/
Author: Варвдан В. Виной К. Джозе К.
Tags: электроника справочник датчики издательство техносфера серия мир электроники дететоры микросистемная техника
ISBN: 5-94836-030-Х
Year: 2004
Text
Микросистемная техника
Микро
1ромеханическиеI
• СГОЙКОС1Ь
* на,1ежнос1ь
высокие температуры
* агрессивные срезы
* бактерии, токсины
* радиация
СПбГЭТУ (ЛЭТИ)
Микро
оптомеханические
Н оптоэлектронные
Сенсоры, актюаторы,
биочипы
Специальные материалы:
SiC, AIN. BN, С,
полиимид, кварц
Микро
Микро
1 ен.тофн ти чески е
флюидные
iiipicckik- cncieMbi:
>- II JKOCIICICMki:
НАЗНАЧЕНИЕ
Контроль >1арамслр«»н в н.швш высоких
температур, рилшишп. aiрсчтшшых ср* л.
механп‘ич'кт и»»к <гне i ннн.
Обнаружение и »кспрсссднл он
бнп.нмически тмгных н гоксичныч нгшгстп.
Л»Ш1 HOCTHKII ИМфекПНОННЫЧ ПО Ч-ШСН.
IUM iH'lCCb'UM И КИ1НфИКДИИИ ШЧНМСТИ
piciiiic: iioai MOHKU IGMpOII tin Ctutlltu III 2«1рИМ1
‘’MiikpociK к'члии itMiiiKa"
Центр Мпкротехноло! ни и Днагносгнкн
£i-Ilviep6ypu*Kuio । ио jaixiiHTiiioio j.u*Ki|M>ie\iiii*K4'K»io mi и т р и н r.i
cmi3« ehech.ru (812) 234-16-N2
электроники
В. ВАРАДАН, К. ВИНОЙ,
К. ДЖОЗЕ
вч мэмс
и их применение
Перевод с английского
под редакцией
Ю. А. Заболотной
ТЕХНОСФЕРА
Москва
2004
мамаши
«ЛИНЬ*
В. Варадан, К. Виной, К. Джозе
ВЧ МЭМС и их применение
Москва:
Техносфера, 2004. - 528 с. ISBN 5-94836-030-Х
В монографии подробно рассмотрены вопросы проектирования и
применения, а также технологические аспекты производства разно-
образных микроэлектромеханических устройств: переключателей, ре-
гулируемых индукторов и конденсаторов, фильтров, фазовращателей,
линии передач и антенн, приведены преимущества и недостатки каждой
отдельной конструкции и указаны способы их оптимизации. Целая глава
посвящена такой важной теме, как монтаж микросистем, где обсуж-
даются методы построения корпусов микросистем и способы их сборки.
Детальное описание методов изготовления микроустройств, как тради-
ционных, применяемых в электронной промышленности, так и сов-
ременных, разработанных специально для микросистем, делает книгу
особенно ценной для специалистов.
RFMEMS
and Their Applications
VJjay К. Varadan
KJ. Vinoy
KA. Joce
Stait University, USA
JOHN WILEY & SONS, LTD
© 2003 John Wiley & Sons Ltd.
The Atrium, Southern Gate, Chichester,
Wfest Sussex PO19 8SQ, England
© 2004, ЗАО «РИЦ «Техносфера»
перевод на русский язык,
оригинал-макет, оформление
ISBN 5-94836-030-X
ISBN 0-470-84308-Х (англ.)
ЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ
ВАШЕГО УСПЕХА
EPCOS
MITSUBISHI
ELECTRIC
{ DALLAS
В промышленных количествах -тддв
широчайший ассортимент НЯ
компонентов заводов России
Продукция ведущих мировых производителей:
• активные компоненты
• разъемы и соединители
• широкий выбор датчиков
• пассивные компоненты: ферриты, трансформаторы,
керамические фильтры, термисторы, варисторы,
разрядники, конденсаторы, потенциометры,
самовосстанавливающиеся предохранители
• TVS, диоды, диодные мосты
• жидкокристаллические индикаторы
• оптоэлектронные приборы
• электролитические конденсаторы
• электромагнитные и твердотельные реле
• программаторы, эмуляторы, тестеры
а_пьное оборудование, радиомонтажный
;нт, газовые паяльники
етры, осциллографы
горы для охлаждения аппаратуры
I, коаксиальный, телефонный,
еский кабель
(еские компоненты
а для электронной аппаратуры
сонструкторы
<ые компоненты гарантированного качества
/детва Тайвань, Гонконг: реле, полипропиленовые
и танталовые конденсаторы, индуктивности, резисторы,
чип-компоненты, разъемы.
\iellemon
www.platan.ru
ПЛАТАН
(095) 73-75-999 (многоканальный)
БЕСПЛАТНЫЙ ХЛ1 АЛОТ
И CD С ТЕХНИЧЕСКОЙ ДОКУМЕНТАЦИЕЙ
ВЫСЫЛАЕТСЯ ПО ЗАЯВКАМ ПРЕДПРИЯТИЙ.
Москва, ул.Ивана Франко, д.40, ctp.2, (095)73-75-999, почта: 121351, Москва, •/« 100, e-mail: piatar.';aha.ru
Москва, ул.Гиляровского, 39, (095)684-46-28, ргоьрес1тиэ’&‘р)э1ап.ги Москве,
ул.Земляной вал, 34, (095)916-23-21, kurskaya^platan.ru ул.Звериискэя, 44 (812)232-88-Зв,
232-23-73, platanfernail.wplu&.net ул.Чисгяковская, 2, (30044)459-02-17, chip-£ipi-'ukf,net
(0732)59-75-57 (8432)13-02-57 (3832)16-33-66 (3812)24-69-03
(8422)37-65-67 (3472)32-33-42
(0722)31-29-79 (3412)43-72-51 (8632)44-34-48
(8462)35-26-09 (812)327-96-92 (3822)55-65-30, 51 -12-25 (8352)56-63-03
(0852)30-15-69
Мосина, ул Беговая. 2 ул.Гиляровского, 39 ул.Иваив Франке, д.40, стр.2 ул.
Земляной вал, 34 С.-Петербург, Кронверкский просп., 73 Ярославль, пр.Ленина, 8а
Содержание
Предисловия.......................................... 13
Глава 1.
Микросистемы......................................... 22
1.1. Введение........................................ 22
1.2. Краткий обзор микросистем....................... 24
1.3. Технология изготовления микросистем............. 29
1.3.1. Объемная технология........................ 29
1.3.2. Поверхностная технология................... 33
1.3.3. Соединение слоев внутри микросистемы....... 36
1.3.4. Технология LIGA............................ 38
1.3.5. Изготовление полимерных микросистем........ 40
1.3.6. 3D технология изготовления микросистем..... 43
1.4. Электромеханические преобразователи ............ 45
1.4.1. Пьезоэлектрические преобразователи......... 48
1.4.2. Электрострикционные преобразователи........ 51
1.4.3. Магнитострикционные преобразователи........ 53
1.4.4. Электростатические преобразователи......... 56
1.4.5. Электромагнитные преобразователи........... 59
1.4.6. Электродинамические преобразователи........ 62
1.4.7. Электротермические преобразователи......... 66
1.4.8. Сравнение электромеханических преобразователей ... 68
1.5. Чувствительные элементы для микросистем......... 70
1.5.1. Пьезорезистивные чувствительные элементы... 70
1.5.2. Емкостные чувствительные элементы.......... 71
1.5.3. Пьезоэлектрические чувствительные элементы.. 72
1.5.4. Резонансные чувствительные элементы.•,..... 72
1.5.5. Чувствительные элементы на поверхностных акусти-
ческих волнах (ПАВ)................................ 73
1.6. Материалы для микросистем....................... 78
1.6.1. Металлы и металлические сплавы............. 78
1.6.2. Полимеры................................... 79
1.6.3. Другие материалы........................... 81
1.7. Краткий обзор книги............................. 82
Литература...................................... 83
4
4
Условия поставки
-со склада
- под заказ (до четырех недель)
F
г
АР
электронные компоненты
ПРОГРАММА ПОСТАВОК
Linear Technology
Ж
06Г
24М№
1м4«Мк
NMw
w
1
14
XT
LTC1748
80М$р$ ДОС
LMtetMMlv
м1»»и4ЛУ
N
Г
Наименование
Головной офис
Москва, Тверская, д. 10, стр.З
для писем - 125319,
Москва, а/я 594
тол.: (095} 2340110 (8 линий)
факс: (095) 9563346
http:// www.zoUhor.ru
E-mail: »ale»@zol»har.ru
SMwfcH *•***¥
LTCt74B
»
(.«•и
ШИРОКИМ ВЫБОР
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕ»
от
Универсальный АЦП, LTC1604
Быстродействующий АЦП, LTC1420
Универсальный ЦАП, LTC1599
Быстродействующий ЦАП, LTC1668
’азряд- ность Быстро- действие Потреб- ляемая мощ- ность, мВт Напря- жение питания, В Корпус
16 ЗЗЗК 220 +5 SS0P
12 ЮМ 200 5,+5 SS0P
16 - 55 5 SS0P.N
16 50М 180 +5 SS0P
Условия оплаты
- предоплата
- товарный кредит
Представительства:
город
Киев
Минск
Санкт-Петербург
Новосибирск
Екатеринбург
Ижевск
Число
выводов
6
28
24
28
Получение продукции
- в центральном офисе
- в офисах представительств
- почтой, экспресс-курьером.
телефон факс
(044) 229 7740, 228 3269
(375-172) 78 0914
(812)325 7544, 117 6862, 110 43 64
(3832) 46 2473, 27 6380
(343) 212 2314, 212 1810,212 1331
(3412) 42 52 41,42 54 72
6 Содержание
Глава 2.
Материалы и методы изготовления микросистем ... 89
2.1. Металлы.......................................... 89
2.1.1. Термовакуумное напыление.................... 89
2.1.2. Ионное распыление........................... 90
2.2. Полупроводники................................... 92
2.2.1. Электрические и химические свойства......... 92
2.2.2. Выращивание и осаждение..................... 97
2.3. Тонкие пленки и методы их осаждения............. 101
2.3.1. Формирование оксидных пленок методом термоокис-
ления........................................... 102
2.3.2. Осаждение диоксида и нитрида кремния....... 103
2.3.3. Осаждение поликристаллического кремния..... 106
2.3.4. Ферроэлектрические тонкие пленки........... 106
2.4. Материалы для полимерных микросистем............. НО
2.4.1. Классификация полимеров.................... 110
2.4.2. Фотополимеризация.......................... 118
2.4.3. Фоторезистивный материал SU-8.............. 127
2.5. Применение объемных технологий обработки кремния при
изготовлении микросистем............................. 131
2.5.1. Изотропное и направленное жидкостное травление ... 132
2.5.2. Сухое травление............................ 137
2.5.3. Внутренний процесс окисления............... 138
2.5.4. Монтаж кремниевых компонентов методом сплавления138
2.5.5. Анодное соединение......................... 141
2.6. Применение поверхностных технологий обработки крем-
ния при изготовлении микросистем..................... 142
2.6.1. Технология защитного слоя.................. 142
2.6.2. Материалы, применяемые в технологии защитного
слоя.............................................. 143
2.6.3. Плазменное травление, как метод поверхностных тех-
нологий .......................................... 145
2.6.4. Объединение технологии изготовления интегральных
схем (ИС) с методом анизотропного жидкостного
травления......................................... 146
2.7. Изготовление полимерных микросистем методом микро-
стереолитографии (МСЛ)............................... 147
2.7.1. Метод сканирования......................... 148
2.7.2. Двухфотонная микростереолитография......... 149
К0/ЯП/1НИЯ «гйЭИ«
ЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ
ГОСТР
исо
9002-96
Москва - тел. (095) 913-51-61, 786-30-20, http://www.may.ru, e-mail:import@may.ru
С-Петербург, тел. (812) 327-12-70, http://www.avanti.com.ru, e-mail: import@avanti.com.ru
£3Mini-Circuits
• Лучший выбор гибридных компонентов в
диапазоне 0-6 ГГц.
• Гарантированная повторяемость
параметров.
Integra
TECHNOLOGIES, INC.
Специализированный производитель СВЧ
транзисторов и модулей для диапазона
Avionics, L, S.
• Р импдо 1500W (1030/1090 MHz)
-450W(1.2-1.4Ghz)
• 150- 280 W (2.7. ..3.1 GHz) t имп. до 300 мкс.
Поставка сбалансированного набора ВЧ /СВЧ
компонентов и модулей для аппаратуры
коммерческого и специального применений.
- Полная инженерная поддержка,
консультации по применению
- Поставка со склада и на заказ опытных
образцов, обеспечение комплектации
серийного и мелкосерийного производства. ;
- Согласованные цены, гибкая система скидок.
- Оптимизация применяемых компонентов.
- Опыт комплексного обслуживания крупных
проектов.
UlIHE
ENGINEERS'
СНОСЕ™
Agilent Technologies
InnovatPg the HP Way
• Керамические и фарфоровые
высокодобротные СВЧ конденсаторы
(О, 1 пФ. .1 мкФ; 50...7200 В; до 60 ГГц)
• СВЧ индуктивности, резисторы, нагрузки
• Поставка штучных образцов и комплектация
производства
EmWGCS’
NEC
CSPTECHNOLOGIES
Power Solutions
giHittit€
MICROWAVE CORPORATION
Slllill Utlilltll!:
i PHILIPS
Honeywell
Европейский производитель co строгим контролем
качества и конкурентоспособными ценами.
DC/DC преобразователи индустриального исполнения,
HUBER+SUHNER
дроссели, трансформаторы для телекомунникаций
источники питания, модульные масштабируемые
выпрямительные системы
Электродвигатели постоянного и переменного тока, шаговые двигатели,
8 Содержание
2.7.3. Применение поверхностных технологий для постро-
ения полимерных микросистем....................... 151
2.7.4. Проекционный метод........................ 151
2.7.5. Архитектура полимерных микросистем, использую-
щих кремний, металлы и керамику............... 157
2.7.6. Объединение методов микростереолитографии и
толсто-пленочной литографии....................... 160
2.8. Заключение..................................... 161
Литература..................................... 161
Глава 3.
Высокочастотные микропереключатели
и микрореле......................................... 165
3.1. Введение....................................... 165
3.2. Параметры переключения......................... 168
3.3. Принципы переключения.......................... 173
3.3.1. Механические переключатели................ 174
3.3.2. Электронные ключи......................... 174
3.4. Высокочастотные и сверхвысокочастотные ключи..... 174
3.4.1. Механические высокочастотные переключатели.. 176
3.4.2. Высокочастотные переключатели на основе
PIN-диодов........................................ 179
3.4.3. Полевые транзисторы с МОП структурой затвора
(MOSFET) и монолитные СВЧ интегральные схемы
(MMIC).............................,.............. 183
3.4.4. Переключатели в ВЧ микросистемах.......... 186
3.4.5. Интеграция ВЧ ключей в устройства связи и обес-
печение изоляции линий............................ 189
3.5. Исполнительные механизмы микросистем........... 190
3.5.1. Электростатические исполнительные механизмы. 191
3.5.2. Разработка переключателей с низким напряжением
срабатывания...................................... 207
3.5.3. Переключатели с ртутным контактом......... 214
3.5.4. Магнитные переключатели................... 216
3.5.5. Электромагнитные переключатели............ 217
3.5.6. Термические переключатели................. 220
3.6. Бистабильные микрореле и микроприводы.......... 221
3.6.1. Микрореле с магнитным приводом............ 222
3.6.2. Контактные усилия и материалы в микрореле... 226
3.7. Динамика работы переключателей................. 227
3.7.1. Время переключения и время отклика........ 228
Содержание
3.7.2. Пороговое напряжение...................... 232
3.8. Расчет, моделирование и сравнение микропереключателей 234
3.8.1. Электромеханический анализ методом конечных эле-
ментов .......................................... 236
3.8.2. Разработка ВЧ микропереключателей......... 237
3.9. Важные моменты при проектировании микропереключа-
телей............................................... 250
3.10. Заключение................................... 250
Литература..................................... 255
Глава 4.
Конденсаторы и катушки индуктивности в микро-
системах .......................................... 261
4.1. Введение...................................... 261
4.2. Пассивные компоненты микросистем: достоинства и не-
достатки ........................................... 262
4.3. Индукторы в микросистемах .................... 263
4.3.1. Собственная индуктивность и взаимная индуктив-
ность ........................................... 265
4.3.2. Индуктивные элементы микросистем.......... 268
4.3.3. Влияние топологии......................... 276
4.3.4. Уменьшение паразитной емкости планарных кату-
шек индуктивности................................ 279
4.3.5. Способы улучшения добротности............. 285
4.3.6. Поворачивающиеся индукторы................ 296
4.3.7. Моделирование и расчет планарных катушек индук-
тивности ........................................ 298
4.3.8. Переменные катушки индуктивности.......... 302
4.3.9. Катушки индуктивности на основе полимеров... 302
4.4. Микроконденсаторы............................. 303
4.4.1. Микроконденсаторы с регулируемым зазором.... 305
4.4.2. Микроконденсаторы с регулируемой площадью пла-
стин............................................. 315
4.4.3. Микроконденсаторы с регулируемой диэлектрической
проницаемостью................................... 316
4.5. Заключение.................................... 319
Литература..................................... 329
Глава 5.
Высокочастотные микрофильтры........................336
5.1. Введение...................................... 336
10 Содержание
5.2. Моделирование механических фильтров ........... 340
5.2.1. Моделирование резонаторов................. 341
5.2.2. Компоненты линий связи ................... 349
5.2.3. Основные элементы механических фильтров... 357
5.3. Микрофильтры................................... 357
5.3.1. Электростатический гребенчатый привод..... 358
5.3.2. Микрофильтры, использующие гребенчатые приводы ... 361
5.3.3. Микрофильтры, использующие электростатически
связанные балочные резонаторы..................... 367
5.1. Фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ) . 371
5.4.1. Принцип действия фильтров на ПАВ.......... 372
5.4.2. Распространение волн в пьезоэлектрических подлож-
ках .............................................. 374
5.4.3. Разработка встречно-штыревых преобразователей.... 376
5.4.4. Однофазные однонаправленные преобразователи. 378
5.4.5. Устройства на ПАВ: возможности, ограничения и
применение........................................ 379
5.5. Фильтры на объемных акустических волнах........ 381
5.6. Микрофильтры для частотного диапазона миллиметро-
вых волн............................................ 382
5.7. Выводы......................................... 387
Литература..................................... 389
Глава 6.
Микрофазовращатели................................. 392
6.1. Введение....................................... 392
6.2. Разновидности фазовращателей и их ограничения.. 393
6.2.1. Ферритовые фазовращатели.................. 394
6.2.2. Полупроводниковые фазовращатели........... 395
6.2.3. Ферроэлектрические тонкопленочные фазовращатели 397
6.2.4. Ограничения фазовращателей ............... 397
6.3. Микрофазовращатели............................. 397
6.3.1. Переключаемые фазовращатели на основе линий
задержки ................................... 398
6.3.2. Распределенные микрофазовращатели......... 398
6.3.3. Полимерные фазовращатели.................. 407
6.4. Ферроэлектрические фазовращатели............... 410
6.4.1. Распределенные конденсаторы с параллельными пла-
стинами........................................... 411
6.4.2. Двусторонние гребенчатые фазовращатели.... 414
6.4.3. Емкостные гребенчатые фазовращатели....... 418
Содержание
6.5, Области применения фазовращателей............... 419
6.6. Заключение...................................... 419
Литература...................................... 420
Глава 7.
Линии передач в микросистемах и их компоненты . 424
7.1. Введение......................................... 424
7.2. Линии передач в микросистемах.................... 425
7.2.1. Потери в линиях передач...................... 428
7.2.2. Копланарные линии передач.................... 430
7.2.3. Экранированные линии передач и линии передач,
опирающиеся на мембраны........................... 434
7.2.4. Компоненты экранирующих цепей................ 441
7.2.5. Компоненты волноводов в микросистемах........ 445
7.2.6. Направленные ответвители в микросистемах..... 450
7.2.7. Смесители в микросистемах.................... 451
7.2.8. Пассивные компоненты: резонаторы и фильтры... 453
7.2.9. Антенны в микросистемах...................... 454
7.3. Разработка, изготовление и определение характеристик
компонентов ВЧ микросистем.......................... 456
7.3.1. Разработка компонентов ВЧ микросистем........ 457
7.3.2. Изготовление компонентов микросистем......... 458
7.3.3. Определение характеристик компонентов микроси-
стем.............................................. 459
7.4. Заключение....................................... 460
Литература....................................... 461
Глава 8.
Микроантенны...........................................466
8.1. Введение......................................... 466
8.2. Обзор микрополосковых антенн..................... 467
8.2. 1. Основные характеристики микрополосковых антенн. 468
8.2. -2. * Расчет параметров микрополосковых антенн. 471
8.3. Способы улучшения рабочих характеристик микроантенн.. 476
8.4. Процесс изготовления микроантенн................. 482
8.5. Микроантенны с переменной конфигурацией.......... 487
8.6. Выводы........................................... 491
Литература....................................... 491
12 Содержание
Глава 9.
