RU2849373C1 - Микроэлектромеханический переключатель с электростатическим управлением - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к микроэлектромеханическим системам, а именно к устройствам коммутации электрических сигналов в системах радиолокации и связи. Технический результат заключается в снижении величины и повышении стабильности контактного сопротивления, что обеспечивает устойчивое положение подвижного электрода в замкнутом состоянии с сохранением высокого быстродействия и низкой восприимчивости к внутренним механическим напряжениям. Микроэлектромеханический переключатель с электростатическим управлением включает диэлектрическую подложку с неподвижными управляющим и коммутируемым электродами и подвижный электрод, содержащий балку, закрепленную на подложке с одного конца с помощью анкера, нависающую над управляющим и коммутируемым электродами и содержащую контактный выступ на другом конце. Управляющий электрод огибает коммутируемый электрод, а часть балки, находящаяся над управляющим электродом, расширена до размеров управляющего электрода. Подвижный электрод дополнительно содержит четное количество балок, закрепленных на подложке с одного конца с помощью анкера, половина из которых не имеет контактного выступа. Все балки соединены друг с другом расширенными частями таким образом, что каждая балка без контактного выступа располагается между балками с контактным выступом. Управляющие электроды располагаются под каждой балкой и соединены друг с другом, а коммутируемые электроды находятся только под балками, содержащими контактный выступ, и соединены друг с другом. Балки выполнены из среднеплавких металлов с температурой плавления от 600 до 1600 °С или их сплавов и имеют длину не более 100 мкм, а коммутируемые электроды и контактные выступы выполнены из благородных металлов или их сплавов. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

Description

Изобретение относится к микроэлектромеханическим системам (МЭМС) и может быть использовано для коммутации электрических сигналов в системах радиолокации и связи.

Переключатели, изготовленные по технологии МЭМС, сочетают в себе достоинства традиционно используемых электромагнитных и твердотельных реле. Они обеспечивают малые вносимые потери благодаря контакту металл-металл и высокую изоляцию благодаря воздушному зазору между электродами в разомкнутом состоянии. В то же время, МЭМС-ключи обладают малым размером, низким энергопотреблением и коротким временем переключения. Эти особенности делают их перспективными для использования в передовых радиоэлектронных системах в качестве замены традиционным компонентам. Разработкой МЭМС-переключателей занимается множество коллективов по всему миру, о чем свидетельствует большое число научных публикаций и патентов (например, патент US 10640363 от 05.05.2020 или патент RU 2802162 от 22.08.2023). Однако требуемые рабочие характеристики в полной мере не достигнуты, что препятствует внедрению МЭМС-переключателей. Таким образом, улучшение рабочих характеристик этих устройств является актуальной задачей.

Среди МЭМС-переключателей различных типов наибольшее распространение получили устройства с электростатическим управлением (патент RU 2705792 от 12.11.2019). Электростатический МЭМС-переключатель содержит диэлектрическую подложку с неподвижными управляющим и коммутируемым электродами и подвижный электрод в виде балки или мембраны, закрепленной на подложке и нависающей над управляющим и коммутируемым электродами. Подача напряжения на управляющий электрод создает электростатическую силу, под действием которой подвижный электрод притягивается к управляющему электроду и приходит в контакт с коммутируемым электродом, замыкая электрическую цепь. При отключении напряжения подвижный электрод возвращается в исходное положение под действием силы упругости, и цепь размыкается. С целью локализации области контакта подвижный электрод оснащают контактными выступами.

Известен микроэлектромеханический переключатель, содержащий окисленную кремниевую пластину с управляющим и коммутируемым электродами и подвижный электрод в виде балки из золота (Raghav K.S. et al. IEEE Transactions on Electron Devices, 2024, Vol. 71, P. 6307-6311). Балка закреплена на подложке с помощью торсионных подвесов таким образом, что одно ее плечо нависает над управляющим и коммутируемым электродами.

Недостатком устройства является низкое быстродействие, обусловленное относительно большим размером балки (длина составляет несколько сотен микрометров) и малой упругостью торсионных подвесов. Резонансная частота подвижного электрода составляет 12 кГц, поэтому процесс переключения занимает более 50 мкс, что является достаточно длительным временем для электростатических МЭМС. Также вследствие больших латеральных размеров подвижный электрод чувствителен к внутренним механическим напряжениям в материале. Даже небольшой градиент напряжений существенно меняет воздушные зазоры между балкой и электродами и делает переключатель неработоспособным.

