисления кремния). При использовании диэлектрической подложки 1 эту технологическую операцию можно не выполнять. Также в случае, если подвижный электрод 4 входит в соприкосновение с управляющим электродом 2, необходимо обеспечить защиту от электрического короткого замыкания между этими электродами. Для этой цели на поверхности управляющего электрода 2 формируется диэлектрический слой 8 (фиг.4) (например, напыляется пленка титаната стронция).
МЭМ-ключ работает следующим образом.
При подаче электрического напряжения на управляющий 2 и подвижный 4 электроды возникает электростатическая сила, которая заставляет подвижный электрод 4 двигаться к электродам 2 и 3. При приближении подвижного электрода 4 к управляющему электроду 2 электростатическая сила (F) многократно увеличивается, поскольку является функцией расстояния между ними, а именно
0
2
2
F=εSU/(2r), где
0
ε - диэлектрическая проницаемость среды,
S - площадь перекрытия управляющего 2 и подвижного 4 электродов,
U - управляющее электрическое напряжение, r - расстояние между управляющим 2 и подвижным 4 электродами.
При сближении с электродом 2 подвижный электрод 4 соприкасается с упругой пластиной 5 и воздействие возросшей электростатической силы приводит к изгибу упругой пластины 5, т.е. последняя приобретает механическое напряжение. Одновременно пластина 5 служит амортизатором при замыкании СВЧ-контакта 3, что, в свою очередь, уменьшает риск его залипания.
При снятии управляющего электрического напряжения упругая пластина 5 за счет собственных сил упругости обеспечивает быстрое размыкание СВЧ-контакта 3. Использование упругой пластины 5 позволяет снизить упругость подвижного электрода 4 (например, за счет уменьшения его толщины и, следовательно, массы). Что, в свою очередь, позволяет уменьшить электростатическую силу, прилагаемую к подвижному электроду 4, т.е. снизить управляющее электрическое напряжение, а уменьшение массы подвижного электрода 4 приводит к повышению быстродействия МЭМ-ключа как в момент его замыкания, так и в момент его размыкания.