Монтаж высокочастотных микросистем...................494
9.1. Введение....................................... 494
9.2. Роль корпуса в микросистемах................... 495
9.2.1. Механическая защита....................... 496
9.2.2. Электрические соединения.................. 497
9.2.3. Защита от вредных воздействий окружающей среды. 497
9.2.4. Тепловой режим............................ 498
9.3. Виды корпусов микросистем...................... 498
9.3.1. Металлические корпуса..................... 498
9.3.2. Керамические корпуса...................... 499
9.3.3. Пластиковые корпуса....................... 500
9.3.4. Многослойный монтаж микросистем........... 500
9.3.5. Монтаж микросистем на гибких печатных платах .... 501
9.3.6. Монтаж на подложке........................ 502
9.3.7. Экранирование и самоупаковка микросистем....... 504
9.4. Монтаж методом перевернутых кристаллов......... 505
9.5. Многокристальные микросистемы.................. 507
9.5.1. Соединение подложек....................... 510
9.6. Монтаж ВЧ микросистем: вопросы надежности...... 514
9.6.1. Материалы корпусов........................ 514
9.6.2. Интеграция микросистем с микроэлектронными схе-
мами ............................................. 514
9.6.3. Разводка микросистем...................... 517
9.6.4. Надежность и основные неисправности механизмов... 517
9.7. Тепловой режим................................. 518
9.8. Заключение..................................... 518
Литература..................................... 520
Предметный указатель.................................524
Предисловие
Страны, определяющие научно-технический прогресс, при выборе своих нацио-
нальных интересов используют термин «критические технологии». Как прави-
ло, скупой перечень критических технологий характеризует уровень интеллек-
туального потенциала нации и,безусловно, желание и способность государства
обеспечить его развитие. Бытует мнение, что с точки зрения материаловед-
ческого базиса XIX век был веком нефти, а двадцатое столетие подарило нам
кремний — основу практически всех современных информационно-управляющих,
радиоэлектронных и коммуникационных систем. И все же, одним из самых за-
мечательных научно-технических достижений конца XX века, стали не оче-
редной сверхбыстрый процессор или гигантская память, а так называемая ми-
кромеханическая миниатюра, процесс создания которой, базируется на чрезвы-
чайно высоко развитой культуре кремневой технологии. В 1982 году сотрудник
фирмы IBM К. Петерсон по новому взглянул на кремний, увидев в нем не только
полупроводниковый, но и конструкционный «механический» материал.
Появление миниатюрных устройств, в которых гальванические (электри-
ческие) подсистемы интегрируются на микроуровне с механическими, породи-
ло новое направление, получившее с 1987 года аббревиатуру MEMS (МЭМС)
(микроэлектромеханические системы). В настоящее время в мировой практи-
ке для обозначения фактически одного и того же направления наиболее часто
используют понятия: США — MEMS и MOEMS (микроэлектромеханические и
микрооптомеханические системы); Япония — MIKROMACHINES (микромаши-
ны), Европейские страны — MST — MICROSYSTEM TEHNOLOGY (дословно,
технология микросистем).
В России с 1996 г. в «Перечне критических технологий Федерального уров-
ня» официально используется термин «Микросистемная техника», а в утвер-
жденном президентом России 30 марта 2002 г. «Перечне критических техно-
логий Российской Федерации» микросистемная техника внесена как самостоя-
тельная критическая технология, содержание которой определено следующим
образом: «Сверхминиатюрные механизмы, приборы, машины с ранее недости-
жимыми массогабаритами, энергетическими показателями и функциональны-
ми параметрами, создаваемые интегрально-групповыми экономически эффек-
тивными процессами микро- и нанотехнологии».
Несмотря на свое достаточно узкое название, ориентированное на созда-
ние и применение МЭМС в области ВЧ техники, в книге В. Варадана, К. Виноя,
Л. Джозе читатели найдут немало системно упорядоченного материала, ко-
торый безусловно полезен и при изучение и создание микросистем другого функ-
ционального назначения. Это: микроэлектромеханические, микрооптоэлектро-
механические, микрофлюидные и микропневматические компоненты для конт-
рольно-измерительных, информационно-управляющих и телерадиокоммуникаци-
онных систем; микромеханизмы и микромашины для генерации, преобразования
и передачи энергии и движения на микро- и наноуровнях.
KuwSa представляет несомненный интерес и при организации образова-
тельного процесса по специальности 201900 «Микросистемная техника», ко-
торая с 2000г. включена в Государственный образовательный стандарт выс-
шего профессионального образования в рамках подготовки дипломированных
специалистов по направлению «Техника и технологии». Микро электр о механи-
ка, микромашины, микросистемная техника стали в относительно короткий
срок неотъемлемой частью передовой мировой научно-технической культуры.
В российских умах создаваемые технические миниатюры могут ассоциировать-
ся, в первую очередь, с механической блохой из рассказа «Левша». Авторское
право Н. Лескова здесь безусловно, и очень важно, что издаваемая книга «ВЧ
МЭМС и их применение», при ее практичности и целеустремленности, изложе-
на таким образом, что может порождать бурную фантазию конструкторов
микротехники будущего и одновременно открывает новые области применения
знаний материаловедам, которыми всегда была сильна отечественная научная
школа.
Директор Центра
, , микротехнологии и диагностики,
д.т.н. В.В.Лучинин
От микроэлектроники к микросистемной технике
В XXI веке микротехнология
совершит примерно такую же
научно-техническую революцию,
какую в XX веке совершила ми-
кроэлектроника
Глобальное развитие микроэлектроники (МЭ) в решающей степени определило
сегодняшний технический облик цивилизации.
Две новые, бурно развивающиеся области определяют и будут определять
в ближайшие десятилетия прогресс человеческого сообщества. Первая — «Ин-
формационные технологии»— обеспечивает связи внутри человеческого сооб-
щества. Вторая — «Технологии микросистем» — обеспечивает работу и свя-
зи информационных систем с внешним материальным миром. В хронологиче-
ском плане технологии микросистем можно рассматривать как новые этапы
в развития обобщенного направления микротехнологий. Первый этап развития
технологии микросистем породил микроэлектронику, новые этапы характери-
зуются появлением микроэлектромеханических систем (МЕМС) и более ши-
рокой области — микросистемной техники (МСТ). Ведущие индустриальные
страны еще в 199)96 гг. объявили технологии микросистем областью прио-
ритетных стратегических разработок.
Анализ работ в области создания микросистемной техники показывает,
что в настоящее время определились основные направления, которые можно
определить как разработки: а) сенсоров и активаторов, в) энергетических ми-
кромашин, г) микроробототехнических систем, д) аналитических и техноло-
гических микросистем.
Типовые технологии микроэлектроники строятся на последовательном че-
редовании структурных и топологических операций. Все операции проводят-
ся одновременно над большим количеством элементов и заготовок микросхем:
в одном чипе (микросхеме) может содержаться свыше миллиона элементов
(транзисторов),.на одной кремниевой пластине — несколько десятков или со-
тен чипов, а в технологических установках могут обрабатываться одновре-
менно до сотен пластин. При этом итоговая производительность одной тех-
нологической линии может достигать нескольких миллионов изделий в неде-
лю, обеспечивая весьма низкую стоимость одиночного изделия, несмотря на
огромные вложения в технологию и разработку. В этом суть групповых инте-
гральных технологий.
Для изготовления сенсорных и активаторных устройств целесообразно ис-
пользование модифицированных технологических приемов микроэлектроники с
сохранением ее двух кардинальных особенностей: микроразмеры элементов уст-
ройств и, одновременно, макроколичества обрабатываемых изделий. Первая
Отп микроэлектроники к микросистемной технике
особенность позволяет изготавливать прецизионные уникальные изделия, раз-
меры и взаимное расположение элементов которых воспроизводятся с микрон-
ными и субмикронными точностями. Вторая — групповые методы обработ-
ки — делают эти устройства дешевыми и доступными для массовых примене-
ний. Таким образом микроэлектронику можно рассматривать как родоначаль-
ницу микросистемной техники.
По Винеру информационно-управляющая система состоит из объекта управ-
ления, сенсорной подсистемы, подсистемы анализа и принятия решений, ак-
тиваторной (воздействующей, исполнительной) подсистем. Микроэлектрон-
ная революция второй половины двадцатого века затронула в основном толь-
ко центральное звено — подсистему анализа информации и принятия реше-
ний. Остальные подсистемы развивались своим эволюционным путем, обусло-
вленным спецификой разнообразных объектов управления. Коренным отличи-
ем подсистемы анализа информации является унификация аппаратурных реше-
ний, их инвариантность к техническим областям применения. Независимо от
структуры объекта и особенностей задач управления современные системы
строятся на базе ограниченного числа типов микропроцессоров. Построение
измерительной и исполнительной подсистем сегодня еще решается огромным
разнообразием способов в каждой технической отрасли, для каждого объекта
и задачи управления. Это относительное отставание в подходах к созданию
подсистем сбора информации (сенсоры) и воздействия на объект (активато-
ры) является сегодня слабейшим эвеном систем управления.
Для качественного прогресса в этой области необходимо было изыскать
единообразные способы изготовления разнообразных компонентов сенсорных и
активаторных подсистем ограниченным набором технологических приемов.
Технология микросистем, выросшая на основе микроэлектронных технологий,
решает эту задачу и может обеспечить массовый выпуск самых различных меха-
нических, электромеханических, оптических, химических и других компонентов
для сенсорных и активаторных подсистем, органично сопрягающихся с микро-
электронной подсистемой в единую микросистему автоматического управления.
Задачей микротехнологий в этом плане является разработка таких кон-
структорско-технологических подходов и наборов операций, которые позволи-
ли бы все многообразие технических решений сенсоров и активаторов в раз-
личных отраслях техники унифицировать по технологии, сохраняя такие важ-
нейшие характеристики микроэлектронной технологии, как микроразмеры эле-
ментов и массовость промышленного выпуска изделий.
В 70-е годы начались исследования по использованию технологических приемов
и методов микроэлектроники для создания интегрированных микроустройств,
содержащих в одном чипе как электронные компоненты, так и компоненты,
выполняющие механические функции. В таких устройствах входными или вы-
ходными величинами являются не только электрические сигналы (ток и на-
пряжение), но и механические — давление, сила, перемещение, скорость, уско-
рение. Унификация по способу изготовления совершенно различных по назна-
чению сенсоров и активаторов, качественное (на порядки величин) уменьше-
ние массо-габаритных показателей и энергопотребления, создание механиче-
ских систем небывалых по надежности, многофункциональность — вот далеко
неполный перечень достигнутого на сегодня.
Датчики давления — первое микромеханическое изделие, выполненное ме-
тодами микроэлектронной технологии (1968г.). Основными потребителями
датчиков давления (свыше 500млн. шт. в год, из них в 1996 г. до 80% — микро-
механические) являются автомобильная и авиакосмическая промышленность,
энергетика, химия, медицина. Микромеханические датчики давления имеют вы-
сокие метрологические характеристики, малые габариты и продолжают ак-
тивно совершенствоваться.
Предисловия
Микромеханические акселерометры — второе по успешности внедрения
микромеханическое устройство. Они производятся целым рядом фирм, среди
которых в первую очередь следует отметить Draper Laboratory, Analog Devices,
Honeywell, Kearfott и др. Массовое применение — в автомобильных системах
безопасности. Потребление в 2002 г. — 135 млн. шт.
Разработки микромеханических гироскопов производят ряд ведущих зару-
бежных фирм, таких как Draper Laboratory, Honeywell, Litton, Analog Devices,
Mitsubishi, Murata, Gyrostar и др. Фирмы, используя различную технологическую
и конструктивную базу для создания микрогироскопов, разрабатывают свою
концепцию их производства. Отказ от классических схем гироскопов с враща-
ющимся ротором не только устраняет наименее надежные узлы прибора, но и
существенно упрощает его конструкцию, делая ее совместимой с технологи-
ческой базой микроэлектроники.
В России работы по созданию микромеханических датчики угловых скоро-
стей ведут ряд научных центров. Так в ЦНИИ машиностроения разработан
комбинированный микромеханический гироскоп-акселерометр, чувствительный
элемент которого представляет собой инерционную массу, подвешенную в двух-
осном упругом подвесе. Аналогичные работы с использованием классической
кремниевой технологии проводят АООТ «Гирооптика» и СПбГПУ. Области
применения микрогироскопов — аэрокосмические, судовые и автомобильные си-
стемы управления и навигации, высокоточное оружие, медицина, спорт, устрой-
ства ввода в ЭВМ, интеллектуальные игрушки.
Примером наиболее совершенных инструментов, позволяющих исследовать
и модифицировать поверхности различных материалов с разрешением до еди-
ниц Ангстрем, являются атомно-силовые и тоннельные микроскопы.
Проект, разрабатываемый MIT, предусматривает создание газотурбин-
ного двигателя мощностью до 30 - 50 Вт, размером 10 х 3 мм и диаметром
рабочего колеса — 2мм. При этом частота вращения ротора составляет
2.5 млн. об/мин, а расход топлива — до 10г/час. Отношение тяги к весу бо-
лее чем в 10 раз выше, чем у наиболее совершенных крупногабаритных «собра-
тьев». Разрабатываемый газотурбинный двигатель может найти применения
в системах автономного энергоснабжения для транспортных средств и ин-
дивидуальной «электронной амуниции» солдата. В 1999 г. демонстрационный
вариант микродвигателя был установлен на летающем микроаппарате.
Следует отметить, что для любой тепловой машины отношение тяги к
весу подчиняется действию так называемого закона «куб-квадрат»: вес умень-
шается пропорционально кубу линейного размера (объема), а расход и, следова-
тельно, мощность, уменьшается пропорционально квадрату линейного размера
(площади омываемой поверхности), что делает микродвигатели энергетиче-
ски более выгодными, чем двигатели больших размеров. Кроме того, микрога-
бариты обеспечивают малые постоянные времени регулирования, что в соче-
тании со встроенной электронной системой управления существенно повыша-
ет гибкость управления. Описываемые ЖРД разрабатывается для средств
ориентации перспективных малогабаритных спутников.. Они позволяют со-
здать многодвигательные распределенные системы управляемой тяги для ле-
тательных и космических аппаратов новых поколений.
Для химических исследованиях микротехнологии позволили создавать ми-
кролаборатории для анализа и синтеза, содержащие на одной пластине газо-
вые и жидкостные анализаторы, микродозаторы, насосы, клапаны, смесители;
«электронные носы», электронные языки и др.
Особо могут быть выделены микросистемы для биологии и медицины. Это:
а) аналитические приборы для анализа биоматериалов в микрообъемах, опре-
деления ДНК и РНК, химического анализа и разделения биопрепаратов, капил-
лярного электрофореза, измерения физических величин в органах живых орга-
От микроэлектроники к микросистемной технике
ниэмов, б) биохимические микрореакторы, в) микроинструменты для манипу-
ляции и препарирования микрообъектов, нейрофизиологии, жидкостных микро-
потоков, г) робототехнические системы для микрохирургии и дистанционной
хирургии, д) имплантируемые устройства, в том числе для коррекции орга-
нов чувств (слух, зрение, пространственная ориентация), мониторинга и не-
прерывной диагностики, дозирования и доставки до места назначения лекар-
ственных препаратов.
На сегодняшний день в мире реализовано в виде экспериментальных и про-
мышленных образцов огромное количество устройств микросистемной техни-
ки, предназначенных для работы в различных отраслях науки и техники: в аэро-
космических и автомобильных системах, микробиологии, системах микрохими-
ческого анализа, в инструментах для нанотехнологии, приборах для энергети-
ки, теплофизики, механики жидкости и газа, экологии, спорта и быта. Можно
считать, что сейчас начинается вторая фаза развития микротехнологий —
фаза сосредоточенных устройств микросистемной техники. Однако, также
как и в случае первой (микроэлектронной) фазы в середине ее развития (70-
80 гг.), наличие действующих образцов пока еще не привело к адекватно широ-
кому и повсеместному практическому использованию изделий микросистемной
техники. Тем не менее, не вызывает сомнений широчайшие возможности при-
менения сосредоточенных микросенсорных и микроактиваторных устройств в
системах автоматического управления второго поколения. Более того, уже
сегодня своевременно подумать о следующей, третьей фазе развития микро-
технологий. Хотя этот вопрос оживленно обсуждается в научных кругах, для
изделий этой третьей фазы еще не установилось общепринятого термина —
используются различные определения: «умные материалы и структуры», и «рас-
пределенные информационные системы» и др. Для этих структур характерным
является их построение из однотипных элементов — триад, объединяющих
в себе сенсорную, активаторную и управляющую компоненты. Такие триады
являются аналогами биологических клеток в строении живых организмов и ра-
стений. Как и в организмах, клетки-триады «умной» структуры не обязатель-
но должны быть идентичными, но могут иметь специфические особенности,
связанные со специализацией их функций (различные наборы сенсоров и акти-
ваторов, различные по вычислительной мощности и алгоритмам процессоры).
Общими чертами таких «клеток», вытекающими из их триадного построения
являются: а) наличие определенных заданных целей существования и деятель-
ности, б) способности к анализу ситуации, самостоятельному принятию ре-
шения и к обучению (запоминанию результата анализа-действия).
Объединение «клеток»-триад в общую систему, при котором «результат
больше, чем сумма компонентов», может происходить только при согласо-
ванной, связанной деятельности элементов системы. Эти связи могут осу-
ществляться как за счет центрального управляющего звена, так и за счет
непосредственных связей между элементами.
1. Умная пыль — структура с полным отсутствием механических свя-
зей междр элементами, обладающая возможностью активного (собственный
привод, движитель) или пассивного (движение в потоке газа, жидкости) про-
странственного перераспределения элементов. В этих структурах возможны
эпизодические непосредственные информационные связи, однако, наиболее веро-
ятна реализация общения и управления через центральное управляющее звено.
При этом в основе деятельности системы лежит асинхронная деятельность
элементов. Некоторые вероятные области применения таких систем: а) наблю-
дение за погодой и радиационной обстановкой (пыль разбрасывается с самолета),
б) аэро- и гидродинамические измерения в потоках, в) диагностические и ремонт-
ные работы внутри трубопроводов, работающих двигателей, горячих зон, в) «та-
раканы» для уборки и сортировки мусора, г) поиск потерянных предметов и т.п.
2 - 10482
18 Предисловия
2. Умная поверхность — структура, обладающая жестким, фиксиро-
ванным расположением элементов в узлах сетки (не обязательно на одной по-
верхности), исключающая пространственное перераспределение элементов в
системе координат поверхности. При этом движение элементов или деформа-
ция сетки возможны не по инициативе элементов. Активные информационные
связи между элементами и центральным эвеном для обеспечения синхронной и
согласованной деятельности позволяют решать локальные и глобальные зада-
чи управления. Некоторые области применения «умных» поверхностей: а) со-
здание структур, в которых согласованные движения элементов гасят тур-
булентность и уменьшают аэро- или гидродинамическое сопротивление, б) со-
здание активных акустических подавителей шума, в) создание активных ада-
птивных оптических систем и радиотехнических антенн, г) создание систем
диагностики состояния и очистки корпуса корабля от обрастания.
3. Умная структура — структура, в которой силовые механические свя-
зи между элементами; их пространственное перераспределение и перемещение
элементов возможно не только по собственной инициативе, но и под действи-
ем связанных с ними других элементов. В «умной» структуре реализуются еще
более активные локальные и центральные связи, что вызвано необходимостью
определения не только локальных, но и глобальных координат элементов. Обла-
сти применения «умных структур»: а) движущиеся устройства робототехни-
ческих систем (руки, ноги, схваты, инструменты), б) распределенная система
реактивной тяги и управления летательных аппаратов, в) системы изменения
конфигурации крыльев, винтов, рулевых поверхностей.
Переход от сосредоточенных к распределенным информационным системам
ставит ряд совершенно новых проблем, касающихся вопросов разработки ал-
горитмов управления, как отдельными элементами, так и всей системой в
целом. Необходимо решить какую степень «интеллектуальности» и самосто-
ятельности следует обеспечить в элементах, нужна ли им информация о гло-
бальных целях всей системы, и насколько элементам для выполнения их част-
ных задач важны сведения о состоянии соседей. Однако очевидной является
невозможность сосредоточения всех функций управления в центральном звене
для сложной адаптивной системы, состоящей из нескольких тысяч активных
элементов. Для решения такого рода вопросов были бы полезны знания об ал-
горитмах поведения сообществ коллективных насекомых: пчел, муравьев, тер-
митов. Каждый член сообщества выполняет свою локальную задачу, при этом
все вместе они достигают другой, глобальной (системной) цели.
Одной из важнейших проблем, требующей решения при создании распреде-
ленных микросистем является проблема энергетического запаса и его пополне-
ния. При этом наиболее оптимальными представляются решения, при реали-
зации которых элементы получали бы энергию, необходимую для их функциони-
рования, непосредственно из окружающей среды. Такими источниками энергии
могут быть: световая энергия, потенциальная энергия падающих «пылинок»,
кинетическая энергия турбулентных потоков газа или жидкости, обтекаю-
щих частицу,' кинетическая энергия вибрации устройства, тепловая энергия,
получаемая за счет временной и пространственной разности температур и
внешних тепловых потоков, химическая энергия, извлекаемая из улавливаемых час-
тиц вещества окружающей среды (аналог пищи для живых организмов). Таковы
лишь некоторые из реальных перспектив развития микросистемной техники.
Уже первые опыты использования микротехнологий для изготовления ми-
кро механических изделий показали, что микроэлектроника и микромеханика
имеют существенные различия. Основная причина этого заключается в не-
обходимости непосредственного взаимодействия устройств с физическим ма-
териальным миром во всем его многообразии и необходимости реализации не
только информационного, но и физического интерфейса.
От микроэлектроники к микросистемной технике
В связи с этим оказывается недостаточным даже то богатое технологи-
ческое наследство, которое микроэлектроника готова передать этому новому
направлению. Изделия МСТ требуют ряда совершенно новых подходов ко всем
составляющим цикла проектирование — производство: проектирование, тех-
нология и материалы.
Новые задачи в проектировании связаны с необходимостью расчета и мо-
делирования не только задач схемотехники и логики, но и совокупности про-
блем механики твердого тела, термоупругости, электростатики и магнетиз-
ма, газо- и гидродинамики, которые порознь или одновременно проявляются в
изделии.
Новые задачи технологии связаны с наиболее характерными отличиями из-
делий микроэлектроники от изделий микромеханики, которые заключаются в
том, что первые по существу двумерны и механически статичны, а микро-
механические устройства представляют собой реальные трехмерные струк-
туры, элементы которых должны иметь возможность относительного меха-
нического перемещения. Эти новые свойства требуют развития трехмерного
SD-формообразования и реализации новых технологических операций, которые
могут быть как аддитивными — методы соединения деталей для создания
«многоэтажных» конструкций, гальванопластика в объемных формах (LIGA-
технология), так и субстрактивными — методы глубокого (многомикронно-
го) анизотропного травления, селективного травления, создания и удаления
жертвенных слоев.
Наконец, необходимо освоение и использование новых материалов. Выбор
материалов и технологии изготовления элементов является ключевым мо-
ментом при проектировании микромеханических устройств. Курт Петерсон в
статье «Кремний как механический материал», опубликованной в 1982 г., впер-
вые обратил внимание на уже состоявшееся появление нового научного и при-
кладного направления — использование приемов полупроводниковой микротех-
нологии (и кремния, как материала) не в микроэлектронных целях.
Несмотря на то, что традиционный материал микроэлектроники - моно-
кристаллический кремний, имеет ряд уникальных свойств, делающих его весь-
ма привлекательным для микромеханики (высокие механическая прочность, до-
бротность, теплопроводность, отсутствие усталостных эффектов), очевид-
но, что для многих применений одного кремния недостаточно. Необходимо на-
учиться использовать и другие материалы с другими совокупностями элек-
тро-физико-механических свойств (жаропрочные диэлектрические и проводя-
щие материалы, полимеры, в том числе для медицинских и биологических при-
менений и т. д.). Очень перспективным в этой связи выглядит использова-
ние фоточувствительных материалов из различных групп соединений, физико-
механические свойства которых можно широко и целенаправленно варьировать
при синтезе, а формообразование элементов конструкции создавать фотоли-
тографическими методами. В свою очередь, использование новых материалов
потребуерт, как разработки новых технологических приемов для их обработ-
ки, .так и решения измерительных материаловедческих задач по определению
свойств и параметров этих материалов в микроразмерах, без чего невозмож-
но адекватное математическое моделирование и проектирование устройств,
создаваемых с их применением.
Особые проблемы возникают при решении вопросов метрологического обес-
печения разработок, поскольку микроразмеры, создаваемых устройств, требу-
ют применения соответствующих инструментов измерения и контроля. Кро-
ме того, существенное уменьшение массы и габаритов устройств приводит
к проявлению новых свойств объектов. На первый план выходят: а) тепловые
факторы, влияющие на плотность, размер и коэффициенты упругости, темпе-
ратурные деформации и напряжения, б) особые механические свойства мате-
2*
Предисловия
риала, которые проявляются в анизотропии упругих свойств, квазиупругости,
ползучести и диффузионном эффекте, в) эффекты демпфирования, сжимаемо-
сти и объемной упругости газа; неньютоновские эффекты, зависимость от
тепловых градиентов и градиентов плотности.
Действительно на пути совершенствования микросистем много проблем,
требующих решения на новом уровне развития микросистемной техники. От
того, насколько удастся продвинуться в решении этих проблем ученым, инже-
нерам, технологам, будет очевидно зависеть и будущие возможности микроси-
стемной техники. Но, может быть, не менее важной и трудной для решения
является проблема научно-технических связей между специалистами из раз-
личных областей знаний, обусловленная междисциплинарностью нового напра-
вления. Несмотря на очевидные преимущества, которые потенциально заложе-
ны в микросистемной технике, наличие действующих образцов многих типов
пока еще не привело к широкому и повсеместному практическому использова-
нию изделий микросистемной техники. Можно выделить три группы причин
этого явления: технические, организационные и информационные.
Технические — недостаточность старых технологических приемов, ма-
териалов и т. д.
Организационные — отсутствие специализированной производствен-
ной базы МСТ. Традиционное микроэлектронное производство, как показыва-
ет опыт США, не решает задачу, так как при переходе на продукцию МСТ
становится нерентабельным. Это происходит из-за разнокалиберности объ-
емов выпуска продукции: для БИС условием рентабельности является не менее
10е шт./год, потребность в изделиях МСТ одного вида в большинстве случаев
составляет не более 103. . . 104 шт./год.
Сравнительно малая потребность делает нецелесообразным внедрение на
крупных предприятиях с отлаженным массовым производством дополнитель-
ных технологических операций и оборудования. Еще опаснее для серийного из-
готовителя переналадка технологического оборудования и режимов ради вы-
пуска одной тысячной годовой продукции с риском расстроить основной тех-
нологический процесс.
Информационные: а) отсутствие информированности потенциальных
потребителей о возможностях микросистемной техники, ее разработках и
изготовлении, б) трудности перехода к новому от привычного, традиционно
используемого в данной отрасли. Это особенно актуально, поскольку сегодня
никто не сможет утверждать, что, например, новый микромеханический дат-
чик имеет срок службы не менее 10 лет, если он впервые сделан только год
назад и отсутствует опыт его массового использования.
В 1993г. правительство США, понимая важность нового направления и,
одновременно, объективные трудности в его развитии, профинансировало на-
учно-исследовательскую информационную работу по определению основных со-
ставляющих инфраструктуры МСТ. Было выделено четыре первоочередные
направления: а) информационное обеспечение, б) доступное макетирование и
изготовление микроустройств, в) создание специализированных программных
средств для разработки и моделирования микроустройств, г) подготовка кадров.
Информационное обеспечение предусматривает формирование информации
трех уровней: а) для тех, кто ничего не слышал о микросистемах, б) для тех,
кто хочет использовать микросистемы, в) для специалистов, работающих в
этой области.
Доступное макетирование и изготовление микроустройств предусматри-
вает создание специализированных опытно-производственных участков на ба-
зе технических университетов и научных учреждений, оснащенных оборудова-
нием и специалистами и работающих как «ателье на заказ». При этом долж-
на быть обеспечена работа с клиентами разной степени подготовленности.
От микроэлектроники к микросистемной технике
В таких ателье предполагается разработка прикладных CAD-систем, инте-
грирующих различные аспекты МСТ (электроника, механика, термоупругость,
оптика и т. д.), моделирование технологических процессов, разработка топо-
логии, в том числе трехмерной, а также создание учебных программ, курсов,
подготовка и переподготовка специалистов.
Как уже указывалось, ведущие индустриальные страны мира еще в пери-
од 199J 1996 гг. объявили микротехнологии областью приоритетных страте-
гических технологий. Огромное число (более 400 в 1997г. и уже более 900 в
2001 году) университетов и коммерческих компаний, сконцентрировав усилия
на развитии технологий МСТ, открыли широчайший спектр возможных при-
менений. Общее число зарегистрированных в мире патентов в области техно-
логий МСТ резко возросло и к 2001 году достигло 3000, из них более 300 при-
надлежит США. Сейчас в этой области ежегодно регистрируется более 400
патентов. Приняты и выполняются программы развития МСТ на националь-
ных и межгосударственных уровнях. Ряд крупнейших электронных компаний, в
т. ч. такие фирмы, как «Интел» и «Нокия», выступили со своими программами
развития в области МСТ. Более 70 компаний — производителей оборудования
для электронной промышленности производят специализированное для МСТ
оборудование. Ряд изделий МСТ вышел на широкий рынок и производится мно-
гомиллионными тиражами.
В России немногочисленные работы проводятся в последние годы, в основ-
ном, группами энтузиастов при крайне скудном финансировании со стороны за-
интересованных организаций и коммерческих структур. Работы ведутся раз-
розненно, при полном отсутствии единой национальной инновационной поли-
тики. Этими коллективами, однако, накоплен значительный багаж различных
микротехнологических разработок, по уровню вполне соизмеримых с зарубеж-
ными. Эти инновационные потенции, к сожалению, лишь в малой степени до-
ведены до промышленной реализации.
Зарубежный опыт показывает, что именно многопрофильные технические
университеты становятся, как правило, «центрами кристаллизации» в разви-
тии такой межотраслевой дисциплины, как микротехнологии, поскольку имен-
но в таких университетах сосредоточены специалисты в таких областях, как
техническая физика, техническая кибернетика, аэро- и гидродинамика, приборо-
и машиностроение, материаловедение. Кроме того, наличие в ряде техниче-
ских университетов лабораторий микроэлектронной техники создает доста-
точно богатую межотраслевую базу научного взаимодействия.
Таким образом, проведенный анализ показывает, что микросистемная тех-
ника представляет собой новое направление развития технической цивили-
зации общества в самом ближайшем будущем. Именно это обстоятельство
требует пристального внимания специалистов различных профессий к быстро
развивающейся новой технологии, требует консолидации усилий этих специ-
алистов, требует проведения целенаправленной государственной технической
политики в той области науки и техники, которая будет определять прогресс
человечества, по крайней мере, в первую четверть нового столетия.
Множество информации по разработкам можно найти в Internet (см. на-
пример, www.intel.com/research/silicon, www.mdl/sandia/gov/,www.analog.com,
www.dbanks.demon.co.uk/index-l.htm, www.gyro.ru,www.mems.ru) и в журналах
(см. например, «Микросистемная техника» http://www.microsystems.ru).
к.ф.м.н. Е. Н. Пятышев
pen@mtmems.hop.stu.neva.ru
ГЛАВА I
МИКРОСИСТЕМЫ
1.1. Введение
В течение последнего десятилетия были разработаны несколько сов-
ременных технологий изготовления микросистем, которые способ-
ствовали созданию многих принципиально новых приборов в различ-
ных областях науки и техники. Одной из таких областей являет-
ся ВЧ и СВЧ техника. Внедрение технологии изготовления микро-
систем в высокочастотную технику позволило решить много про-
блем в системах беспроводной связи. Быстрое развитие персональ-
ных устройств связи в последнее время заставляет разработчиков
уделять много внимания вопросам миниатюризации и повышения
эффективности, что невозможно без применения ВЧ микросистем.
Под термином ВЧ микросистемы подразумевается разработка
и изготовление микросистем, используемых в высокочастотных ин-
тегрированных схемах. Не следует считать, что ВЧ микросистемы
являются просто традиционными электромеханическими система-
ми, работающими на радиочастотах. Часто традиционные системы
используются в ВЧ микросистемах для запуска или настройки от-
дельных высокочастотных компонентов, таких как переменные кон-
денсаторы, ключи и фильтры. Традиционные микросистемы мож-
но разделить на два класса: микроприводы и микродатчики. Пер-
вая группа — это различные движущиеся механизмы, управляемые
электрическими сигналами. Представителем этой группы является
микродвигатель. В настоящее время существует много разновидно-
стей микродатчиков для различных областей применений. Истори-
чески, из-за простоты их изготовления, они стали первыми и самы-
ми распространенными микросистемами. Другая причина, почему
микроприводы не были столь популярны до возникновения ВЧ ми-
кросистем, заключается в их малой мощности, которой было часто
недостаточно для управления другими устройствами. Однако, как
будет показано дальше, в ВЧ и СВЧ устройствах таких усилий хва-
тает для изменения свойств всей системы. Пассивные устройства —
это линии передач, фильтры и соединительные элементы, а актив-
ные — ключи, регулировочные элементы и переменные конденсато-
ры. В качестве электродвижущей силы для перемещения элементов
1.1. Введение
системы по поверхности подложки обычно используется электро-
статическое притяжение, хотя в настоящее время уже разработаны
магнитные, термические и газовые микроприводы.
Рассмотрим следующую классификацию ВЧ микросистем, кото-
рую дал Brown в 1998 году. По этой классификации все микроси-
стемы можно разделить на три группы:
(1) Наружные ВЧ системы, в которых микросистема, рас-
положенная вне высокочастотной схемы, управляет другими
устройствами, входящими в состав ВЧ схемы. Примером этой
группы устройств является перестраиваемая микрополоско-
вая линия передач и связанные с ней фазовращатели и антен-
ны. Микрополосковые линии широко используются для связи
быстродействующих схем и компонентов, и их изготовление
может быть автоматизировано.
я (2) Внутренние ВЧ системы, в которых микросистема, рас-
положенная внутри ВЧ схемы, выполняет функции и привода,
« и ВЧ системы. К этой категории можно отнести микросисте-
мы консольного и диафрагменного типа, которые могут ис-
пользоваться как электростатические микропереключатели и
гребенчатые конденсаторы (Brown, 1998). С изобретением
’ электроактивных полимеров (ЭАП), многофункциональных
интеллектуальных полимеров и микростереолитографии та-
кие виды ВЧ микросистем могут быть реализованы по техно-
логии полимерных систем. Их достоинствами являются гиб-
кость, стабильность и долговечность. Кроме того они мо-
гут быть объединены на одном кристалле с тонкопленочными
транзисторами.
(3) Реактивные ВЧ системы, в которых микросистема, рас-
положенная внутри, выполняет ВЧ функции, связанные с осла-
блением сигнала. Представителями этой группы являются пе-
рестраиваемые фильтры и резонаторы с емкостной связью.
ВЧ и СВЧ планарные фильтры на тонкой диэлектрической
мембране обладают малыми потерями и пригодны для недо-
рогих, компактных, высокопроизводительных однокристаль-
ных интегральных схем, работающих в миллиметровом диа-
пазоне.
Самыми первыми кремниевыми ВЧ микросистемами в области
микроволновой техники были изготовленные по поверхностной тех-
нологии микроприводы для СВЧ переключателей, обладающие вы-
сокой линейностью, низким потреблением энергии в режиме ожи-
24 Глава 1. Микросистемы
дания и небольшими вносимыми потерями. (Larson, 1999). В та-
ких ключах электростатическое притяжение уравновешивается со-
ответствующими механическими силами, действующими на балку,
заставляя ключ занять требуемое положение. Такой ключ имеет в
широкой полосе частот в замкнутом состоянии импеданс порядка
50 Ом и почти бесконечный импеданс в разомкнутом состоянии,
что делает его весьма привлекательным для использования в СВЧ
технике. Также имеется информация о разработке еще нескольких
СВЧ ключей, один из которых построен по кроссинг-технологии
(Goldsmith, Eshelman, Dennston, 1998). Такой ключ меняет свое со-
стояние за счет резкого изменения значений емкости. Однако эта
схема предъявляет довольно высокие требования к переключающе-
му напряжению.
Технология производства микросистем также применяется в ВЧ
технике при изготовлении переменных конденсаторов, заменяющих
параметрические диоды, используемые в качестве переключателей
(Wu et al., 1998). Здесь емкость конденсатора может меняться за
счет изменения либо площади пластин, либо расстояния между ни-
ми, что достигается применением разных методов изготовления.
В последнем случае можно получить изменение емкости, превыша-
ющее соотношение 3:1, что делает такие конденсаторы привлека-
тельными для настройки широкополосных монолитных генерато-
ров, управляемых напряжением. Однако их использование часто ог-
раничивается низкой механической резонансной частотой микроси-
стемы.
1.2. Краткий обзор микросистем
Под механическими микросистемами понимаются такие устройст-
ва, как микродатчики и микроприводы, способные реагировать на
изменение окружающей среды, используя для этого внутренние сред-
ства управления. Помимо традиционных микроэлектронных компо-
нентов в их состав входит встроенная антенна для приема упра-
вляющих сигналов, координирующих работу электромеханических
микрочастей при выполнении требуемых функций (сенсорных и ак-
тиваторных). В состав микросистем могут также входить микроис-
точники питания, микрореле и сигнальные микропроцессоры. Ми-
крокомпоненты повышают быстродействие и надежность системы,
делают ее дешевле и дают возможность выполнять более сложные
функции.
Бурное развитие технологий изготовления интегральных схем
в начале девяностых годов двадцатого века привело к возможно-
1.2. Краткий обзор микросистем
сти построения на кремниевой подложке микроструктур, способ-
ных выполнять функции датчиков и приводов, а также функции
управления ними. Так появились первые микросистемы. После чего
в эту отрасль были вложены значительные средства, что привело
к дальнейшему прогрессу в развитии электромеханических микро-
устройств. Был организован серийный выпуск микросистем низкой
степени интеграции, таких как микроакселерометры, головки для
струйных принтеров, проекционные микрозеркала и т. д. Также бы-
ли предложены концепции разработки и реализации более сложных
микросистем и продемонстрированы возможности их применения в
различных областях науки и техники: микробиологии, биомедицине,
аналитической химии, аэрокосмических исследованиях, беспровод-
ных устройствах связи, устройствах памяти, дисплеях, оптических
устройствах и т. д. (Fujita, 1996, 1998). В настоящее время наиболее
бурный прогресс наблюдается сфере оптических и аналитических
микросистем, поскольку именно они имеют огромный рыночный
потенциал. До конца девяностых годов большинство микросистем,
имеющих в своем составе различные датчики и приводы, изготавли-
вались по одной из известных технологий: объемной или поверхност-
ной микрообработке кремния, а также методом литографии (Bustil-
lo, Howe, Muller, 1998, Guckel, 1998, Kovacs, Maluf, Petersen, 1998). He
так давно были разработаны трехмерные технологии изготовления
микросистем с использованием новых материалов. Эти разработки
были продиктованы специфическими требованиями, предъявляемы-
ми к микросистемам, работающим в определенных областях техни-
ки, например, в биомедицинских приборах, а также к микросисте-
мам, в которых микроприводы должны иметь высокую выходную
мощность (Fujita, 1996, Guckel, 1998, Ikuta, Hirowatari, 1993, Takagi,
Nakajima, 1993, Taylor et aL, 1994, Thornell, Johansson, 1998, Varadan,
Varadan, 1996, Xia, Whitesides, 1998).
Традиционные технологии производства микросхем стали основ-
ными для изготовления электромеханических микроустройств, та-
ких как микродатчики и микроприводы. Методы микрообработки
кремния позволяют изготавливать микросистемы, размеры кото-
рых составляют доли миллиметра. Под микрообработкой понима-
ется формирование трехмерных микроскопических механических
структур внутри кремниевой подложки или на ее поверхности. Эти
методы открывают разработчикам возможности для построения
принципиально новых микроустройств. Из таких материалов, как
монокристаллический кремний, поликристаллический кремний, ни-
трид кремния и т. д. формируют разнообразные механические ми-
кроструктуры: подвесы, диафрагмы, бороздки, отверстия, пружи-
Глава 1. Микросистемы
ны, шестеренки, подстроечные элементы и огромное количество
других сложных механических устройств (Bryzek, Peterson, McCul-
ley, 1994, Fan, Tai, Muller, 1987, Middelhoek, Audet, 1989, Peterson,
1982, Varadan, Jiang, Varadan, 2001).
Многие микроустройства изготавливаются по технологии про-
изводства полупроводников или методом стереолитографии на поли-
мерных многофункциональных структурах. Стереолитография —
это процесс изготовления микросистем с высоким характеристи-
ческим соотношением (коэффициентом формы) на полупроводни-
ковых полимерах с использованием ультрафиолетового (УФ) излу-
чения. По этой технологии сначала синтезируются полупроводнико-
вые полимерные структуры, на которых методом стереолитографии
формируются трехмерные микроструктуры, обладающие высоким
коэффициентом формы. В 1993 году Ikuta и Hirowatari, применив
технологию Ш (интегральную стериолитографию на отвержденном
полимере), продемонстрировали возможность построения трехмер-
ных микроструктур из полимеров и металла. Они также показа-
ли, что при помощи источника ультрафиолетового излучения, трех-
координатной платформы, оптического прерывателя, линз и ми-
кропроцессора можно изготавливать такие микроустройства, как
пружины, венозные клапаны и электростатические приводы. Если
какой-то микроэлемент невозможно реализовать на полимерных ма-
териалах, его можно изготовить на кремнии, а потом использовать
фотолитографию или гибридную технологию для построения всей
микросистемы (Ikuta, Hirowatari, 1993, Takagi, Nakajima, 1993, Tani,
Esashi, 1995, Varadan, 1995, Varadan, Varadan, 1995, 1996). Фотоли-
тография — это оптический метод, напоминающий стереолитогра-
фию, при котором сначала наносится фотомаскирующий слой, а за-
тем используется Ш технология для отверждения фотохимического
полимера при помощи облучения светом. Takagi и Nakajima (1993)
для изготовления сложных микроструктур предложили новую кон-
цепцию «комбинированной архитектуры» и «механизма склеивания»,
основанную на использовании фотолитографии для объединения от-
дельных элементов, выполненных по разной технологии. По такой
технологии реализуются гибридные микросистемы, состоящие из
кремниевых и полимерных компонентов.
Микросистемы, построенные по принципу комбинированной ар-
хитектуры, представляют собой набор из отдельных пленочных сло-
ев толщиной от нескольких микрон до миллиметра, в каждом из ко-
торых сформированы микроструктуры датчиков и приводов. Для
некоторых применений (например, для аэродинамических поверхно-
1.2. Краткий обзор микросистем
стей) подложка комбинированной микросистемы должна быть гиб-
кой, чтобы иметь возможность принимать аэродинамичную фор-
му, и в то же время совместимой с технологией изготовления инте-
гральных схем, что необходимо для объединения датчиков и других
электронных компонентов в единую структуру. Для этих целей Car-
raway (1991) предложил использовать полиимид, поскольку он обла-
дает большой эластичностью и пригоден для применения в инте-
гральной технологии. Чтобы датчики и приводы могли выполнять
требуемые функции, внутри микросистемы организуется электри-
ческий контур управления, состоящий из токопроводящих полиме-
ров и электродов, соединенных с локальными антеннами, которые,
в свою очередь, связанны с центральной антенной. Сложной зада-
чей является организация дистанционного измерения данных. В не-
которых случаях, когда микроструктура подвергается нагрузкам
и растяжениям, можно столкнуться с проблемой монтажа электри-
ческих соединений. Иногда на рабочие характеристики некоторых
микросистем сильно влияют условия окружающей среды. Решени-
ем многих проблем может стать применение технологии интегра-
ции ультра плоских антенн с микродатчиками и микроприводами.
В результате такой интеграции на одном кристалле микросистем
и микроэлектронных устройств появляются комбинированные си-
стемы, часто называемые интеллектуальными преобразователями.
В интеллектуальных преобразователях слабые сигналы микродат-
чика усиливаются, формируются и выдаются в стандартном вы-
ходном формате. В состав таких преобразователей могут также
входить: микроконтроллер, цифровой сигнальный процессор, спе-
циализированные интегральные схемы, схемы самотестирования и
самокалибровки, а также схемы шинных интерфейсов. Интелекту-
альные преобразователи являются простыми в управлении, точны-
ми и надежными устройствами.
Наиболее распространенными являются микросистемы, имею-
щие в своем составе три основные структуры: диафрагмы, консоли
и мостовые схемы. Для изготовления таких элементов, как мембра-
ны, консольные балки, резонансные структуры и т. д. используются
специальные технологии, рассматриваемые дальше. В состав микро-
системы могут входить либо одна, либо несколько основных струк-
тур, что определяется каждым конкретным приложением. На осно-
ве этих трех основных структур можно реализовать практически
любые микродатчики и микроприводы для работы в составе ин-
теллектуальных устройств. Однако конечный результат зависит не
только от этих структур, но и от выбора материалов и техноло-
Глава 1. Микросистемы
гий, используемых для их изготовления. Для всех трех основных
структур предполагается, что сенсорное восприятие и механическое
управление происходит в результате возбуждения соответствующе-
го пьезоэлектрического слоя при воздействии на него электриче-
ским полем. Это возбуждение преобразуется в деформацию либо
диафрагмы, либо свободной балки мостовой схемы, либо консоль-
ной балки. В первых двух случаях эта деформация выражается в
выгибе диафрагмы или свободной балки мостовой схемы вверх, что
приводит к вертикальному смещению всей конструкции. В случае
консольной балки в ответ на приложенное электрическое напряже-
ние происходит вертикальное перемещение верхней части консоли.
Очевидно, что во всех трех случаях микропривод (диафрагма, сво-
бодная балка или консоль) состоит, как минимум, из одного слоя
и электродов для подачи на этот слой электрического напряжения.
В большинстве микроприводов применяются именно пьезоэлектри-
ческие силы. Для изготовления мембран, консолей и резонансных
структур используются методы микротехнологий.
Как правило, микродатчики и приводы изготавливаются по ши-
роко распространенным в микроэлектронной промышленности тех-
нологиям. Трехмерные приводы в полимерных структурах могут
быть реализованы методом стереолитографии на основных цепях
полимеров, чувствительных к ультрафиолетовому излучению (Ikuta,
Hirowatari, 1993, Takagi, Nakajima, 1993, Tani, Esashi, 1995, Varadan,
1995, Varadan, Varadan, 1995, 1996). При построении интегрирован-
ных микросистемных устройств, имеющих комбинированную архи-
тектуру, используется метод фотолитографии (Takagi, Nakajima,
1993). Для получения больших механических перемещений применя-
ют мостовой пьезоэлектрический преобразователь (Chin, Varadan,
Varadan, 1994).
Именно благодаря развитию технологий микрообработки крем-
ния, в последнем десятилетии был достигнут значительный про-
гресс в области микросистем. Микрообработка — это способ фор-
мирования микроскопических механических элементов из кремние-
вой подложки, а в последнее время и из других материалов. Таким
способом изготавливаются закрепленные балки, мембраны, консо-
ли, бороздки, отверстия, пружины, шестеренки, подвесы и т. д., ко-
торые могут использоваться для конкретных преобразователей в
разных комбинациях. Объемная технология является наиболее рас-
пространенным методом изготовления микросистем, но в последнее
время она все больше заменяется поверхностной технологией, кото-
рая имеет неоспоримое преимущество, позволяющее на одной под-
1.3. Технология изготовления микросистем
ложке объединять и микроэлектронные устройства, и микросисте-
мы. Таким образом можно изготавливать микросистемы, имеющие
в своем составе и источники питания, и специализированные схемы
для обработки сигналов. Преимуществом такого подхода является
также то, что по одной технологии можно изготовить несколько
разных устройств.
1.3. Технология изготовления микросистем
Разработка методов микрообработки кремния обеспечила быстрый
прогресс в области микросистем. Под термином микрообработка
кремния подразумевается формирование микроскопических меха-
нических элементов внутри кремниевой подложки или на ее поверх-
ности. Существует две технологии микрообработки кремния: объ-
емная микрообработка, при которой элементы системы вытравлива-
ются внутри кремниевой подложки, и поверхностная микрообработ-
ка, при которой микромеханические слои формируются из пленок,
осажденных на поверхности подложки.
Объемная и поверхностная микрообработка являются двумя основ-
ными технологиями обработки кремния. LIGA-технология и трех-
мерная (3D) микрообработка позволяет формировать трехмерные
функциональные микроструктуры для микросистем, обладающие
высоким коэффициентом формы.
1.3.1. Объемная технология
Объемная технология была разработана в шестидесятых годах два-
дцатого века. Она заключается в выборочном удалении кремния
с одной стороны подложки для формирования мембран, бороздок,
отверстий и других структур (рис. 1.1). Существуют два вида объ-
емной микрообработки кремния: жидкостное (влажное) травление
и сухое травление, которые различаются фазовым состоянием ис-
пользуемого травильного реагента. Для жидкостного травления ис-
пользуются жидкие травильные реагенты, представляющие собой
водные растворы химических реактивов, а для сухого травления
применяются реагенты в виде паров и плазмы.
Объемная технология является самым распространенным методом
микрообработки кремния. Она появилась в начале шестидесятых
годов и с тех пор широко используется для построения различных
микроструктур. Эта технология применяется для производства боль-
шинства коммерческих приборов — почти всех датчиков давления
и кремниевых клапанов, а также 90% кремниевых акселерометров.
Глава 1. Микросистемы
Изотропное жидкостное травление:
Изотропное жидкостное травление:
без перемешивания
(а)
Анизотропное жидкостное травление:
поверхность(100)
Ориентация поверхности (100)
с перемешиванием
Маска из оксида кремния (SiO^)
Анизотропное жидкостное травление:
поверхность (НО)
Ориентация поверхности (ПО)
Рис. 1.1. Объемная микрообработка кремния: (а) изотропное травление,
(б) анизотропное травление, (в) анизотропное травление с вну-
тренним барьерным слоем, (г) диэлектрическая мембрана, по-
лученная методом объемной микрообработки с обратной сторо-
ны подложки, (д) селективное жидкостное травление, (е) анизо-
тропное сухое травление. Репродукция из книги C.L. Goldsmith,
S.Eshelman, D.Dennston, 1998, «Performance of low loss RF MEMS
capacitive switches», IEEE Microwave and Guided Wave Letters 8:
269-271, с разрешения IEEE, 1998 IEEE
1.3. Технология изготовления микросистем
Термин объемная микрообработка поясняет тот факт, что эта
технология используется для изготовления механических микрострук-
тур внутри подложки из монокристаллического кремния методом
селективного удаления (вытравливания) материала подложки. При
помощи этой технологии можно получать микроструктуры толщи-
ной от долей микрона до толщины всей подложки (200... 500 мкм)
с поперечными размерами от долей микрона до величины шири-
ны/длины самой подложки.
Для травления такой толстой кремниевой подложки использу-
ются следующие травильные реагенты: гидроксид калия (КОН),
этилендиамин пирокатехол (EDP), гидрооксид тетраметиламмония
(ТМАН) и водный раствор гидразина. Скорость травления при по-
мощи этих реагентов зависит от ориентации кристаллов в кремние-
вых пластинах (Aeidel, 1987, Peterson, 1982). В большинстве случаев
жидкостное травление выполняется на обратной стороне подложки,
в то время как плазменное травление происходит на передней сторо-
не. За последние годы была разработана вертикальная объемная ми-
крообработка кремния, получившая название SCREAM (травление
монокристаллического кремния с металлизацией), которая являет-
ся комбинацией анизотропного и изотропного плазменного травле-
ния (Shaw, Zhang, MacDonald, 1994). Селективное травление можно
осуществить при введении в подложку дополнительных примесей,
поскольку области, легированные, например, бором, будут вытра-
вливаться гораздо медленнее. Процесс травления может быть даже
остановлен электрохимическим способом при помощи формирова-
ния внутри подложки обратно смещенного р-n перехода. Область,
в которой процесс травления замедляется или прекращается, назы-
вается барьерным слоем. Существует несколько способов создания
барьерного слоя, назовем два из них: метод селективного травления
при помощи примесей и метод селективного травления при помощи
смещенного р-n перехода (Peterson, 1982, Aeidel, 1982, Shaw, Zhang,
MacDonald, 1994).
Жидкостное травление происходит путем погружения подлож-
ки в травильную ванну или ее опрыскиванием травильными реа-
гентами, которые могут быть щелочами или кислотами. Жидкост-
ное травление может быть изотропным или анизотропным в зави-
симости от используемых травильных реагентов и структуры ма-
териала подложки. Если материал аморфный или поликристалличе-
ский, жидкостное травление всегда бывает изотропным (рис. 1.1а).
Во время жидкостного травления кислотными растворами травиль-
ных реагентов происходит только частичное удаление резиста. Это
Глава 1. Микросистемы
связано с тем, что для микросистем практически никогда не при-
меняется глубокое травление. Для монокристаллического кремния
возможно использование анизотропного травления. Форма получа-
емых структур определяется скоростью травления, которая зависит
от ориентации кристаллов кремния. Самой низкой скоростью тра-
вления обладает кремний с ориентацией (111). Таким образом при
выборе кремниевых подложек с разной ориентацией кристаллов по-
лучают различные объемные структуры (рис. 1.1 б и 1.1 в). Для ани-
зотропного травления кремния чаще всего используются следующие
травильные реагенты: различные щелочные растворы (КОН, NaOH
и т. д.), растворы гидрата аммония (NH4OH, ТМАН[(СНз)41МОН]
и т. д.) и EDP (этилендиамин пирокатехол с водой). Комбинируя
разные способы анизотропного травления, например, травления с
имплантацией бора (с созданием Р+ барьерного слоя) и травления с
электрохимическим барьерным слоем, можно создавать различные
объемные микроструктуры из кремния (рис. 1.1).
Сухое травление происходит за счет химического и физическо-
го взаимодействия между ионами газового травильного реагента
и атомами кремниевой подложки. Для проведения сухого изотроп-
ного травления можно использовать газообразные формы следую-
щих реагентов: дифторксенона и смеси галогенов. При этом удает-
ся добиться очень высокой селективности травления для алюминия,
диоксида кремния, нитрида кремния, фоторезиста и т. д. Наиболее
распространенными методами сухого объемного травления крем-
ния являются плазменное и реактивное ионное травление (RIE),
проводящиеся в реакционных камерах низкого давления, где для
запуска химических реакций требуется подвод внешней энергии.
Здесь в качестве травильных реагентов могут применяться газо-
образные хлорфторуглероды, гексафторид серы, бромсодержащие
смеси и кислород. Анизотропное сухое травление широко использу-
ется при изготовлении микросистем, поскольку дает возможность
формирования сложных геометрических структур, часто при мень-
шем химическом загрязнении окружающей среды по сравнению с
жидкостным травлением. При помощи анизотропного сухого тра-
вления возможно изготовление глубоких, произвольно ориентиро-
ванных кремниевых структур (рис. 1.1 е). Самые глубокие кремни-
евые микроструктуры получаются при использовании технологии
RIE (Bryzek, Peterson, McCulley, 1994).
При сборке микросистемных устройств, изготавливаемых по объ-
емной технологии, требуется использование дополнительных мето-
дов крепления отдельных элементов к подложке. В то время как по-
1.3. Технология изготовления микросистем
верхностная технология позволяет реализовывать монолитные ми-
кросистемы.
1.3.2. Поверхностная технология
формирование защитного слоя
Рис. 1.2. Последовательность этапов типовой поверхностной микрообра-
ботки кремния. Репродукция из книги G. Stix, 1992, «Trends in
micromechanics.- micron machinations», Scientific American (Novem-
ber 1992): 72-80, с разрешения Scientific American
удаление защитного слоя
Поверхностная технология заключается в построении микрострук-
тур на поверхности кремния путем осаждения тонких пленок защит-
ных (жертвенных) и структурных слоев и удаления в конце процесса
защитных слоев для получения требуемой механической структуры
(рис. 1.2). Геометрические размеры микроструктур, изготовленных
по поверхностной технологии, могут быть на несколько порядков
меньше, чем у микроструктур, полученных по объемной техноло-
гии. Главным преимуществом компонентов, реализованных при по-
мощи методов поверхностной микрообработки кремния, является
простота их интеграции с интегральными схемами, поскольку они
Глава 1. Микросистемы
могут быть выполнены на одной подложке. Но следует отметить,
что из-за малых размеров элементов, получаемых по поверхност-
ной технологии, их масса будет также мала, что может привести к
невозможности их использования в ряде случаев в качестве механи-
ческих датчиков и приводов.
Для изготовления микросистем по поверхностной технологии тре-
буются следующие материалы:
- материалы для построения микроструктур,
- материалы для построения защитных слоев,
- реагенты для травления.
Материалы для построения микроструктур должны обладать соот-
ветствующими назначению физическими и химическими свойства-
ми. К тому же они должны удовлетворять механическим требова-
ниям: выдерживать высокое разрушающее напряжение, быть устой-
чивыми к пластическим деформациям, обладать низким уровнем
ползучести и усталости, быть износостойкими.
Защитные материалы также должны обладать хорошими меха-
ническими характеристиками для того, чтобы в процессе изгото-
вления микросистемы не произошла поломка ее внутренних струк-
тур. Под механическими характеристиками здесь понимается хоро-
шая адгезия и низкое остаточное напряжение для предотвращения
деформации микроустройств при расслоении и/или раскалывании.
Травильные реагенты, используемые для удаления защитных мате-
риалов, должны обладать отличной избирательностью, чтобы при
травлении удалять только защитное покрытие, не оказывая ника-
кого влияния на материал формируемых микроструктур. В допол-
нении к этому, травильные реагенты должны иметь соответствую-
щую вязкость и поверхностное натяжение. Для построения микро-
систем по поверхностной технологии используются те же материа-
лы, что и при изготовлении большинства интегральных схем:
(1) Поликремний/диоксид кремния. В этом случае применяется
химическое осаждение поликремния из газовой фазы при низ-
, ком давлении для построения микроструктур и паров оксида
для формирования защитных слоев. Раствор HF легко раство-
ряет оксид, не оказывая влияния на поликремний. Для элек-
троизоляции совместно с этими материалами часто исполь-
зуется нитрид кремния.
(2) Полиимид/алюминий. Здесь полиимид применяется как струк-
турный материал, а алюминий — как защитный. Для раство-
рения алюминиевого защитного слоя используются кислот-
ные реагенты.
1.3. Технология изготовления микросистем
(3) Нитрид кремния/поликремний. Нитрид кремния играет роль
структурного материала, а поликремний — защитного. В этой
комбинации материалов при проведении анизотропного тра-
вления кремния для растворения поликремния используются
КОН и EDP.
(4) Вольфрам/диоксид кремния. Здесь происходит осаждение па-
w ров вольфрама для построения микроструктур и паров окси-
да для реализации защитных слоев. Для удаления защитного
оксидного слоя применяется раствор HF.
Для построения микросистем иногда используются карбид кремния,
алмазоподобный углерод, оксид цинка, золото и другие материалы,
применяемые при изготовлении традиционных микросхем.
Для поверхностной микрообработки кремния могут применять-
ся методы сухого травления. Предпочтительнее использовать плаз-
менное травление кремниевой подложки при помощи смеси газов на
основе SF6/O2 и CF4/H2, поскольку при этом, применяя маскиру-
ющие слои из фоторезиста, диоксида кремния и алюминия можно
получить высокую селективность травления. Однако при плазмен-
ном травлении наблюдается высокое подтравливание маскирующего
слоя, происходящее из-за атомов фтора, входящих в состав травиль-
ных реагентов. Такой метод изотропного травления иногда сравни-
вают с вертикальным травлением, при котором удаление части ма-
териала выполняется за счет ионной бомбардировки. В этом случае
применение реактивного ионного травления поликристаллического
кремния с использованием комбинации хлористых и фтористых га-
зов в качестве травильных реагентов и фоторезиста для маскиру-
ющего слоя, позволяет создавать почти вертикальные профили ми-
кроструктур без подтравливания маски. Таким образом, применяя
метод хлористого/фтористого плазменного травления, можно со-
здавать прямоугольные кремниевые структуры глубиной до 30 мкм
из поликремниевых пленок на кремниевой подложке.
Кремнйевые микростуктуры, полученные по поверхностной тех-
нологии, обычно являются планарными (т. е. имеют два геометриче-
ских размера). Существуют методы, использующие для построения
трехмерных микросистем тонкопленочные структуры, получаемые
при помощи удаления нижележащих защитных слоев. Такие мето-
ды позволяют значительно расширить рамки традиционной поверх-
ностной технологии. Трехмерные микросистемы можно также по-
строить, соединяя поликремниевые пластины друг с другом и под-
ложкой при помощи специальных методов. Другой подход к постро-
Глава 1. Микросистемы
ению трехмерных микроустройств заключается в осаждении струк-
турных и защитных пленок из поликремния и диоксида кремния до
заполнения специальных углублений, предварительно вытравленных
в кремниевой подложке.
1.3.3. Соединение слоев внутри микросистемы
При использовании методов микрообработки кремния для изгото-
вления микросистем существуют ограничения при формировании
сложных 3D структур в едином монолитном формате. В этом слу-
чае трехмерные микросистемы делают многокристалльными, для
чего применяются специальные способы соединения подложек (Stix,
1992). Методы соединения можно разделить на три категории: анод-
ное соединение, соединение при помощи вспомогательного слоя и
прямое соединение.
1.3.3.1. Анодное соединение
Анодное соединение также называется термической сваркой или
электростатическим склеиванием. Анодное соединение обычно ис-
пользуется для склеивания натриевого стекла и кремния в микро-
системах. Для осуществления анодного соединения катод прикреп-
ляется к стеклу (или кремнию с тонким стеклянным покрытием),
анод — к кремниевой под-
I | катод ложке и на них подает-
- । р--ся напряжение в диапазоне
Г 200. • • В. Одновременно
^^крёмний^^МН с этим анод помещается
----нагреватель, обеспечива-
(нагреватель). ющий температуру 180...
500 °C (см. рис. 1.3). В про-
Рис. 1.3. Анодное соединение цессе такой термической свар-
ки ионы кислорода из стекла
перемещаются в кремний, образуя при этом между кремниевой под-
ложкой и стеклом слой кремниевого диоксида, который их прочно
и герметично склеивает.
Преимуществом анодного соединения является то, что оно про-
водится при низкой температуре, поэтому нет опасности разруше-
ния металлических слоев (например, алюминиевых), входящих в со-
став микросистем.
1.3.3.2. Соединение при помощи вспомогательного слоя
Этот вид соединения подложек соединения требует применения вспо-
могательного слоя, который может быть металлическим, полимер-
1.3. Технология изготовления микросистем
ним, стеклянным и т. д. (Stix, 1992). Одним из самых ранних спосо-
бов соединения двух кремниевых подложек является эвтектическое
сплавление, применяемое при изготовлении датчиков давления, в ко-
тором в качестве вспомогательного слоя используется золото (Ко,
Suminto, Yeh, 1985). Такой способ соединения проводится при тем-
пературе 363 °C, ниже критической температуры для алюминиевого
слоя. Но обнаружилось, что при этом в подложках возникают зна-
чительные напряженные состояния, приводящие к дрейфу характе-
ристик датчиков (Ко, Suminto, Yeh, 1985).
При очень низких температурах в качестве вспомогательного
слоя, как правило, используются полимеры, обладающие высокой
эластичностью, которая позволяет им выдерживать высокие нагруз-
ки и сохранять при этом низкое напряженное состояние. Важным
является отсутствие в полимерах ионов металла. Обычно приме-
няются фоторезистивные полимеры, чувствительные к ультрафи-
олетовому излучению, такие как полиимид, AZ-4000, SU-8, полиме-
тилметакрилат (РММА) и другие полимеры с сетчатой структурой
(Madou, 1997). Недостатком таких соединений является их низкая
герметичность из-за относительно высокой газовой проницаемости
полимеров.
В качестве вспомогательных слоев иногда применяют стекло с
низкой температурой плавления. При таком способе соединения слой
из расплавленного стекла осаждается на кремниевую подложку. Для
получения однородного, прочного, мало напряженного соединения
важным является обеспечение равномерности осаждения слоя из рас-
плавленного стекла. При изготовлении датчиков давления использу-
ется трафаретная печать по расплавленному стеклу. Датчики, ре-
ализованные по данной технологии, обладают хорошими рабочими
характеристиками (Ко, Suminto, Yeh, 1985).
В последние годы разрабатываются технологии по использова-
нию в качестве вспомогательного слоя других материалов, обладаю-
щих низкой температурой плавления, высокой прочностью и низкой
напряженностью (Stix, 1992).
1.3.3.3. Прямое соединение
Прямое соединение также называется соединением методом спла-
вления кремния. Этот способ используется для соединения двух крем-
ниевых пластин. Прямое соединение основывается на химической
реакции между группами ОН, находящимися на поверхности исход-
ного кремния или на образованном на подложке слое оксида кремния
(Madou, 1997). Прямое соединение обычно состоит из трех этапов:
Глава 1. Микросистемы
подготовки поверхностей, соединения поверхностей и термической
обработки.
Этап подготовки поверхностей заключается в очистке поверх-
ностей двух подложек для формирования гидрооксидного слоя. Поверх-
ность подложки должна быть зеркально гладкой, шероховатость не
должна превышать 10 А. Это означает, что для получения требу-
емой гладкости при 4-х дюймовом диаметре подложки отклонения
от плоскости должны быть меньше 5мкм (Stix, 1992). После такой
подготовки подложки соединяются, выравниваются и сжимаются в
центральной точке поверхности, при этом должна быть обеспече-
на чистота в технологической зоне. Соприкосновение двух гидро-
оксидных пленок на подложках приводит к установлению плотного
контакта по всей поверхности кремниевых пластин. Последний этап
прямого соединения — нагрев соединения от комнатной темпера-
туры до 1200 °C. Такая температурная обработка, проводимая при
температурах выше 800 °C, увеличивает прочность соединений на
порядок. Но следует помнить, что высокотемпературная обработ-
ка не подходит для металлизированных подложек. Прямые соедине-
ния используются в случаях, когда требуется обеспечивать высокую
прочность изделий, но в ходе сплавления могут сильно уменьшиться
геометрические размеры подложек, чего не происходит при приме-
нении анодного склеивания.
В настоящее время ведется разработка низкотемпературных ме-
тодов прямого соединения. ;
1.3.4. Технология LIGA
Микросистемы часто состоят из сложных трехразмерных микро-
структур (Larson, 1999). Для построения микроустройств с высо-
ким коэффициентом формы (отношением высоты к ширине) и 3D
структур были разработаны различные микротехнологии. Одной из
таких технологий является технология LIGA.
Технология LIGA была разработана в начале восьмидесятых го-
дов двадцатого столетия в Германии в исследовательском центре
Karlsruhe. Она состоит из рентгеновской литографйи для облучения
маскировочного слоя, гальванопластики для формирования метал-
лических частей и литья для производства пластиковых, металли-
ческих, керамических и комбинированных микроэлементов (Fujita,
1996). Схематично технология LIGA показана на рис. 1.4. Благодаря
применению современных методов рентгеновской литографии мож-
но реализовывать микроструктуры высотой до сотен микрон и да-
же до миллиметра, при этом поперечные размеры будут оставаться
в пределах нескольких микрон.
1.3. Технология изготовления микросистем
(3)
структура
оригинал
гальваническим способом
Рис. 1.4. Технология LIGA. Репродукция из книги G. Stix, 1992, «Trends in
micromechanics: micron machinations», Scientific American (Novem-
ber 1992): 72-80, с разрешения Scientific American
скопированная
структура
Глава 1. Микросистемы
При помощи технологии LIGA стало возможно при построении
сложных микросистем использовать различные материалы, позволя-
ющие реализовывать датчики и приводы с высоким коэффициентом
формы, обладающие электрическими, магнитными, пьезоэлектриче-
скими, оптическими и изоляционными свойствами, чего нельзя бы-
ло сделать методами объемной и поверхностной микрообработки
кремния. Кроме того при объединении технологий защитных сло-
ев и LIGA стало возможным построение современных микросистем
с подвижными микроструктурами (рис. 1.5). Однако высокая стои-
мость производства микроустройств по технологии LIGA из-за це-
ны рентгеновского оборудования тормозит процесс ее распростра-
нения. Другим недостатком LIGA процесса является то, что микро-
компоненты, изготовленные при его применении, не бывают в пол-
ной мере трехмерными, поскольку третье измерение всегда являет-
ся зависимым. Для сложных современных микросистем необходимы
3D компоненты, обладающие достаточно большой толщиной, чего
уровень LIGA технологии обеспечить не может, следовательно, для
прогресса в области микроустройств требуется ее дальнейшее со-
вершенствование.
1.3.5. Изготовление полимерных микросистем
При изготовлении полимерных микросистем используются два ти-
па полимеров: полимеры для создания микроструктур и полимеры
для создания защитных слоев. В качестве структурных полимеров
обычно применяют полимеры, чувствительные к УФ излучению,
в которых основными инградиентами являются уретановый акри-
лат, эпоксидный акрилат и акриоксисилан. Структурные полимеры
обладают отличной гибкостью, устойчивостью к грибкам, раство-
рителям, воде и химическим реагентам, а также низкой вязкостью,
что позволяет применять их в любых системах без дополнитель-
ных растворителей и предварительного подогрева для уменьшения
вязкости. Эти полимеры также соответствуют всем нормативам по
летучим органическим веществам.
В таблице 1.1 (Varadan, Jiang, Varadan, 2001) приведены основ-
ные физические, химические, термические и механические свойства
структурных полимеров, применяемых для изготовления микроси-
стем. Приведенные структурные полимеры могут использоваться в
качестве основы для построения многофункциональных полимеров,
рассматриваемых далее.
1.3. Технология изготовления микросистем
(1) нанесение адгезионного
и гальванического слоев
Сг
кремниевая
подложка с
изоляционным
слоем
(2) формирование этих слоев
Травильный раствор
Н Н Н I
лаковое
(3) формирование защитного слоя
(4) формирование структуры
из резиста и применение
излучения синхротрона
защитное
покрытие
Травильный раствор лаковое
маска для
рентгеновского
излучения
(5) удаление облученного'
резиста
(6) формирование микроструктуры
гальваническим способом
(7) удаление резиста
и селективное травление
защитного слоя
микрорельсы
свободноподвешеиный
микроэлемент
Рис. 1.5. Объединение LIGA технологии с методом изготовления защитно-
го слоя. Репродукция из книги J.Mohr et al., 1991, «Herstellung
von beweglichen mikrostrukturen mit dem LIGA-verfahren», KfK-
Nachrihten, Jahrgang 23, Forschungszentrum Karlsruhe 2-3: 110-117,
с разрешения Forschungszentrum Karlsruhe
Глава 1. Микросистемы
Таблица 1.1. Основные свойства полимеров
Физические свойства:
прозрачность прозрачные
гибкость хорошая
адгезия отличная
стойкость к атмосферным явлениям отличная
воспламеняемость (ASTM D635) самозатухание
Химические свойства:
устойчивость к плесени и грибкам отличная
устойчивость к растворителям отличная
устойчивость к химическим реагентам отличная
устойчивость к воде отличная
Термические свойства:
рабочий диапазон температур (°C) 65-125
температура разложения (°C) 242
Механические свойства:
предел прочности на разрыв (psi*, ASTM D683) 3454
процентное удлинение (ASTM D683) 5.2
Диэлектрические свойства:
Диэлектрическая проницаемость (200-1000 Мгц) 1.9-2
Тангенс угла диэлектр. потерь(200-1000 Мгц) 0.023-0.05
* — фунт на квадратный дюйм
Для применения в трехмерных микросистемах используемые по-
лимеры должны обладать электрической проводимостью и, по воз-
можности, пьезоэлектрическими и ферроэлектрическими свойства-
ми. Они должны также обеспечивать:
(1) химическое и физическое взаимодействие между функциональ-
ным полимером и нанокерамикой,
(2) высокую адгезию на границах между функциональным поли-
мером и электропроводящими полимерными слоями,
(3) соответствующий модуль упругости, позволяющий выдержи-
вать требуемые деформации,
(4) отличную общую формоустойчивость, допускающую локаль-
ную подвижность,
(5) присоединение нанокерамики и/или проводящих фаз и фор-
мирование однородного слоя покрытия,
(6) временную стабильность.
Кроме того такие полимеры под действием электрического поля до-
вольно сильно растягиваются и поэтому могут использоваться в
1.3. Технология изготовления микросистем
микроприводах, например, в микронасосах. Большинство полиме-
ров являются совместимыми с биологическими тканями, что мо-
жет пригодиться при разработке многих медицинских приборов.
Возможны и другие варианты применения полимеров, например, в
имплантируемых медицинских системах, химических и биологиче-
ских инструментах, для подачи жидкостей в двигатели и накачива-
ния смазочно-охлаждающей эмульсии и охладителя в системы охла-
ждения электронных компонентов. В качестве защитных полиме-
ров обычно используется акриловая смола, которая на 50% состоит
из диоксида кремния, модифицированного Crystal Violet (Varadan,
Jiang, Varadan, 2001). Эта композиция является чувствительной к
УФ излучению и может быть растворена при 80 °C при помощи ка-
устической соды в концентрации 2 моля на литр. В принципе этот
процесс напоминает поверхностную технологию обработки крем-
ния. Однако он позволяет формировать трехмерные структуры.
1.3.6. 3D технология изготовления микросистем
Для изготовления трехмерных микроструктур было разработано не-
сколько новых методов. Среди них наиболее яркими являются ми-
кротехнологии несвязанных форм.
Большинство 3D микроэлементов, по-
строенных при помощи микротехноло-
гий несвязанных форм, выполнены в ви-
де слоевых структур (рис. 1.6). Суще-
ствуют следующие технологии несвязан-
ных форм: микростереолитография (Iku-
ta, Hirowatari, 1993), электрохимический
метод (EFAB, Cohen et al, 1999), ми-
крофотогальванопластика (Takagi, Naka-
jima, 1993), пространственная гальва-
нопластика (Taylor et al, 1994), литье-
вое прессование (Xia, Whiteside, 1998),
Рис. 1.6. Микротехнология
несвязанных форм, исполь-
зуемая для изготовления 3D
структур
локальное .электрохимическое осаждение
(Madden, Hunter, 1996) и т. д. Для построения сложных трехмерных
структур при помощи этих технологий используются следующие ма-
териалы: полимеры, керамика, металл и др. В принципе, в этих ме-
тодах изготовления 3D микросистем могут применяться и другие
современные материалы.
Другой подход к построению трехмерных микросистемных уст-
ройств заключается в объединении существующих технологий, та-
ких как микрообработка кремния, LIGA-процесс, прецизионная ме-
Глава 1. Микросистемы
ханическая обработка и др., а также в объединении новых 3D ми-
кротехнологий с LIGA-процессом и микрообработкой кремния
(Bertsch, Lorenz, Renaud, 1998, Takagi, Nakajima, 1994). Одним из
таких комбинированных методов изготовления трехмерных микро-
систем является технология AMANDA, которая объединяет LIGA-
процесс (или прецизионную обработку) и микрообработку крем-
ния. Аббревиатура AMANDA появилась из немецких слов Abfor-
mung, Oberflachenmikromechanik, Membranubertragung, что в пере-
воде означает микрообработка, литье и перемещение диафрагмы.
Эта технология позволила существенно расширить возможности по-
строения 3D полимерных микросистем (Schomburg et al, 1998)
Трехмерные микросистемы обычно состоят из множества слоев,
часто изготовленных из разных структурных и функциональных
материалов. Первые микросистемы, как правило, выполнялись из
кремния и поликремния, но в настоящее время необходимо расши-
рять круг используемых материалов, поскольку в современных при-
ложениях к свойствам микроструктур предъявляются все новые и
новые требования. Например, биологические микросистемы необхо-
димо изготавливать из биосовместимых материалов. Оказывается,
что для построения таких микросистем подходят многие полиме-
ры (Ruprecht et al, 1998). В случае использования микросистемньгх
устройств в суровых окружающих условиях (например, при высо-
ких температурах) для их изготовления могут потребоваться ог-
неупорные материалы. Для таких применений лучше всего подхо-
дит керамика (Ayerdi et al, 1997, Mehregany. et al, 1998). Металли-
ческие материалы имеют хорошую репутацию в мире традиционно-
го приборостроения, многие их свойства востребованы также и в
области микротехнологий. Таким образом, в современных 3D тех-
нологиях стало возможным использование широкого круга струк-
турных материалов, что привело к огромному прогрессу в области
производства трехмерных микросистем (Cohen et al, 1999, Ikuta, Hi-
rowatari,1993, Jiang, Sun, Zhang, 1999, Takagi, Nakajima, 1993, Taylor
et al, 1994, Zhang, Jiang, Sun,1999).
С другой стороны, большинство микродатчиков и приводов, ис-
пользуемых в микросистемах, изготавливаются из тонких пленок.
Но если для построения микродатчиков подходят традиционные ми-
кроэлектронные технологии, то приводы по своей природе являются
трехмерными структурами, и для их изготовления больше бы подо-
шли другие методы (Guckel, 1998). На основе 3D структур возможно
построение микроприводов, обладающих высокой выходной мощно-
стью, что было невозможно ранее. Следовательно, применение со-
1.4- Электромеханические преобразователи
временных материалов позволило реализовать новые типы микро-
датчиков и приводов, что привело к дальнейшему развитию микро-
систем.
Часто для 3D микросистем бывает важным, чтобы используе-
мые полимеры обладали пьезо- или ферроэлектрическими свойства-
ми. Такие полимеры представляют собой комбинацию из традицион-
ных полимеров, чувствительных к УФ излучению, и оптически про-
зрачных электропроводящих полимеров, к основной цепи которых
присоединены боковые группы, состоящие из нанопьезо или ферро-
электрических частиц. Целью разработки такой комбинации являет-
ся создание основной цепи с функциональными группами, которые
будут служить точками прикрепления металлических оксидов. На-
ночастицы, такие как титанат цирконат свинца (PZT), PLZT и др.,
должны иметь активную поверхность или функциональные группы
для возможности присоединения к полимерной цепи. Наночастицы
при этом придают полимерам пьезоэлектрические свойства, а основ-
ная цепь обеспечивает механическую прочность и гибкость.
1.4. Электромеханические преобразователи
Принцип действия механических фильтров и их микромеханических
аналогов основан на преобразовании электрической энергии в ме-
ханическую форму и наоборот, для чего применяются частотно-
зависимые преобразователи. Этот раздел посвящен краткому рас-
смотрению основных типов электромеханических преобразователей.
Здесь будут описаны принципы преобразования энергии в пьезо-
электрических, электрострикционных, магнитострикционных, элек-
тростатических, электромагнитных, электродинамических и элек-
тротермических преобразователях.
Несмотря на то, что некоторые из рассматриваемых преобразо-
вателей не подходят для современных микросистем, понимание их
принципа действия может помочь их реализации в будущем, напри-
мер, в ВЧ фильтрах, что будет обсуждаться в пятой главе.
Одним из самых важных этапов при разработке механических
микросистем является построение эквивалентной электрической схе-
мы по их аналитической модели. Иногда аналитическую модель си-
стемы сначала представляют в виде эквивалентной механической
схемы, основанной на описании работы пружин и связанных с ни-
ми масс, и только потом, используя электромеханические аналогии,
из нее получают эквивалентную электрическую схему. Такой под-
Глава 1. Микросистемы
ход может быть не является очень точным, но служит хорошим
средством для понимания внутренних взаимосвязей, что всегда не-
обходимо при разработке новых устройств. Электрические экви-
валентные схемы дают возможность использования существующих
программ оптимизации при проектировании электрических цепей
фильтров.
В таблице 1.2 приведен перечень часто используемых электроме-
ханических аналогий (Johnson, 1983). Эти аналогии нужны разра-
ботчику при составлении эквивалентной электрической схемы для
замены механических элементов на подобные электрические. Для
примера рассмотрим разработку эквивалентной электрической схе-
мы компонентов механической линии передач (Johnson, 1983). Пе-
ременными величинами в такой системе являются сила и скорость.
Соотношение между входными и выходными переменными секции
линии передач без учета потерь могут быть удобно записаны в ма-
тричной форме:
где
Fi
cos/Зх jZosin/3x I Г х2 I п п
sin (Зх cos /Зх F2 ’
... .. _ .
Zo = '' ; ' (1,2)
, (1-з)
Up
Wp = ./1= " (1.4)
Р У р y/C[Mi : ... k >
В этих уравнениях j = \/—1, Xi, х2 — скорости, F\ , F2 — силы,
действующие на двух концах линии передач, Zq, /3 и ?;р — характе-
ристический импеданс, коэффициент передачи и фазовая скорость
линии передач, А — площадь сечения механической’линии передач,
Е — модуль Юнга, а р — плотность материала. Величины Ci и Mi
являются, соответственно, линейной упругостью и линейной массой
(упругостью и массой на единицу длины) линии передач. Восполь-
зовавшись таблицей 1.2, получим соотношение для эквивалентной
электрической цепи, аналогичное (1-1):
V1
h
cos/Зх jZt) sin/Зх
-^-sm./3x cos/3т
V2
h
(1-5)
1-4- Электромеханические преобразователи
Таблица 1.2. Электромеханические аналогии
Механический параметр Электрический параметр
Переменная Скорость, угловая скорость Ток
Сила, момент силы Напряжение
Сосредоточенные элементы цепи Затухание Проводимость
Упругость Индуктивность
Масса, момент инерции массы Емкость
Линии передач Линейная упругость Линейная индуктивность
Линейная масса Линейная емкость
Характеристическая по- движность Характеристический им- педанс
Полные характеристики цепей Подвижность Импеданс
Сопротивление Полная проводимость
Зафиксированная точка Короткозамкнутая цепь
Свободная точка Разомкнутая цепь
Источники Сила Ток
Скорость Напряжение
В соотношении (1.5) V и I являются напряжением и током в
линии передач (нижний индекс указывает к выходу или входу они
относятся). Остальные значения в матрице соответствуют эквива-
лентным электрическим параметрам: ; .
(1-6)
(1-7)
В уравнениях (1.6) и (1.7) Li и Ci соответствуют линейным индук-
тивностй и емкости (индуктивности и емкости на единицу длины),
а е и ц — диэлектрической и магнитной проницаемости материала
линии.
При разработке эквивалентной электрической схемы иногда поль-
зуются прямыми аналогами механических и электрических величин.
Прямые аналоги получены из интегральных и дифференциальных
уравнений, описывающих работу основных электрических и меха-
нических компонентов (Tilmans, 1996). Краткий перечень этих ана-
логов приведен в таблице 1.3.
- >—•
Глава 1. Микросистемы
Для построения эквивалентных схем важным является также пони-
мание принципа действия самих преобразователей. Далее будет дано
краткое описание принципов действия наиболее распространенных
преобразователей, используемых в электромеханических системах.
Таблица 1.3. Прямые аналоги электрических и механических компонентов
Механическая величина Электрическая величина
Сила Напряжение
Скорость Ток
Перемещение Заряд
Момент Поток магнитной индукции
Масса Индуктивность
Упругость Емкость
Вязкостное затухание Сопротивление
1.4.1. Пьезоэлектрические преобразователи
В ответ на механическое воздействие некоторые анизотропные кри-
сталлические материалы вырабатывают электрический заряд. Это
явление, открытое в 1880 году Пьером и Жаком Кюри, получившее
название пьезоэлектричество, сейчас широко используется в уль-
тразвуковых преобразователях. Титанаты цирконат свинца (PZT)
являются наиболее распространенными керамическими материала-
ми, применяемыми в пьезоэлектрических преобразователях. Кри-
сталлы таких веществ содержат домены, ориентированные произ-
вольным образом, если в процессе изготовления они не попадали в
зону действия электрического поля. При механическом воздействии
на такие материалы, их дипольный момент почти не изменяется.
Однако если в процессе изготовления на стадии охлаждения эти
материалы поместить в электрическое поле, внутренние домены вы-
строятся в направлении этого поля. Внешнее сжатие таких материа-
лов приводит к деформации кристаллической решетки и изменению
ориентации доменов, что вызывает перераспределение зарядов вну-
три самого материала. И, наоборот, при приложении к таким мате-
риалам электрического поля происходят изменения внутри доменов,
что вызывает механическое сжатие/растяжение самого материала.
Это явление получило название обратного пьезоэффекта.
На рис. 1.7 показаны этапы разработки эквивалентной схемы для
пьезоэлектрической пластины (Johnson, 1983). При приложении к
пластине напряжения V, она начинает колебаться в направлении,
показанном на рисунке (с силой F и скоростью i). На рис. 1.7 б пока-
эана зависимость реактивного сопротивления от частоты (без учета
высших гармоник колебаний и потерь). Аналогичную зависимость
можно получить при помощи электрической цепи, показанной на
рис. 1.7 в. Если эту схему дополнить гиратором с сопротивлением А
и инвертором реактивного сопротивления jk, а также пружиной с
коэффициентом жесткости К и грузом массой М, получим экви-
валентную электромеханическую схему пьезоэлектрической пласти-
ны. Гиратор олицетворяет природу пьеэопреобразователя. Посколь-
ку гиратор преобразует параллельный резонансный контур в после-
довательную цепь, потребовалось ввести в схему инвертор (Johnson,
1983). Последовательное включение в схему инвертора и гиратора
позволило реализовать требуемую функцию jk/А.
(в) (г)
Рис. 1.7. Разработка эквивалентной схемы пьезоэлектрического преобра-
зователя. Репродукция из книги R.A. Johnson, 1983, Mechanical
Filters in Electronics, Wiley Interscience, New York, с разрешения
Wiley, ©1983 Wiley
Хотя пьезоэлектрический эффект в общем виде описывается ква-
дратичной зависимостью, для малых деформаций будем считать его
линейным. Тогда справедливы следующие соотношения:
Q = d\F, (1.8)
z = (1.9)
3 - 10482
Глава 1. Микросистемы
В этих уравнениях di и — пьезоэлектрические константы
материала, относящиеся, соответственно, к прямому и обратному
пьезоэффекту. Для случая же, когда в электромеханической систе-
ме присутствуют и напряжение, и сила, можно записать следующие
соотношения:
Q = d1F + C'0V, ,
х = d2V + CmF, •
(1-Ю)
(1.11)
где Со — свободная емкость, а Ст — коэффициент упругости пре-
образователя.
Коэффициент электромеханической связи является другой очень
важной безразмерной величиной, характеризующей работу пьезо-
электрических преобразователей. Этот коэффициент равен отноше-
нию полезной механической работы к электрической энергии, на-
копленной в преобразователе (Hom et al, 1994). Коэффициент элек-
тромеханической связи зависит от вида материала, от типа меха-
нического воздействия и от поляризации электрического поля. Для
линейных пьезоэлектрических материалов этот коэффициент зада-
ется соотношением:
4 = 4:. (1-12)
О Q
где d — пьезоэлектрическая константа материала, S — упругость,
аг — диэлектрическая проницаемость материала.
Для получения пленок из PZT используют стандартные тонко-
пленочные технологии, например, напыление и физическое или хи-
мическое вакуумное осаждение. Возможность применения тонких
пленок, полученных при помощи этих методов, в датчиках и при-
водах существенно зависит от их качества и воспроизводимости.
В отличие от объемных технологий при формировании тонких пле-
нок очень важными являются свойства поверхностей, на которых
они осаждащтся (Muralt, 2000). В датчиках, в которых выходным
сигналом является напряжение, могут использоваться тонкие плен-
ки из A1N. Однако для приводов предпочтительнее применять тон-
кие пленки из PZT. По сравнению с другими электромеханическими
системами пьезоэлектрические преобразователи работают с неболь-
шими входными напряжениями, но при этом обычно имеют низкую
эффективность электромеханического преобразования.
1.4- Электромеханические преобразователи
1.4.2. Электрострикционные преобразователи
Механическая деформация материала под действием электрическо-
го поля называется электрострикцией. Этим свойством в разной
степени обладают все материалы. Электрострикция объясняется на-
личием в любом материале поляризуемых атомов и молекул. Вслед-
ствие этого приложенное электрическое поле вызывает перераспре-
деление зарядов внутри материала, что приводит к изменению длин
и углов внутримолекулярных связей, а также к перемещению элек-
тронов. Все это является причиной механических деформаций ма-
териала.
Напряженность электрического поля Е и электрическое смеще-
ние D внутри материала связаны следующим соотношением:
D = £оЕ + Р, .;г-г (1.13)
где го — 8.85 х 10~12 Ф/м — абсолютная диэлектрическая проница-
емость, а Р — поляризация материала.
Используя закон сохранения энергии, можно записать первый за-
кон термодинамики для электрически деформируемых материалов
в виде (Hom et al, 1994):
dU = PtjdSij + EkdDk + TdS. (1.14)
В уравнении (1.14) U — внутренняя энергия единицы объема ма-
. териала, Т — тензор напряжения, S — тензор бесконечно малых
деформаций, Т — температура и S — энтропия на единицу объема.
Функция Гиббса для эластичных материалов имеет вид:
G = U - To-So - b0E2k - TS. (1.15)
Zu
Подставив сюда выражение (1.13) и взяв производную, получим:
dG — dU - T^dSij - SijdTij - Ek(dDk - dPk) - TdS - SdT. (1.16)
После подстановки в это уравнение выражения (1.14) и упрощения
получаем следующее соотношение:
dG = -S^dT^ + X-EkPk - SdT. (1.17)
Производную функции Гиббса можно также получить, используя
правило цепей, расположенное на следующей странице.
1»
Глава 1. Микросистемы
Сравнив^ уравяейия (1.17) и (1.18), находим:
-.а дТгр - _ BG . Ек^ дРк' S = JE. дТ (Ы9) (1-20) (1.21)
В книге (Hom et al, 1994) приведено выражение для функции Гиббса
для эластичных материалов с учетом изотропных свойств диэлек-
трика:
G — — ^SijklTijT ы Qmnpq^mnPpPq
+ Peln
1 -
(1-22)
Первый член выражения описывает эластичные свойства мате-
риала, здесь sp соответствует упругости материала при постоян-
ной поляризации. Второй член отвечает за электромеханическую
связь, в нем матрица Q состоит из коэффициентов электростикции.
Последний член относится к диэлектрическим свойствам материа-
ла. В этом выражении Ps является самопроизвольной поляризацией,
а к — константой материала, зависящей от его диэлектрических
свойств. Поскольку считается, что материал является изотропным,
величина поляризации определяется выражением:
ipi = /ад. •• (1.23)
Коэффициенты материала в выражении (1.22), зависящие от темпе-
ратуры: sp, Q, Ps и к, получаются из электрических и механических
измерений.
Подставив уравнение (1.22) в выражение (1.19), получим основ-
ное уравнение для электрострикционных материалов:
Sij — sfj^iTkl + QijmnPmPn-
(1-24)
1-4- Электромеханические преобразователи
Из этого уравнения видно, что деформация материала зависит от
его упругости и величины поляризации, вызванной деформацией.
Второй член этого выражения описывает эффект электрострикции.
Видно, что вклад этой составляющей в величину суммарной дефор-
мации пропорционален квадрату поляризации материала. Это урав-
нение справедливо даже в случае большой напряженности электри-
ческого поля. Члены матрицы Q, являющиеся электрострикционны-
ми коэффициентами, определяются экспериментально.
Электрострикция очень похожа на пьезоэлектрический эффект.
Характерной особенностью электрострикционных материалов явля-
ется близость температуры фазового перехода к рабочим темпера-
турам, что объясняется их эластичными и гистерезисными свой-
ствами. Однако для моделирования электромеханической связи при
электрострикции требуется знание большого числа коэффициентов.
Поляризация в пьезоэлектрических материалах является спонтан-
ной, тогда как в электрострикционных материалах она вызывается
электрическим полем. Свойства электрострикционных материалов
сильнее зависят от температуры, а диапазон их рабочих температур
уже по сравнению с пьезоэлектриками (Chen, Gururaja, 1997)
Для электрострикционных преобразователей широко использу-
ются композиционные материалы на основе ниобата магния свинца
(Pb(Mgo.33,Nbo.67)03(PMN)]. Свойства таких материалов интенсив-
но изучаются в последние годы (Pilgrim, 2000). Но на практике тон-
копленочные преобразователи на основе этих материалов пока реа-
лизованы не были. Однако было показано, что тонкопленочные по-
лимерные материалы с упругими графитовыми электродами обла-
дают отличными электрострикционными свойствами (Pelrine, Korn-
bluh, Joseph, 1998). Эти материалы способны на эффективный и бы-
стрый отклик, обеспечивая высокий уровень сжатия/растяжения,
хорошее давление привода (вплоть до 1.9 МПа) и высокую удельную
плотность энергии. Но в данном случае электрострикцию нельзя
объяснить перестроением диполей молекул (Heydt et al, 1998). В та-
ких пленочных приводах, растяжение/сжатие происходит за счет
действия внешних сил, вызванных электростатическим притяжени-
ем упругих графитовых электродов. Было показано, что такие при-
воды производят гораздо большее эффективное давление, чем тра-
диционные электростатические приводы с воздушным зазором при
одинаковом приложенном электрическом поле.
1.4.3. Магнитострикционные преобразователи
Существуют ферромагнитные материалы, которые при попадании
в магнитное поле меняют свои геометрические размеры. Этот эф-
Глава 1. Микросистемы
фект, известный как магнитострикция, является обратимым. Его
также называют эффект Джоуля-Вийяра. В ненамагниченном со-
стоянии домены в ферромагнитном материале ориентированы про-
извольным образом. Однако при попадании в магнитное поле они
выстраиваются по направлению поля. Такое перестроение доменов
приводит к возникновению сил взаимодействия между доменами, в
результате чего происходит деформация материала. Существует и
обратный эффект магнитострикции, когда приложенные к матери-
алу механические силы вызывают его деформацию, которая при-
водит к изменению ориентации доменов, в результате чего уже на
макроскопическом уровне появляется магнитная индукция (Rossi,
1988). Зависимость между удлинением элемента из ферромагнитно-
го материала и индукцией магнитного поля является квадратичной
и, следовательно, сильно нелинейной. ;
(в) (г)
5 Рис. 1.8. Эквивалентная схема магнитострикционного преобразователя.
Репродукция из книги R.A. Johnson, 1983, Mechanical Filters in
Electronics, Wiley Interscience, New York, с разрешения Wiley,
©1983 Wiley
Магнитострикционный преобразователь имеет в своем составе
ферроэлектрический стержень, катушку и магнит (Johnson, 1983).
При протекании через катушку электрического тока I происходит
отклонение стержня в направлении действия силы F со скоростью х.
Последовательность разработки эквивалентной схемы такого пре-
образователя схематично показана на рис. 1.8. График зависимости
1-4- Электромеханические преобразователи
реактивного сопротивления от частоты, показанный на рис. 1.8 6,
был получен при измерениях без нагрузки. Полюса и нули этой кри-
вой соответствуют параллельному и последовательному резонансам
в системе. По частотам нулей и полюсов можно определить значе-
ния параметров LC цепи, приведенной на рис. 1.8 в, которая являет-
ся идеальной эквивалентной электрической схемой для преобразо-
вателя с рис. 1.8 а. Идеальной она считается потому, что в ней не
учитываются потери в системе.
На рис. 1.8 г приведена эквивалентная электромеханическая схе-
ма магнитострикционного преобразователя, соответствующая эквива-
лентной электрической схеме. В ее состав входят электрические и
механические компоненты (масса М и пружина К), подсоединен-
ные к электромеханическому трансформатору. Коэффициент пере-
дачи трансформатора задается электромеханическим коэффициен-
том связи, который определяется как отношение энергии, накоплен-
ной в механической цепи, к полной входной энергии.
Электромеханическая связь в магнитострикционном преобразо-
вателе, показанном на рис. 1.8 а, определяется силой F, действую-
щей на одном конце ферромагнитного стержня (второй конец за-
креплен), и током ?, протекающим в катушке, которые связаны сле-
дующим соотношением (Rossi, 1998):
'ч; т Ь'.! g&EN . ‘'
«Я.,Л'Г'Я •-Щ Л'! В 7?
где 5Д — модуль магнитострикционного напряжения, Е — модуль
Юнга ферромагнитного материала, Rm — полное магнитное со-
противление цепи, N — число витков катушки. Сила F называется
магнитострикционной силой. Отношение в правой части этого урав-
нения является коэффициентом электромеханической связи. Тот же
самый коэффициент связывает напряжение V на концах катушки и
скорость перемещения свободного конца стержня:
V = 9^X' (1.26)
Мт
Ферриты и металлические сплавы, такие как Пермаллой (45%Ni +
+ 55%Fe), Алфер (13%А1 + 87%Fe) и Алкофер (12%А1 + 2%Со +
+ 86%Fe), являются самыми распространенными материалами, ис-
пользуемыми в магнитострикционных преобразователях. Некото-
рые из этих материалов могут быть осаждены в виде тонких пленок,
что делает возможным их применение в микродатчиках и приводах.
Глава 1. Микросистемы
В литературе появилась информация о создании аморфных тонких
пленок из следующих веществ: TbFe2, Tbo.3Dyo.7Fe2 и DyFe2 (Body,
Reyne, Meunier,1997). Реализация таких тонких пленок является бо-
лее сложным технологическим процессом, чем изготовление их объ-
емных аналогов, поскольку здесь определяющую роль играет одно-
родность и стехиометрия составов. В датчиках давления, сопоста-
вимых по характеристикам с традиционными пьезорезистивными
датчиками, применяется магнетронное напыление на подложку из
GaAs пленки из химической композиции, состоящей из METGLAS
® 26O5-SC и Fe8iSi3.5B13.5C2 (Karl et al, 2000). В литературе пока нет
сообщений о реализации по этой технологии микроэлектромехани-
ческих фильтров, но, есть уверенность, что это скоро произойдет.
1.4.4. Электростатические преобразователи
Электростатические приводы являются самыми
Рис. 1.9. Схема
электростатическо-
го преобразователя.
Репродукция из кни-
ги М. Rossi, 1988,
Acoustic and Elec-
troacoustic, Artech
House, Norwood,
MA, с разрешения
Artech House,
©1988 Artech
House
распространенными электромеханическими пре-
образователями, применяемыми в микросисте-
мах. Они относятся к классу энергонакопитель-
ных преобразователей. Такие преобразователи
накапливают энергию, когда над ними совершает-
ся электрическая или механическая работа (Cran-
dall et al, 1968). Без учета потерь будем считать,
что накопленная энергия будет полностью пре-
образована в другую форму энергии. В общем
виде, структуру таких преобразователей можно
представить в виде конденсатора, одна из пла-
стин которого под действием приложенного на-
пряжения смещения может перемещаться. В этом
случае электрическая энергия преобразуется в ме-
ханическую форму энергии.
Прежде чем вывести уравнение для коэффи-
циента электромеханической связи, рассмотрим
конденсатор с параллельными пластинами. На
рис. 1.9 одна из пластин зафиксирована, а другая
является подвижной. Соотношения для напряже-
ния V и силы F, описывающие функционирование
такого устройства, будут приведены в терминах
перемещения х и заряда Q. Эти соотношения мо-
гут быть получены либо аналитически, либо экс-
периментально, но при этом необходимо учиты-
1-4- Электромеханические преобразователи
вать всевозможные потери. Считая, что здесь нет интерференцион-
ных полей, емкость такого конденсатора в состоянии покоя, может
быть определена в виде:
Со=£~^. ' 5 ' (1.27)
«о
Однако когда к такому конденсатору будет приложено напряжение,
подвижная пластина переместится в сторону закрепленной, в ре-
зультате чего уменьшится зазор между ними, который теперь ста-
нет равным:
: з!’ь. <.пж' d = do — х. : (1-28)
Теперь емкость конденсатора будет определяться выражением:
еА
~~d
С =
Л Г / \ 1 -1 / \ -1
=С'о^1-т) • (L29)
do — х [ у do / J у do /
Во время заряда конденсатора справедливо следующее выраже-
ние для мгновенного напряжения на его пластинах:
W) =
Q(t)
Со
1 _ 1 = ЯН1
do J Со
Q(t)x(t)
Codo
(1.30)
здесь заряд является электрической величиной, а перемещение —
механической.
Далее выведем соотношение между силой и зарядом. Выражение
для электростатических сил между пластинами может быть получе-
но при помощи закона Кулона. По принципу сохранения энергии ме-
ханическая работа, выполняемая перемещающейся пластиной, долж-
на уравниваться изменением электрической энергии. Тогда можно
записать следующее:
dA <Мэлектр + FftyMOHadx — 0.
Следовательно,
dW3JieKmp
г Кулона — 5
Где
^электр = kCV
(1-31)
(1-32)
(1.33)
Глава 1. Микросистемы
Подставив уравнения (1.28)-(1.30) в выражение (1.33), а потом в вы-
ражение (1.32), получим выражение для электростатической силы:
FKyjl0Ha- 2CodQ. (1-34)
Очевидно, что выражения (1.30) и (1.34), описывающие электроме-
ханическую связь, являются нелинейными. Эта нелинейность явля-
ется несущественной при реализации микропереключателей, а для
перестраиваемых конденсаторов, фильтров и резонаторов она мо-
жет оказаться значимой. В любом случае при малых перемещениях
около состояния покоя эти выражения можно считать линейными.
Покажем это в следующих уравнениях.
Уравнение (1.30) может быть выражено через статический заряд
Qq и динамическую составляющую в следующем виде:
= + (1.35)
Со Со Со«о Со«о
Q(t) = Qo + Qd. . , (1-36)
Рассматривая только динамическую составляющую напряжения, и
используя предположение, что Qd Qo- х do, получим:
Vd(t) t1-37)
Co do
Очевидно, что это электромеханическое соотношение является ли-
нейным. Подобным образом можно линеаризовать и второе уравне-
ние электромеханической связи:
f (FKyjl0Ha)d = ~^Qd- ' (1-38)
Но всегда необходимо помнить, что эти линеаризованные выраже-
ния справедливы только для очень малых отклонений от состояния
покоя.
Уравнения для электростатической связи в синусоидальной фор-
ме имеют следующий вид (Rossi, 1988)
I Vo
vca jixCo - (1.39) Jtxdo
Vo ;
Fca = —y-7 (1.40)
1-4- Электромеханические преобразователи 59
Коэффициент в правой части уравнения (1.40) является коэффици-
ентом электростатической связи. На рис. 1.10 приведен один из воз-
можных вариантов эквивалентной схемы электростатического при-
вода (Rossi, 1988). Параметры элементов, входящих в эту схему,
определяются следующими выражениями:
а Ст и Zm являются, соответственно, упругостью и механическим
импедансом подвижной пластины.
Рис. 1.10. Эквивалентная схема электростатического привода. Репродук-
f' ция из книги М. Rossi, 1988, Acoustic and Electroacoustic, Artech
House, Norwood, MA, с разрешения Artech House, ©1988 Artech
House
Изготовление микроустройств с электростатическими привода-
ми — сравнительно несложный процесс, поскольку он не зависит от
свойств материала системы. Именно поэтому такие приводы часто
применяются в микросистемах. Помимо вышеописанной схемы с па-
раллельными пластинами в микросистемах часто используются гре-
бенчатые электростатические приводы. Их принцип действия будет
рассмотрен в пятой главе.
1.4.5. Электромагнитные преобразователи
Магнитным аналогом конденсатора с подвижной пластиной являет-
ся индуктор с подвижной катушкой. Такие устройства также от-
носятся к классу энергонакопительных преобразователей. Здесь ис-
Глава 1. Микросистемы
пользуется два вида энергии: магнитная и механическая. Упрощен-
ная схема такого преобразователя приведена на рис. 1.11 (Rossi, 1988).
Рис. 1.11. Схема электромагнитно-
го преобразователя. Репродукция из
книги М. Rossi, 1988, Acoustic and
Electroacoustic, Artech House, Nor-
wood, MA, с разрешения Artech
House, ©1988 Artech House
Когда через катушку протекает
ток i, создается магнитный по-
ток <ц. Считая систему идеальной,
т. е. пренебрегая электрической ем-
костью и сопротивлением, а так-
же механической массой и трени-
ем, можно вывести основные соот-
ношения для такого преобразова-
теля, связывающие ток i и силу F с
перемещением х и потоком магнит-
ной индукции (Crandall et al, 1968).
В рассматриваемой схеме пре-
образование энергии происходит в
результате взаимодействия меж-
ду перечисленными электрически-
ми и механическими величинами.
В преобразователе, предста-
вленном на рис.1.11, неподвижный
якорь имеет обмотку из N витков.
И фиксированная, и подвижная ча-
сти выполнены из ферромагнитно-
го материала. Если принять магнитную проницаемость ферромаг-
нитных частей равной бесконечности, можно считать, что маг-
нитное сопротивление такого преобразователя будет определяться
только зазором между ними. Тогда с учетом двух зазоров выраже-
ние для полного магнитного сопротивление имеет вид:
(1-44)
где цо — магнитная проницаемость воздуха (среды воздушного за-
зора), a S — цлощадь поперечного сечения зазора. Магнитное со-
противление в состоянии покоя определяется выражением:
Йо
2do
(1-45)
Положение фиксированного элемента может быть выражено через
положение покоя и перемещения в следующем виде:
d(t) = do — x(t).
(1-46)
1-4- Электромеханические преобразователи
Подставляя уравнение (1.45) и (1.46) в выражение (1.44), получим:
(1-47)
Индуктивность катушки может быть выражена через полное маг-
нитное сопротивление в виде:
г' ? И / ь
L~^-Lo\1~zo) •
(1-48)
Это выражение можно упростить для случая малых перемещений,
применяя ряды Тейлора. Тогда, игнорируя члены высокого порядка,
для индуктивности можно записать следующее выражение:
L
Lq 1 + ~г • ’V
L «о]
Налряжещге, вдр^одрдванное на катушке, равдр; t ,
J • г ' * * d(Li) п’
- dt '
.Ж -';Г Юн J)'
Подставляя уравнение (1.49) в выражение (1.50), подущам следующее
(1-49)
(1.50)
соотношение: ,
V^-Lo~-Loi^-, ' “ (1.51)
где v — скорость подвижной пластины. Отсюда видно, что выра-
жение для электромеханической связи будет нелинейным.
Накопленную магнитную энергию можно определить в следую-
щем виде:
Ъ”'г 1 ‘
. wm = -Li2 = ^~. '' (1.52)
, .э т 2 2L
Исходя из принципа сохранения энергии, видно, что эта энергия
должна уравновешиваться механической энергией, используемой для
перемещения. Для любого интервала времени dt можно написать
выражение для магнитной силы, вызывающей перемещение пласти-
ны, в виде:
«№ (у. FMazH = --^. f (1.53)
Как и в случае электростатических преобразователей, нелинейные
выражения для электромеханической связи можно линеаризовать,
Глава 1. Микросистемы
определив магнитный поток в виде: ьД - г- ::г 5
р. ¥> = ¥>о + ¥>d- (I-54)
Считая, что динамическая составляющая <^о> соотношение
между индуцированным напряжением и динамической составляю-
щей тока можно записать в виде (из уравнения (1.51)):
тл т did т г v т ^d До /-< rr\
Vj, = -Lo-—- - L0Iq— — -Lo— - —v. (1.55)
at do dt do
Динамическая составляющая магнитной силы может быть оце-
нена при помощи следующего выражения:
2
П (FMa3K)d = ^id + -r^. (1.56)
4 «0 -^000
Для изготовления миниатюрных электромагнитных приводов тре-
буется наладить производство тонких магнитных пленок и токо-
проводящих катушек. Хотя в этом направлении и ведутся актив-
ные работы, но говорить о широкомасштабном производстве таких
устройств пока не приходится. Также здесь существует проблема,
связанная с необходимостью защиты от магнитных полей соседних
устройств.
1.4.6. Электродинамические преобразователи
Электродинамические преобразователи — одни из самых распро-
страненных типов электромеханических приводов. Основным ком-
понентом таких преобразователей является токопроводящая подвиж-
ная катушка, аналогичная катушкам, используемым в громкогово-
рителях. Схематично такой привод показан на рис. 1.12. Когда через
катушку протекает электрический ток, она отклоняется со скоро-
стью v в направлении действия силы F. Для упрощения анализа
будем рассматривать небольшой сегмент катушки, расположенный
как показано на рис. 1.13.
Считаем, что элемент длиной dl, по которому протекает элек-
трический ток, характеризуется двумя физическими величинами:
скоростью v и индукцией В. По закону Ленца электродвижущая
сила определяется следующим выражением:
de = (v х B)tZl.
(1-57)
1-4- Электромеханические преобразователи
в форме кольца
Рис. 1.12. Схема электродинамического преобразователя. Репродукция из
' книги М. Rossi, 1988, Acoustic and Electroacoustic, Artech House,
Norwood, MA, с разрешения Artech House, ©1988 Artech House
Магнитная сила задается законом Лапласа:
mag — idl X В.
(1.58)
Интегрируя уравнение (1.58) по всей длине катушки, получим значе-
ние Электродвижущей силы на ее концах:
е
(1.59)
Рис. 1.13. Расположение сег-
мента катушки в поле. Ре-
продукция из книги М. Rossi,
1988, Acoustic and Electroacous-
tic, Artech.i-House, Norwood, MA,
с разрешения Artech House,
©1988 Artech House
Глава 1. Микросистемы
По закону Ленца электродвижущая сила имеет противоположное на-
правление току i. Аналогично, интегрируя уравнение (1.58), найдем
значение для магнитной силы:
Fmag = j dFmag = (Bl)in, (1.60)
I
где n — единичный положительный вектор, имеющий направление
движения. Член (BZ) называется коэффициентом электродинамиче-
ской связи. Для состояния равновесия в случае синусоидальных сиг-
налов эти уравнения могут быть записаны в виде (Rossi, 1988):
V = (BZ)v, (1.61)
Fmag = (Bl)I. ' (1.62)
Эти уравнения используются в эквивалентной схеме, показанной
на рис. 1.14а. Здесь применен идеальный трансформатор, внешние
источники представлены с электрической стороны в виде идеально-
го источника напряжения с внутренним импедансом Z, а с механи-
ческой стороны — идеальным источником силы Fe с механическим
сопротивлением Zm. Электрическое сопротивление и самоиндукция
двигающейся катушки заключены в этих импедансах. Из этой экви-
валентной схемы следует, что:
-Ve + ZI + V = 0. ' (1.63)
Подставив уравнение (1.61) в выражение (1.63), получим характе-
ристическое уравнение системы:
Ve = ZI + (Bl)v. (1.64)
v f
Подобным образом можно вывести соотношение между электродви-
жущей силой и током, которое будет еще одним характеристиче-
ским уравнением этой системы (Rossi, 1988):
t! = (1.65)
* т
Эту эквивалентную схему можно упростить, как показано на
рис. 1.146. Объединив уравнения (1-64) и (1.65), избавимся от необ-
ходимости использования четырехполюсной цепи:
ve = zi+ (Bl) (Д + (В1)Г) Ym = (z + zem)i + vF, (1.66)
iMmridiMmiitiWH.it ni.i .iк _
1-4- Электромеханические преобразователи 65
где
Zem = (В/)2Ут, (1.67)
VF = (Bl)YmFe = (Bl)ve. (1.68)
Рис. 1.14. Эквивалент-
ные схемы преобразо-
вателя. Репродукция из
книги М. Rossi, 1988,
Acoustic and Electroa-
coustic, Artech House,
Norwood, MA, с раз-
решения Artech House,
©1988 Artech House
MD
(6)
В уравнении (1.68) ve — скорость движения разомкнутой катушки
(/ = 0), т. е. когда к ней приложена внешняя сила, Zem — полное
кинетическое сопротивление, используемое для преобразования ме-
ханической части схемы в электрическую цепь.
Как было отмечено ранее, электродинамические преобразовате-
ли широко применяются в громкоговорителях. Однако из-за высо-
ких требований, предъявляемых к катушке и магнитным полям, они
не сильно распространены в микроэлектронике. Есть информация
об изготовлении довольно миниатюрных электродинамических ми-
кродвигателей (7 мм х 15 мм х 0.4 мм) (Frank, 1998), резонансная ча-
стота которых определяется соотношением:
= ±(^У/2, (1.69)
2тг \ ps J
где i?m — коэффициент нагрузки ротора, р — плотность материала
проволоки, используемой для катушки, J — плотность тока, as —
максимальное смещение ротора.
Также как и в электродинамических преобразователях, здесь
остро стоит проблема изготовления миниатюрных магнитов и то-
копроводящих катушек. В этом случае катушка должна еще быть и
Глава 1. Микросистемы
подвижной. Поэтому для использования таких преобразователей в
ВЧ микросистемах прежде всего надо решить эту технологическую
задачу.
1.4.7. Электротермические преобразователи
В электротермических преобразователях основным компонентом яв-
ляется биморфный элемент, который расширяется под действием
тепла, подведенного к нему, вызывая тем самым требуемое механи-
ческое перемещение привода. По такой схеме возможно получение
больших деформаций и значительной плотности энергии. Однако
электротермические преобразователи имеют очень низкое быстро-
действие и поэтому являются практически бесполезными на инте-
ресующих нас частотах. Но ради полноты изложения кратко рас-
смотрим принцип их действия. В литературе приведено несколько
типов таких преобразователей, которые основаны на двух видах
электротермических процессов: обратимых и необратимых.
Рис. 1.15. Принцип действия электротермического преобразователя. Ре-
продукция из книги К.Н. Lee, H.J. Byun, Н.К. Lee, I.J. Bu, Е.
Yoon, 2000, «Ап audio frequency filter application of micromachined
thermally-isolated diaphragm structures», 13th Annual Internation-
al Conference on Micro Electro Mechanical Systems, MEMS 2000,
IEEE, Washington, DC, 142-147, с разрешения IEEE, © IEEE
На рис. 1.15 (Lee et al, 2000) показана схема фильтра звуковых
частот, в котором используется электротермический привод. Такое
устройство состоит из термически изолированной тонкой диафраг-
мы, изготовленной методом травления с нижней стороны подложки
и пары металлических резисторов: для нагревателя и датчика, реа-
лизованного методом литографии. Через нагревательный элемент,
обладающий сопротивлением Rn- протекает ток /ц. Выделяемое
I.J. Электромеханические преобразователи
тепло регулируется входным напряжением Vin. Изменение сопроти-
вления в цепи датчика, пропорциональное изменению температуры
ДТ, приводит к соответствующему перепаду выходного напряже-
ния AUOUt-
Принцип действия таких фильтров очень прост. Изменение вход-
ного переменного напряжения на концах нагревателя приводит к
изменению температуры на диафрагме. Сенсорный резистор фикси-
рует это изменение температуры и преобразует его в соответству-
ющее выходное напряжение. При этом высокочастотные компонен-
ты входного сигнала отфильтровываются, поскольку диафрагма не
успевает их отрабатывать. Очевидно, что такой фильтр подходит
только для низких звуковых частот (Lee et al, 2000).
изгибающаяся
Рис. 1.16. Биморфный элек-
тротермический преобразова-
тель. Репродукция из книги
Q.A. Huang, N.K.S. Lee, 1999,
«Analysis and design of polysil-
icon thermal flexure actuator»,
Journal of Micromechanics and
Microengineering 9: 64-70, с раз-
решения Institute of Physics
(B)
В литературе приводятся и другие конфигурации микроприво-
дов, основанных на электротермическом принципе (Huang, Lee, 1999,
Rirthmuller, Benecke, 1988). В первом случае для получения тре-
буемой деформации используется разность электрических сопро-
тивлений двух плечей биморфной структуры: узкого и широкого
(рис. 1.16 а, Huang, Lee, 1999). Эта разность сопротивлений приво-
Глава 1. Микросистемы
дит к неодинаковому нагреву двух плечей, и, следовательно, к их
разному расширению. На основе геометрических размеров такой
конструкции была построена ее эквивалентная модель (рис. 1.16 6).
На рис. 1.16 в показано поперечное сечение рассматриваемого пре-
образователя, откуда виден состав используемых в нем материалов.
Эквивалентную модель можно описать дифференциальным урав-
нением второго порядка (Huang, Lee, 1999):
d2T 2 ST-Ts
p dx2 + ? h Rp ,
(1-70)
где kp — теплопроводность поликремния, T — рабочая температу-
ра, Ts — температура подложки, J — плотность тока, р — удельное
сопротивление поликремния, S — коэффициент формы, Rp — тер-
мосопротивление между поликремниевой балкой и подложкой, a h —
толщина балки.
Термочувствительный элемент преобразователя может быть вы-
полнен из различных материалов: металлических тонких пленок из
Cr/Au, NiFe, Al; поликремния; монокристаллического кремния с ц-
или p-областями (Elwenspoek et al, 1989). Это устройство может
также использоваться и в качестве детектора, для чего применяет-
ся пьезорезистивность поликремния.
1.4.8. Сравнение электромеханических
преобразователей
В таблице 1.4 приведены некоторые сравнительные характеристики
электромеханических преобразователей. Благодаря своей простоте
наибольшее распространение в микросистемах получили электро-
статические преобразователи. Достоинством таких преобразовате-
лей является то, что в них управляющим сигналом является напря-
жение, легко регулируемое электрическим способом. Но они предъ-
являют высокие требования к условиям окружающей среды, посколь-
ку существующие в них электростатические поля притягивают пыль,
что может пагубно сказаться на работе самого устройства, а так-
же на связанных с ним КМОП-схемах. Электромагнитные и элек-
тродинамические преобразователи основаны на эффекте Лоуренца.
Токопроводящая катушка в одном случае является стационарной, а
в другом — подвижной. Такие преобразователи лучше всего подхо-
дят для случаев больших токов и больших напряжений. Они мало
чувствительны к влажности и пыли, но имеют большую рассеивае-
мую мощность.
1-4- Электромеханические преобразователи
Характеристики преобразователей, основанных на пьезоэлектри-
честве, магнитострикции и электрострикции, сильно зависят от ве-
личины механических деформаций, возникающих в материалах под
действием электрических или магнитных полей. Самая большая де-
формация достигается в электрострикционных преобразователях,
тогда как максимальная сила генерируется в магнитострикционных
приводах. И в электрострикционных, и в пьезоэлектрических ма-
териалах механическая деформация возникает под действием элек-
трических полей, но в первом случае зависимость между силой и
напряженностью приложенного поля является квадратичной, а во
втором — линейной.
Таблица 1.4. Сравнение электромеханических преобразователей
Преобразователь Относитель- ное переме- щение, % Максималь- ная плотность энергии, Дж/см3 кпд Быстро- действие
Электростати- ческий 32 0.004 Высокий Высокое
Электромаг- нитный 50 0.025 Низкий Высокое
Пьезоэлектри- ческий 0.2 0.035 Высокий Высокое
Магнитострик- ционный 0.2 0.07 Низкий Высокое
Электрострик- ционный 4 0.032 Высокий Высокое
Термический 50 25.5 Низкий Низкое
Большинство электромеханических преобразователей являются
нелинейными, поэтому и их передаточные функции — соотношения
между электрическими параметрами (напряжением или током) и
механическими величинами (силой и перемещением) — также явля-
ются нелинейными. Эта нелинейность вносит искажения в фильтру-
емый сигнал и может явиться причиной снижения точности. Для
преодоления этой проблемы надо ограничить изменения сигнала
очень малыми величинами около уровня постоянного напряжения.
При таком подходе также обеспечивается линейность системы, по-
скольку отклик на такие небольшие изменения сигнала будет всегда
линейным.
Глава 1. Микросистемы
1.5. Чувствительные элементы для микросистем
Для различных применений в микросистемах было разработано мно-
го типов микродатчиков и микроприводов. В этом разделе рас-
сматриваются некоторые из наиболее распространенных принципов
действия датчиков и приводов. Многие микродатчики основаны на
сенсорных принципах, разработанных специально для микросистем
(Fatikow, Rembold, 1997, Rai-Choudhury, 1997). Речь идет о химиче-
ских, газовых, оптических, механических датчиках и о биосенсорах.
Далее будут рассмотрены основные сенсорные механизмы, исполь-
зуемые в механических микродатчиках.
1.5.1. Пьезорезистивные чувствительные элементы
Основными компонентами пьезорезистивных элементов являются
резисторы, меняющие свое сопротивление под действием внешнего
давления. Пьезорезисторы используются для измерения таких фи-
зических параметров, как давление, сила, скорость потока. Также
пьезорезистивные датчики могут использоваться как акселерометры.
Типичная структура пьезорезистивного микродатчика показана
на рис. 1.17. Резисторы обычно крепятся на кремниевой диафраг-
ме. Отклонение диафрагмы ведет к изменению геометрических раз-
меров резисторов, в результате чего меняется их сопротивление.
Рис. 1.17. Структура пьезорези- где Л/?. — изменение сопротивле-
стивного датчика ния, R — исходное сопротивление,
v — коэффициент Пуассона, AZ —
изменение длины резистора, I — начальная длина резистора, Др —
изменение удельного сопротивления резистора, р — начальное
удельное сопротивление резистора. Для пьезорезистивных микро-
датчиков этого типа используют резисторы, сопротивление кото-
рых пропорционально внешнему давлению. В этом случае измене-
нием удельного сопротивления пренебрегают, поскольку измене-
ния геометрических размеров будет пропорционально приложенно-
му давлению.
Другой тип пьезорезистивных микродатчиков показан на рис. 1.18.
В таких датчиках фольга из полупроводникового полимера накла-
дывается на электроды встречно-штыревого преобразователя. Если
В этом и заключается пьезорези-
стивный эффект в кремнии:
^ = (1+2»)^ + ^, (1.71)
1.5. Чувствительные элементы для микросистем
на электроды подано напряжение при отсутствии давления, сопро-
тивление преобразователя составляет порядка мега ом. Под дей-
ствием внешней силы по полимерной фольге течет ток, т. е. возни-
кает параллельная цепь, что приводит к уменьшению сопротивления
всего датчика (Witte, Gu, 1992). В этом случае сопротивление чув-
ствительного элемента является обратно пропорциональным прило-
женному давлению.
Рис. 1.18. Пьезорезистивный чув-
ствительный элемент, построенный
на основе встречно-штыревого пре-
образователя и полупроводниковой
полимерной фольги. Репродукция из
книги М. Witte, Н. Gu, 1992, «Force
and position sensing resistors: an
emerging technology», Proceedings of
the International Conference on New
Actuators, Bremen, 1992, VDI/VDE-
Technologiezentrum Informationstech-
nik, Berlin, Germany, 168-170, с разре-
шения VDI/VDE-Technologiezentrum
Informationstechnik, Berlin
Рабочие характеристики пьезорезистивных микродатчиков за-
висят от температуры и давления. Чем выше температура, тем вы-
ше чувствительность датчиков. Любое остаточное напряжение, воз-
никающее в датчике в процессе его изготовления, также оказывает
влияние на его чувствительность. Пьезорезистивный датчик перво-
го типа при высоких давлениях, когда деформация его диафрагмы
превышает 10% ее толщины, становится нелинейным.
1.5.2. Емкостные чувствительные элементы
В емкостных чувствительных элементах деформация диафрагмы
под действием давления, силы и т. д. приводит к изменению емкости,
что, в свогр очередь, вызывает из-
менение соответствующего элек-
трического сигнала: частоты, вре-
мени, заряда, напряжения. Струк-
тура типового емкостного ми-
кродатчика показана на рис. 1.19.
В нем чувствительный конденса-
тор состоит из двух электродов,
один из которых расположен на
гибкой диафрагме, а другой — на
Рис. 1.19. Структура емкостного
датчика
Глава 1. Микросистемы
подложке. Такие датчики могут применяться для определения да-
вления, силы, ускорения, скорости потока, перемещения, положения,
ориентации и т.д.
В емкостных микродатчиках изменение емкости не является ли-
нейным по отношению к деформации диафрагмы. При определе-
нии малых значений емкости (порядка 1-3 пФ) необходимо разме-
щать измерительную цепь на том же самом кристалле. По срав-
нению с пьезорезистивными чувствительными элементами, емкост-
ные датчики обладают более высокой чувствительностью, большей
стабильностью, но меньшим диапазоном измеряемых давлений (Rai-
Choudhury, 1997)
1.5.3. Пьезоэлектрические чувствительные
элементы
Эта группа датчиков основана на пьезоэлектрическом эффекте пье-
зоматериалов. Когда внешняя сила действует на пьезоэлектриче-
скую пленку, на ее поверхности возникает электрический заряд. На
электродах, расположенных на пьезоэлектрическом диске толщиной
t (рис. 1.20), при создании на нем механического давления Т возни-
кает электрическое напряжение У:
V = gtT,
(1-72)
Рис. 1.20. Пьезоэлектрический чувстви-
тельный элемент
где д' — пьезоэлектрический
коэффициент напряжения. Пье-
зоэлектрические чувствитель-
ные элементы нашли широкое
применение в датчиках давле-
ния и силы, в акселерометрах
и спидометрах, в гидрофонах
и микрофонах.
1.5.4. Резонансные чувствительные элементы
Принцип действия резонансных чувствительных элементов станет
понятным, если вспомнить эффект изменения собственной частоты
струны под действием сил растяжения. В резонансных датчиках
напряжение, возникающее в диафрагме из-за действия на нее внеш-
него давления, приводит к изменению собственной частоты резо-
натора. По этим вариациям собственной частоты можно судить о
прикладываемом давлении.
„ML.
1.5. Чувствительные элементы для микросистем
Собственная резонансная частота гибкого резонатора, закреп-
ленного с обоих концов, определяется следующим выражением (Ike-
da et al, 1990):
. 4.734 Е Г (1\'‘ 11/21 "
/=^rf(^[i+o'2366 U) е] )’ (1-73)
где f — собственная частота колебаний основной волны, I — дли-
на резонатора, h — толщина резонатора, Е — модуль Юнга, р —
плотность материала диафрагмы и е — деформация, возникающая
в резонаторе. В резонансном датчике резонатор ведет себя как чув-
ствительный элемент внутренних напряжений, связывающий полу-
ченную деформацию с резонансной частотой. Если ввести коэффи-
циент тензочувствительности kgf, определенный следующим обра-
зом:
2
ИХ2
1 + 0.2366 ( Т ) е
\ п /
будет справедливо выражение
I.
~Т = k9f£-
(1-75)
В резонансном датчике длиной 1.2 мм, шириной 20 мкм и тол-
щиной 5 мкм при деформации, равной 100 ppm, коэффициент тен-
зочувствительности может быть порядка 3000, тогда как в пьезоре-
зистивных элементах значение этого коэффициента близко к 2. На
основе резонансных элементов можно разрабатывать очень чувстви-
тельные микродатчики, поскольку они обладают высоким коэффи-
циентом тензочувствительности, который, фактически, определяет
чувствительность самого датчика. Однако технология изготовле-
ния резонансных датчиков, как правило, намного сложнее, чем пье-
зорезистивных, к тому же резонансные тензодатчики необходимо
герметизировать для защиты от влаги (Harada et al, 1999).
1.5.5. Чувствительные элементы на
поверхностных акустических волнах (ПАВ)
Чувствительные элементы на ПАВ являются важными представи-
телями современных датчиков. Эта группа датчиков в последние
Глава 1. Микросистемы
годы нашла широкое применение в различных областях науки и тех-
ники: от детектирования газов и паров до измерений напряжений
(Campbell, 1998). Сравнительно недавно в литературе появилось со-
общение о разработке приводов на ПАВ для микросистем (Campbell,
1998). Первоначально устройства на ПАВ использовались в радарах
и системах связи в качестве фильтров и линий задержек, но в даль-
нейшем оказалось очень перспективным применять чувствительные
элементы на ПАВ для определения ряда физических величин: силы,
давления, электрических и магнитных полей, химических компонен-
тов. Обычно устройства на ПАВ представляют собой пьезоэлектри-
ческую подложку, на поверхности которой расположены встречно-
штыревой преобразователь (ВШП) и рефлекторы. ВШП — главный
элемент любых устройств на ПАВ. Его основной задачей является
преобразование электрической энергии в механическую и наоборот
с целью генерации и детектирования ПАВ. Вид акустических волн,
возбуждаемых в пьезоэлектрическом материале, зависит, главным
образом, от свойств самого материала, от среза кристалла и струк-
туры электродов, используемых для преобразования электрической
энергии в механическую. Были исследованы возможности примене-
ния в качестве датчиков различных типов акустических устройств,
основанных на ПАВ Рэлея и на поперечных ПАВ с горизонтальной
поляризацией (SH-ПАВ), на плоских акустических волнах и плоских
волнах изгиба, а также на волнах Лзмба.
Волну Рэлея можно разложить на две составляющие: перпенди-
кулярную и параллельную поверхности. Вторая составляющая сов-
падает с направлением распространения волны. В движении ча-
стиц в волне Рэлея, если их рассматривать в векторной плоско-
сти, также присутствуют два компонента. Частицы перемещают-
ся по эллиптической траектории, и их движение можно разложить
на две составляющих: перпендикулярную и параллельную поверхно-
сти. Электромагнитное поле, связанное с распространением волны
Рзлея, имеет то же самое направление. Скорость волны определя-
ется материалом подложки и срезом кристаллов. Мощность ПАВ
ограничивается зоной шириной в несколько длин волн, Прилегаю-
щей к поверхности (Campbell, 1998).
При использовании других срезов кристаллов вместо волны Рэлея
можно получить SH-ПАВ. В этом случае перемещение частиц про-
исходит в двух направлениях: поперечном распространению вол-
ны и параллельном плоскости поверхности. Рабочая частота здесь
определяется конструктивными особенностями ВШП и скоростью
распространения поперечной волны с горизонтальной поляризаци-
1
1.5. Чувствительные элементы для микросистем
ей в материале подложки. На устройства, основанные на данном
типе волн, возлагают большие надежды при разработке датчиков
для работы в жидких средах и биосенсоров (Kondoh, Matsui, Sh-
iokawa, 1993, Nakamura, Kazumi, Shimizu, 1977, Shiokawa, Moriizumi,
1987). Датчики на SH-ПАВ могут использоваться для определения
удельной массы, вязкости, проводимости и диэлектрической про-
ницаемости окружающей жидкой среды. Конструкция датчиков на
поперечных плоских акустических волнах с горизонтальной поля-
ризацией похожа на устройства на волнах Рэлея, но подложка в них
тоньше, обычно ее толщина составляет несколько длин акустиче-
ских волн. ВШП генерируют поперечные волны с горизонтальной
поляризацией, распространяющиеся в объеме под углом к поверх-
ности. Эти волны отражаются от поверхностей пластины при пере-
мещении внутри подложки между ВШП. Рабочая частота определя-
ется толщиной подложки и конструктивными особенностями ВШП.
Датчики на этом типе волн используются для измерений в жидких
средах. В них есть возможность использовать в качестве чувстви-
тельной зоны всю нижнюю поверхность пластины, что является их
достоинством.
Волны Лэмба, также называемые плоскими акустическими вол-
нами, являются упругими волнами, распространяющимися в пласти-
не ограниченной толщины. Они применяются в медицинских систе-
мах для мониторинга структур и акустических потоков.
ВШП состоит из
двух гребенчатых элек-
тродов, размещенных
на пьезоэлектрической
подложке (рис. 1.21).
Когда на электроды
подается напряжение,
возникает электричес-
кое поле, что приводит
к появлению на пьезо-
электрической подлож-
ке Динамических на-
пряжений, которые, в
свою очередь, запуска-
ют упругие волны. Эти
волны состоят из волн
Рэлея, распространяю-
Рис. 1.21. Шаг между зубцами гребенчатых элек-
тродов и его влияние на длину акустической вол-
ны. Репродукция из книги V.K. Varadan, V.V.
Varadan, 1997, «Microsensors, actuators, MEMS, and
electronics for smart structures», in P. Rai-Choudhury
(ed.), Handbook of Microlithography, Micromachin-
ing, and Microfabrication, Volume 2: Micromachin-
ing and Microfabrication, SPIE Optical Engineering
Press, 617-688, с разрешения SPIE Optical Engineer-
ing Press
Щихся перпендикулярно к электродам со скоростью гд.
Глава 1. Микросистемы
Если на электроды ВШП подать гармонический сигнал, равный
v = vo exp(jwi), появившаяся волна механического напряжения на-
чнет распространяться по поверхности кристалла в двух направле-
ниях. Для обеспечения усиления интерференции и синфазности на-
пряжений расстояние между соседними зубцами ВШП должно быть
равно половине длины упругой волны Ад:
d=~ - (1.76)
Соответствующая частота, называемая частотой синхронизации, опре-
деляется следующим соотношением: . .
Vr ' '
! А ' 1 (1-77)
' Ад
На этой частоте достигается максимальная эффективность ВШП
при преобразовании электрической энергии в акустическую и нао-
борот. Точное определение характеристик пьезоэлектрического по-
ля, управляемого ВШП, довольно трудоемкий процесс (Varadan, Va-
radan, 1997). На практике анализ ВШП часто выполняется методами
цифрового моделирования. Частотная характеристика ВШП упро-
щенно может быть представлена в виде дельта-функции (Varadan,
Varadan, 1997).
Принцип действия чувствительных элементов на ПАВ основан
на том, что время распространения ПАВ между двумя ВШП зави-
сит от изменений некоторых физических величин.
к источнику расстояние между центрами ВШП к детектору
Ar между зубцами ' постоянное перекрытие зубцов
РИс. 1.22. Схема прибора на ПАВ с ВШП. Репродукция из книги V.K.
Varadan, V.V. Varadan, 1997, «Microsensors, actuators, MEMS,
and electronics for smart structures», in P. Rai-Choudhury (ed.),
Handbook of Microlithography, Micromachining, and Microfabrica-
tion, Volume 2: Micromachining and Micro fabrication, SPIE Optical
Engineering Press, 617-688, с разрешения SPIE Optical Engineer-
ing Press
Один из ВШП, показанный на рис. 1.22, является входным устрой-
ством и используется для преобразования сигнала изменяющегося
ййНи
1.5. Чувствительные элементы для микросистем
напряжения в механические ПАВ. Другой ВШП работает как вы-
ходной приемник и применяется для преобразования колебаний ме-
ханических ПАВ обратно в электрический сигнал. Поскольку эти
два ВШП имеют одинаковую природу, каждый из них может быть
и входным, и выходным устройством.
На основе акустических чувствительных элементов разрабаты-
ваются надежные и сравнительно недорогие датчики для различных
областей применения. Уникальной особенностью акустических дат-
чиков является прямая зависимость их выходных характеристик от
изменения ряда физических и химических параметров, таких как
масса, напряжение, деформация, для жидкостей: плотность, вяз-
кость, проводимость и диэлектрическая проницаемость (Grate, Mar-
tin, White, 1993).
Более того, анизотропная природа пьезоэлектрических кристал-
лов позволяет, меняя углы среза, получать уникальные характери-
стики чувствительных элементов, реализованных на их основе. На-
пример, в акселерометрах на ПАВ применяются кварцевые кристал-
лы с ST-срезом, обладающие практически нулевым температурным
коэффициентом (Varadan, Varadan, 1996), что обеспечивает незна-
чительный уход частоты при изменении температуры. Также отме-
тим, что, меняя ориентацию срезов кристалла, можно реализовы-
вать разные виды поверхностных акустических волн. При этом для
каждого конкретного случая применения возможно подобрать опти-
мальную ПАВ, и с учетом этого уже разрабатывать датчик. Дру-
гими преимуществами пьезоэлектрических материалов являются их
низкие внутренние потери, равномерная плотность и упругость, а
также хорошие механические свойства (Grate, Martin, White, 1993).
При разработке акустических датчиков важным является выбор
устройства для преобразования ПАВ, в которых заключена инфор-
мация об изменениях измеряемых физических параметров в выход-
ной электрический сигнал (Campbell, 1998). Любое малое возмуще-
ние, появляющееся в акустических волнах, должно вызывать зна-
чительный отклик в преобразованном выходном электромагнитном
сигнале, возможность реализации этого заключена в огромной раз-
ности скоростей распространения акустической и электромагнит-
ной волн. Например, если приложенное к электродам ВШП перемен-
ное напряжение имеет частоту 1 ГГц, а скорость распространения
ПАВ по пьезоэлектрической подложке равна 3488 м/с, длину волны
ПАВ можно определить при помощи соотношения:
. v 3488м-с 1 „ , „ -,„-6 о л,-,..
Ад = — —------3—г = 3.488 х 10 м — 3.488 мкм.
f lx 1с-'
Глава 1. Микросистемы
Для электромагнитной волны будет справедливо следующее:
, С 3 X 108 М • С ., ;V S Аг = — = ;— = 0.3 м, •Чч&.Ч' "7 f lx 109 С 1 X
где с." 60 -старость света. Отношение между длинами волн равно: А« = 3.488 х10-»м=1162х10_, г- Ас 0.3 м
Отсюда видно, что акустические датчики имеют высокую чувстви-
тельность, поскольку любые отклонения свойств ПАВ отразятся на
их скорости распространения, что приведет к значительному изме-
нению выходного электрического сигнала.
1.6. Материалы для микросистем
В микросистемах используется широкий спектр материалов. Поми-
мо кремниевых композиций здесь используются еще четыре группы
материалов: металлы, сплавы металлов, керамика и полимеры (Lar-
son, 1999).
1.6.1. Металлы и металлические сплавы
Тонкие пленки из металла используются .при производстве инте-
гральных схем уже длительное время. Но в настоящее время наряду
с этим для некоторых микросистем требуется изготовление микро-
структур из толстых металлических пленок (Larson, 1999). Такие
структуры формируются либо по электролитической технологии,
либо методом фотолитографии (Romankiv, 1997, Taylor et al, 1994).
Электролитический способ применяется для нанесения пленок из
никеля, золота и меди, а для изготовления 3D микроэлементов из не-
ржавеющей стали используется фотолитография (Taylor et al, 1994).
Толстые металлические пленки применяются для формирования ли-
бо самих микроустройств, либо шаблонов для изготовления деталей
из керамики и полимеров.
Для производства микросистем были также разработаны специ-
альные металлические сплавы и соответствующие технологические
процессы. Тонкие пленки из CoNiMn были использованы в качестве
магнитных материалов при изготовлении магнитных приводов. Для
получения магнитных электромеханических микроустройств, таких
1.6. Материалы для микросистем
как микродвигатели, микроприводы, микросенсоры и интегриро-
ванные силовые преобразователи, на кремниевую подложку элек-
тролитическим методом наносились толстые пленки из пермалон
на основе NiFe. Это позволило реализовывать однокристальные ми-
кромощные системы, состоящие из магнитных микроустройств и
интегральных схем (Ahn, Allen, 1998). Для изготовления ряда ми-
кродатчиков и микроприводов на подложку из кремния методом на-
пыления наносились пленки из сплавов на основе TiNi, обладающие
свойством запоминания формы (Ohta et al, 1998). Толстые пленки из
TbFe и SmFe использовались для реализации магнитострикционных
приводов (Honda, Arai, Yamaguchi, 1997).
1.6.2. Полимеры
В микросистемах полимеры широко применяются и в качестве струк-
турных, и в качестве функциональных материалов. В первом случае
используются такие свойства полимеров, как их эластичность, не-
которые оптические характеристики и биосовместимость. Для по-
строения полимерных микросистем могут использоваться тонкие и
толстые полимерные пленки, а также 3D полимерные микрострук-
туры. В таблице 1.5 приведены некоторые структурные полимеры
и соответствующие технологические процессы изготовления микро-
систем на их основе.
Следует отметить, что полимеры, перечисленные в таблице 1.5,
могут быть использованы при построении чувствительных элемен-
тов и приводов для микросистем одновременно и в качестве струк-
турных, и в качестве функциональных материалов. Полимерные тен-
зодатчики и конденсаторы могут служить чувствительными эле-
ментами для пьезорезистивных и емкостных микродатчиков (Vara-
dan, Varadan, 1995), а электростатические полимерные микроприво-
ды строятся на основе мембранных структур из полиимида (Minami,
Morishita, Esashi, 1999). Важным также является то, что были разра-
ботаны специальные микротехнологии для производства микроси-
стем на: полимерной подложке. Групповые технологии изготовления
полимерных микроустройств не входят в рассмотрение данной книги.
Структурные полимеры, используемые в полимерных микроси-
стемах, обладают ограниченными возможностями при построении
датчиков и приводов, поэтому в последние годы здесь происходит
активное внедрение функциональных полимеров (Carraway, 1991).
В таблице 1.6 приведены некоторые функциональные полимеры, при-
меняемые при изготовлении микросистем.
Глава 1. Микросистемы
Таблица 1.5. Структурные полимеры и технологические процессы изгото-
вления микросистем на их основе
Название полимера Структура Технологи- ческий про- цесс Использу- емые свойства Ссылки
Полиимид Тонкая пленка Покрытие Эластичность Ruprecht et al, 1998
Силиконо- вый каучук Толстая пленка Отливка Эластичность Grosjean, Yang, Tai, 1999
Парилен С Тонкая пленка Покрытие Пароизоляция Grosjean, Yang, Tai, 1999
РММА (полиме- тилмет акрилат) Толстая пленка LIGA, горячее тиснение Эластичность, оптические свойства Becker, Heim, 1999, Guckel, 1998
Поликар- бонат Толстая пленка Горячее тисне- ние Эластичность, оптическая прозрачность Pan, Lin, Ni, 1999
PDMS (по- лидиметил- силоксан) Толстая пленка Отливка Эластичность, биомедицин- ская совмести- мость Armani, Liu, Aluru, 1999
Эпоксидная смола Толстая пленка Отливка Г ерметизация, сопротивление в большом ди- апазоне pH Armani, Liu, Aluru, 1999
Полиэфир Толстая пленка Формовка Эластичность Bohm, Olthuis, Bergveld, 1999
Поли- сульфон Толстая пленка Отливка Отличные меха- ническое и хи- мическое сопро- тивление в ши- роком диапазо- не температур (150-300 °F) Varadan, Varadan, 1995 4. .4
Акрилат, уретан и т. д. 3D структура Микростерео- литография Эластичность, оптическая прозрачность, чувствитель- ность к УФ из- лучению Ikuta, Hirowatari, 1993, Zhang, Mac- Donald, 1994, Takagi, Nakaji- ma, 1993, Tani, Esashi, 1995, Varadan, 1995
LIGA — литография, гальванопластика, литье
Для микроустройств были разработаны порошковые композиции
на основе функциональных полимеров, обладающие магнитными и
1.6. Материалы для микросистем
магнитострикционными свойствами. Например, полимерная компо-
зиция Terfenol D обладает отличной магнитострикцией и может ис-
пользоваться для построения микроприводов (Ruiz de Angulo, Abell,
Harris, 1996). А композиции на основе полиимида и феррита могут
применяться как полимерные магниты в магнитных микроприводах
(Lagorce, Allen, 1996).
Таблица 1.6. Функциональные полимеры, используемые в микросистемах
Название полимера Функциональные свойства Применение
PVDF (поливинили- ден фторид) Пьезоэлектричество Датчики,приводы
Поли(пиррол) Проводимость Датчики, приводы, элек- трические соединения
Фторсиликон Электрострикция Приводы*
Кремний Электр острикция Приводы*
Полиуретан Электр острикция Приводы*
* — Pelrine et al, 1997
На основе полимеров можно реализовывать не только датчики и
приводы, но и электронные компоненты. Уже разработаны полимер-
ные транзисторы. Поэтому в ближайшем будущем будут построены
интегрированные полимерные микросистемы, включающих в себя
датчики, приводы и электронные схемы.
1.6.3. Другие материалы
Керамика является другой большой группой материалов, применя-
емых в микросистемах. В полупроводниковых устройствах и крем-
ниевых микросистемах широко используются тонкие пленки из SiO2
и SiN4. В некоторых микросистемах применяются толстые керами-
ческие пленки и 3D структуры. Например, были разработаны кера-
мические датчики давления, способные работать при высоких тем-
пературах (Jennifer, Allen, 1999), а также микросистемы на основе
карбида кремния, для которых не страшны суровые окружающие
условия (Chin, Varadan, Varadan, 1994) и т. д. Есть примеры при-
менения в микросистемах и других функциональных керамических
материалов, таких как ZnO, PZT и т. д. Для производства микроси-
стем на основе керамических материалов используются следующие
методы: трафаретная печать, ламинирование, литье, микростерео-
литография и золь-гелиевая технология.
4 - 10482
Глава 1. Микросистемы
1.7. Краткий обзор книги * «
Ключом к успеху нового поколения высокочастотных микросистем
является бурное развитие микротехнологий. Существует два подхо-
да к изготовлению кремниевых микросистемных устройств: объем-
ная и поверхностная технология обработки кремния. Оба эти под-
хода в разных ситуациях могут использоваться и в ВЧ, и СВЧ си-
стемах. Помимо технологий, основанных на обработке кремния, не-
давно были предложены методы построения микросистем на базе
полимеров. В главе 2 описаны методы изготовления микросистем и
материалы используемые в них.
Одним из самых ранних применений микросистем были СВЧ
ключи, обладающие высокой линейностью, низкой потребляемой мощ-
ностью в режиме ожидания и малыми вносимыми потерями. Такие
ключи строились по поверхностной технологии обработки кремния.
В главе 3 приведено несколько вариантов ВЧ ключей. В этой главе
также представлены способы уменьшения напряжения срабатывания,
разработке которых в последние годы уделяется много внимания.
Другими примерами микросистем, работающих в области ВЧ
техники, являются микроиндукторы и переменные микроконденса-
торы, которые заменяют используемые ранее для настройки варак-
торы. В главе 4 рассмотрено несколько моделей микроиндукторов,
обладающих высокой добротностью. Достоинством микроконденса-
торов является их совместимость с остальными компонентами элек-
тронных схем, что позволяет на их основе изготавливать полностью
интегрированные системы.
В радарах и системах связи требуется применение фильтров,
обладающих высокой добротностью. На низких частотах использу-
ются объемные механические фильтры. Их принцип действия реа-
лизован в микроустройствах, работающих на высоких частотах. Та-
кие микроустройства изучаются в главе 5. Они могут быть исполь-
зованы на частотах до десятков МГц, и при соответствующем мон-
таже их добротность может составлять несколько тысяч. Техноло-
гические ограничения не позволяют изготовить микромеханические
фильтры для частот более 100 МГц. Однако технология, использую-
щая поверхностные акустические волны (ПАВ), дает возможность
перескочить этот рубеж и построить фильтры и резонаторы, ра-
ботающие до частот 2 ГГц и обладающие высокой добротностью.
Современный технологический уровень позволяет реализовать та-
кие фильтры в виде планарных устройств. В ВЧ и СВЧ диапазоне
такие фильтры, построенные на тонкой диэлектрической мембране,
Литература
обладают низкими потерями. Их можно использовать в недорогих,
компактных, высокопроизводительных монолитных интегрирован-
ных СВЧ схемах. Несколько примеров таких устройств также при-
ведены в пятой главе.
В главе 6 дано описание фазовращателей. Они основаны либо на
подключении секций линий передач различной длины при помощи
микропереключателей, расположенных между ними, либо на исполь-
зовании распределенной вдоль линии передач линейки конденсато-
ров. Здесь также рассматривается способ создания таких линий на
базе полимеров. В дополнение к этому в шестой главе рассмотрены
новейшие фазовращатели, использующие нелинейность диэлектри-
ческих характеристик ферроэлектрических материалов, таких как
титанат стронций бария.
Седьмая глава посвящена способам улучшения рабочих харак-
теристик ВЧ и СВЧ линий передач и других компонентов. Здесь
также приведены несколько примеров ВЧ устройств, работающих
в разных частотных режимах.
В восьмой главе описывается технология изготовления микро-
антенн. Приведенные примеры показывают, как можно улучшить
рабочие характеристики полосковых микроантенн. Здесь также при-
ведены способы построения антенн с перестраиваемыми характери-
стиками излучения. Без применения микротехнологий невозможно
изготовление антенн, работающих в области очень высоких частот,
поскольку в этих случаях размеры рупорных и других видов антенн
становятся такими маленькими, что их нельзя реализовать тради-
ционными методами.
Для любых микросистем очень важны вопросы сборки и монта-
жа. Немногие ВЧ микросистемы достигли технологического совер-
шенства, поскольку до сих пор разработано мало способов их монта-
жа. В главе 9 описано, как можно адаптировать некоторые методы,
применяемые при изготовлении микроэлектронных приборов, к ВЧ
микросистемам.
Литература
Aeidel. Н., 1994. «The mechanism of anisotropic silicon etching process for microelec-
tromechanical structures». Sensors and Actuators, A, 40. pp. 63-70.
Ahn, C.H., Allen, M.G., 1998. «Micromachined planar inductors on silicon wafers for
MEMS applications». IEEE Transactions on Industrial Electronics 45(6): 866 876.
Armani, D., Liu, C., Alum. N-, 1999, «Re-configurable fluid circuits by PDMS elas-
tomer micromachining», in Proceedings of IEEE MEMS ’99. IEEE. