Трехбитный РЧ МЭМС варактор

Настоящая полезная модель относится к микроэлектромеханическим системам, конденсаторам переменной емкости.
Конденсаторы переменной емкости найдут применение 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 предшесвтующего 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, соединенную с к кремниевым кристаллом и 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.
Из предшествующего уровня техники известен РЧ МЭМС-переключатель с гибкой и свободной мембраной переключателя, который содержит микромеханическое переключающее устройство, выполненное с возможностью приведения в действие между двумя положениями: первым положением (отключенное состояние) и вторым положением (включенное состояние), и активирующее устройство, предназначенное для приведения переключающего устройства в соответствующее положение. Микромеханическое переключающее устройство содержит гибкую мембрану, свободно поддерживаемую опорным устройством и выполненную с возможностью изгибаться под воздействием активирующего устройства и свободно скользить относительно опорного устройства во время своего перемещения изгиба. Технический результат заключается в уменьшении времени переключения и чувствительности к механическим сотрясением и вибрациям. RU 2007134310 A, Н01Н 1/00, 27.04.2009 г.
Недостаток данных технических решений состоит в больших потерях и низкой добротности, также не позволяет получить промежуточные значения емкости.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в обеспечении ступенчатого изменения емкости с возможностью фиксации восьми промежуточных значений, создании нового типа СВЧ элементной базы.
Поставленная задача решается за счет того, что трехбитный РЧ МЭМС варактор включает в себя подложку, три управляющих электрода, на каждый из которых подается напряжение активации, 3 управляющих электрода, покрытых диэлектрическим слоем, копланарный волновод и 3 кантилевера, расположенных над диэлектрическим слоем, и имеющими площадь перекрытия с центральной линией копланарного волновода в отношении 1:2:4.
Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи, состоит в обеспечении восьмиступенчатого изменения емкости с возможностью фиксации промежуточных значений.
Устройство поясняется фиг. 1, на которой изображен поперечный разрез А-А трехбитного РЧ МЭМС варактора в неактивированном состоянии.
Устройство поясняется на фиг. 2, на которой изображен трехбитный РЧ МЭМС варактор вид сверху.
Трехбитный РЧ МЭМС варактор включает в себя подложку 1, на которую нанесен нижний слой меди 2, далее расположены металлические кантилеверы 3, 4, 5, изгибаемые под действием приложенного постоянного напряжения. Таким образом обеспечивается восьми ступенчатое изменение емкости. На подложке 1 расположено три управляющих электрода 6, 7, 8, которые покрыты диэлектрическим слоем 9, между кантилеверами 3, 4, 5 и диэлектрическим слоем расположен воздушный зазор 10. Верхний слой меди состоит из кантилеверов 3, 4, 5 и копланарных линий. На диэлектрический слой 9 наносят жертвенный слой, который в ходе производства вытравливается, и образуется воздушный зазор 10.
Трехбитный РЧ МЭМС варактор обладает тремя кантилеверами, каждый из которых имеет площадь перекрытия с центральной линией копланарного волновода в отношении 1:2:4. Каждый кантилевер обладает собственным активационным электродом и активируется независимо от остальных. Таким образом варактор с тремя кантилеверами способен обеспечить восемь номинальных значений емкостей. Минимальной емкостью варактор обладает в неактивированном состоянии - все кантилеверы подняты, максимальной в активированном - все кантилеверы опущены, все остальные состояния - промежуточные.
Послойная топология трехбитного 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. Нанесение 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 примечется для формирования копланарного волновода, а также кантилеверов.
Для утолщения меди, а именно для увеличения толщины линий и формирования кантилеверов - электрохимическое осаждение. Металлизацию нижнего и верхнего слоев меди возможно выполнить используя одну и ту же подпоследовательность операций.
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.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Стационарное устройство находится в неактивном состоянии с минимальной емкостью. При приложении управляющего напряжения к любым из трех управляющих электродов - емкость трехбитного РЧ МЭМС варактора принимает соответствующие значения. В случае одновременного приложения управляющего напряжения ко всем трем управляющим электродам емкость устройства максимальна.