Наиболее близким к заявленному изобретению является переключатель с электростатическим управлением, содержащий окисленную кремниевую пластину с управляющим и коммутируемым электродами из рутения и подвижный электрод в виде балки из алюминия, закрепленной на подложке с одного конца, нависающей над управляющим и коммутируемым электродами и содержащей контактный выступ из рутения на другом конце (Белозеров И.А., Уваров И.В. Микроэлектроника, 2023, Т. 52, № 6, С. 449-458). Управляющий электрод огибает коммутируемый электрод, а часть балки, находящаяся над управляющим электродом, расширена до размеров управляющего электрода. Такая конструкция увеличивает зону действия электрического поля и электростатическую силу без увеличения размыкающей силы упругости, что снижает напряжение срабатывания. Благодаря малым латеральным размерам (длина балки составляет 50 мкм), подвижный электрод имеет собственную частоту 764,95 кГц и обеспечивает короткое время переключения 0,6 мкс. Кроме того, малый размер делает переключатель менее чувствительным к внутренним механическим напряжениям в материале подвижного электрода, поскольку изгиб балки под действием напряжений незначительно меняет зазор между балкой и электродами. Использование алюминия вместо золота в качестве материала подвижного электрода удешевляет переключатель и упрощает его изготовление, так как алюминий имеет существенно меньшую стоимость и поддается прецизионному химическому травлению в менее агрессивных растворах.

Недостатком данного технического решения является большое и нестабильное контактное сопротивление. Оно варьируется от 15 до 40 Ом на протяжении первой тысячи циклов коммутации. Далее скачки сопротивления увеличиваются, и оно возрастает до 200 Ом к 4-м тысячам циклов. Указанный недостаток обусловлен слабым прижимом контактного выступа к коммутируемому электроду. Другим недостатком является неустойчивое положение подвижного электрода в замкнутом состоянии. Балка опирается на единственный контактный выступ, поэтому ее поперечное смещение относительно управляющего и коммутируемого электродов (возникшее, например, вследствие неточного совмещения элементов конструкции в процессе изготовления) создает момент электростатической силы, стремящийся повернуть балку вокруг ее продольной оси. Продольное скручивание приводит балку в контакт с управляющим электродом и выводит переключатель из строя вследствие короткого замыкания.

Задачей заявленного изобретения является улучшение рабочих характеристик микроэлектромеханического переключателя, а именно снижение величины и повышение стабильности контактного сопротивления, а также обеспечение устойчивого положения подвижного электрода в замкнутом состоянии с сохранением высокого быстродействия и низкой восприимчивости к внутренним механическим напряжениям.

Поставленная задача решается следующим образом. В известное техническое решение, принятое за прототип и включающее в себя диэлектрическую подложку с неподвижными управляющим и коммутируемым электродами и подвижный электрод, содержащий балку, закрепленную на подложке с одного конца с помощью анкера, нависающую над управляющим и коммутируемым электродами и содержащую контактный выступ на другом конце, причем управляющий электрод огибает коммутируемый электрод, а часть балки, находящаяся над управляющим электродом, расширена до размеров управляющего электрода, включены новые существенные признаки: подвижный электрод дополнительно содержит четное количество балок, закрепленных на подложке с одного конца с помощью анкера, половина из которых не имеет контактного выступа, причем все балки соединены друг с другом расширенными частями таким образом, что каждая балка без контактного выступа располагается между балками с контактным выступом, при этом управляющие электроды располагаются под каждой балкой и соединены друг с другом, а коммутируемые электроды находятся только под балками, содержащими контактный выступ, и соединены друг с другом, причем балки выполнены из среднеплавких металлов с температурой плавления от 600 до 1600°С или их сплавов и имеют длину не более 100 мкм, а коммутируемые электроды и контактные выступы выполнены из благородных металлов или их сплавов.

На фиг. 1 схематично показан микроэлектромеханический переключатель с одной балкой, вид сбоку и сверху.

На фиг. 2 изображен переключатель в замкнутом состоянии, вид сбоку.

На фиг. 3 изображен переключатель, содержащий N балок, вид сверху.

На фиг. 4 изображен переключатель, содержащий три балки, вид сверху.

На фиг. 5 схематично изображен переключатель с указанием структурных материалов.

На фиг. 6 представлено изображение переключателя с тремя балками, полученное с помощью растрового электронного микроскопа.

На фиг. 7 представлена зависимость контактного сопротивления переключателя от числа циклов коммутации.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется следующим описанием.

Микроэлектромеханический переключатель с одной балкой схематично изображен на фиг. 1. Он включает в себя диэлектрическую подложку 1 с управляющим электродом 2 и коммутируемым электродом 3, а также подвижный электрод в виде балки 4, закрепленной на подложке с одного конца с помощью анкера 5 и нависающей над управляющим и коммутируемым электродами. На другом конце балки располагается контактный выступ 6. Управляющий электрод огибает коммутируемый электрод, а часть балки, находящаяся над управляющим электродом, расширена до размеров управляющего электрода.

Принцип работы переключателя состоит в следующем. Исходно балка находится в горизонтальном положении, как показано на фиг. 1. На управляющий электрод относительно балки подают напряжение, в результате чего возникает электростатическая сила, притягивающая балку к электроду. Если напряжение равняется или превышает напряжение срабатывания, контактный выступ касается коммутируемого электрода, как показано на фиг. 2. Электрическая цепь, в которую встроен переключатель, замыкается. При отключении напряжения балка возвращается в исходное положение под действием силы упругости, и цепь размыкается.

В отличие от прототипа, в предлагаемом изобретении подвижный электрод дополнительно содержит четное количество балок, под каждой из которых располагается управляющий электрод, но только половина из этих балок имеет контактный выступ. Каждая балка закреплена на подложке с одного конца помощью анкера. Балки соединены друг с другом расширенными частями так, что каждая балка без контактного выступа располагается между балками с контактным выступом, как показано на фиг. 3. Управляющие электроды соединены друг с другом, поэтому управляющее напряжение достаточно подать лишь на один из них. При этом они функционируют как единый управляющий электрод расширенной площади. Коммутируемые электроды находятся только под балками, содержащими контактные выступы, и соединены друг с другом, образуя единый коммутируемый электрод.

Итого подвижный электрод содержит нечетное число балок N. В совокупности с N объединенными управляющими электродами такая конструкция увеличивает электростатическую силу в N раз по сравнению с переключателем, содержащим одну балку, за счет расширенной зоны действия электрического поля. Размыкающая сила упругости также увеличивается в N раз благодаря наличию N упругих элементов. Следовательно, сила прижима контактных выступов к коммутируемым электродам, представляющая собой разность электростатической и упругой сил, испытывает N-кратный рост. Однако она распределяется поровну между (N+1)/2 контактными выступами, поэтому удельная сила, приходящаяся на один выступ, в 2N/(N+1) раз превышает величину, развиваемую переключателем с одной балкой. Удельная сила критически важна для МЭМС-переключателя. Ее увеличение снижает контактное сопротивление за счет расширения площади контакта выступа с электродом и делает сопротивление более стабильным от цикла к циклу благодаря механическому разрушению инородных пленок (поверхностный оксид или адсорбированные вещества) на контактирующих поверхностях. Наличие нескольких контактных выступов вместо одного вносит дополнительный вклад в увеличение площади контакта и снижает сопротивление по сравнению с прототипом.

Количество балок с контактным выступом превышает количество балок без выступа на единицу. Балки этих двух типов чередуются друг с другом, поэтому при любом N контактные выступы располагаются по краям подвижного электрода. Такая конструкция обеспечивает устойчивое положение электрода в замкнутом состоянии, предотвращая его скручивание вокруг продольной оси. При этом сокращается риск выхода переключателя из строя вследствие короткого замыкания подвижного электрода с управляющим электродом. Более того, устройство остается работоспособным даже при некотором смещении подвижного электрода относительно неподвижных электродов, что снижает требования к точности изготовления и увеличивает выход годных изделий. Также появляется возможность работать при более высоком управляющем напряжении и развивать еще большую силу прижима, необходимую для снижения и стабилизации сопротивления.

Размер подвижного электрода играет ключевую роль в восприимчивости переключателя к внутренним механическим напряжениям. Напряжения в электроде возникают в процессе изготовления или при нагреве электрическим током в ходе эксплуатации. Под действием напряжений балка приобретает изгиб, что ярко демонстрирует описание аналога (Raghav K.S., Kaur M., Tiwari S., Panwar D., Kumar A., Bansal D. IEEE Transactions on Electron Devices, 2024, Vol. 71 P. 6307-6311). Чем меньше длина балки L, показанная на фиг. 3, тем меньше изменяется зазор между балкой и электродами при изгибе, и тем меньше рабочие характеристики отличаются от расчетных значений. Также величина напряжений зависит от материала балки. В среднеплавких металлах с температурой плавления от 600 до 1600°С внутренние напряжения релаксируют вследствие рекристаллизации, протекающей при комнатной температуре. Изготовление подвижного электрода из этих металлов или их сплавов в совокупности с длиной балки не более 100 мкм, как правило, обеспечивает изменение зазоров на величину в не более 0,5 мкм, что несущественно влияет на рабочие характеристики переключателя. Предпочтительными материалами являются алюминий, медь, золото, серебро, никель или их сплавы, но материал подвижного электрода не ограничивается ими.

Наряду с восприимчивостью к внутренним напряжениям, размер подвижного электрода напрямую влияет на быстродействие устройства. Время срабатывания обратно пропорционально собственной частоте балки, которая, в свою очередь, обратно пропорциональна квадрату ее длины. Таким образом, время срабатывания зависит от длины по закону L², то есть с уменьшением L быстродействие возрастает. С этой точки зрения балку целесообразно делать как можно короче, однако нижний предел длины определяется возможностями оборудования, применяемого для изготовления переключателя, и ограничениями на другие рабочие характеристики, такие как напряжение срабатывания, которые могут приобретать неприемлемые значения с уменьшением длины.

С увеличением числа балок N удельная сила прижима возрастает и стремится к двукратному значению силы, развиваемой переключателем с одной балкой. В совокупности с ростом числа контактных выступов это обстоятельство снижает контактное сопротивление и повышает его стабильность. Однако с ростом N увеличивается ширина подвижного электрода W, показанная на фиг. 3, что отрицательно сказывается на восприимчивости переключателя к механическим напряжениям. Оптимальное число балок следует выбирать на основании требуемого сопротивления и данных о механических напряжениях, характерных для используемого материала электрода и технологического процесса по его нанесению. Как и в случае длины балки L, ширину W желательно не увеличивать более чем до 100 мкм. Кроме того, увеличение N негативно влияет на быстродействие переключателя, поскольку с увеличением размеров подвижного электрода возрастает сопротивление воздуха, которое ему приходится преодолевать. Наиболее компактным вариантом является переключатель с подвижным электродом из 3-х балок, изображенный на фиг. 4. В таком устройстве удельная сила прижима в 1,5 раза превышает величину, развиваемую переключателем с одной балкой, а наличие двух контактных выступов обеспечивает устойчивое положение электрода в замкнутом состоянии.

В качестве материала подложки необходимо использовать диэлектрики, обеспечивающие электрическую изоляцию электродов друг от друга. Желательно использовать материалы, выпускаемые в виде пластин для микроэлектронной промышленности. Поскольку основным назначением МЭМС-переключателя является коммутация СВЧ-сигналов, наиболее подходящими материалами являются сапфир и стекло. Также можно использовать пластины кремния или арсенида галлия, однако эти полупроводниковые материалы необходимо покрывать слоем диэлектрика перед формированием электродов, чтобы обеспечить электрическую изоляцию. В качестве покрытия целесообразно использовать недорогие и эффективные диэлектрики, такие как оксид кремния или нитрид кремния, не ограничиваясь ими.

Величина и стабильность контактного сопротивления существенно зависит от материала коммутируемых электродов и контактных выступов. Желательно использовать благородные металлы, отличающиеся высокой химической инертностью. Одним из наиболее подходящих материалов является рутений, обладающий высокой твердостью и температурой плавления. Эти свойства позволяют переключателю работать без залипания и коммутировать сигналы высокой мощности. Кроме того, рутений образует оксид с высокой электропроводностью, что делает контакты устойчивыми к окислению. Дополнительным преимуществом рутения является относительно низкая стоимость. Также коммутируемые электроды и контактные выступы могут быть изготовлены из родия, палладия, осмия, иридия, платины, золота или их сплавов.

Достоинствами предлагаемого изобретения в сравнении с прототипом является низкое и стабильное контактное сопротивление, а также устойчивое положение подвижного электрода в замкнутом состоянии. Указанные достоинства обеспечиваются совокупностью существенных отличительных признаков.

Реализация предлагаемого изобретения иллюстрируется следующим примером.

На фиг. 5 изображен микроэлектромеханический переключатель, включающий кремниевую подложку, покрытую термически выращенным слоем оксида кремния толщиной 1 мкм. На поверхности оксида расположены управляющие и коммутируемые электроды из рутения толщиной 100 нм. Подвижный электрод из алюминия содержит три балки, соединенные друг с другом расширенными частями. Каждая балка закреплена на подложке с помощью анкера и имеет длину 50 мкм, ширину 10 мкм в месте закрепления и ширину 20 мкм в расширенной части. Балка без контактного выступа располагается между балками с выступом. Три управляющих электрода соединены друг с другом, а коммутируемые электроды находятся только под балками, содержащими контактный выступ, и также соединены друг с другом. Контактные выступы и коммутируемые электроды выполнены из рутения. Переключатель изготовлен по той же технологии, что и прототип.

На фиг. 6. представлено изображение переключателя, полученное с помощью растрового электронного микроскопа, а также результаты измерения зазора между подвижным электродом и подложкой вблизи анкера и на свободном конце балки. Зазор на свободном конце на 0,12 мкм меньше зазора вблизи анкера, что свидетельствует об изгибе электрода под действием механических напряжений. Однако разность зазоров невелика по сравнению с номинальной величиной 1 мкм и не отражается на работоспособности переключателя. Напряжение срабатывания составляет 70 В, а максимальное напряжение на управляющем электроде, которое ключ способен выдержать, равняется 180 В. Ключ способен работать при управляющем напряжении, в 2,5 раза превышающем напряжение срабатывания, благодаря устойчивому положению подвижного электрода в замкнутом состоянии.

Благодаря компактному размеру подвижный электрод имеет собственную частоту 765,02 кГц и обеспечивает время переключения 0,6 мкс, соответствующее быстродействию прототипа.

Переключатель испытывают в нормальных условиях без корпусирования при управляющем напряжении 90 В. Зависимость контактного сопротивления от числа циклов коммутации представлена на фиг. 7. На протяжении первых 18-ти тысяч циклов сопротивление составляет от 4 до 5 Ом, что от 3 до 10 раз меньше сопротивления, демонстрируемого прототипом на первой тысяче циклов. В дальнейшем диапазон сопротивления расширяется до значений от 4 до 7 Ом и находится на этом уровне по меньшей мере до 50 тысяч циклов. Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает существенно более низкое и стабильное контактное сопротивление в сравнении с прототипом за счет увеличенной силы прижима и наличия дополнительных контактных выступов.

Технический результат изобретения заключается в существенном улучшении рабочих характеристик микроэлектромеханического переключателя с электростатическим управлением. В отличие от прототипа, изобретение снижает величину и повышает стабильность контактного сопротивления и обеспечивает устойчивое положение подвижного электрода в замкнутом состоянии с сохранением высокого быстродействия и низкой восприимчивости к внутренним механическим напряжениям.

Claims (5)

1. Микроэлектромеханический переключатель, включающий диэлектрическую подложку с неподвижными управляющим и коммутируемым электродами и подвижный электрод, содержащий балку, закрепленную на подложке с одного конца с помощью анкера, нависающую над управляющим и коммутируемым электродами и содержащую контактный выступ на другом конце, причем управляющий электрод огибает коммутируемый электрод, а часть балки, находящаяся над управляющим электродом, расширена до размеров управляющего электрода, отличающийся тем, что подвижный электрод дополнительно содержит четное количество балок, закрепленных на подложке с одного конца с помощью анкера, половина из которых не имеет контактного выступа, причем все балки соединены друг с другом расширенными частями таким образом, что каждая балка без контактного выступа располагается между балками с контактным выступом, при этом управляющие электроды располагаются под каждой балкой и соединены друг с другом, а коммутируемые электроды находятся только под балками, содержащими контактный выступ, и соединены друг с другом, причем балки выполнены из среднеплавких металлов с температурой плавления от 600 до 1600 °С или их сплавов и имеют длину не более 100 мкм, а коммутируемые электроды и контактные выступы выполнены из благородных металлов или их сплавов.

2. Микроэлектромеханический переключатель по п. 1, отличающийся тем, что подвижный электрод дополнительно содержит две балки, закрепленные на подложке с одного конца с помощью анкера, одна из которых не имеет контактного выступа.

3. Микроэлектромеханический переключатель по п. 1 или 2, отличающийся тем, что подложка выполнена из сапфира, стекла или кремния, покрытого слоем диэлектрика, или арсенида галлия, покрытого слоем диэлектрика.

4. Микроэлектромеханический переключатель по п. 1 или 2, отличающийся тем, что коммутируемые электроды и контактные выступы выполнены из родия, палладия, осмия, иридия, платины, золота или их сплавов.

5. Микроэлектромеханический переключатель по п. 1 или 2, отличающийся тем, что балки выполнены из алюминия, меди, золота, серебра, никеля или их сплавов.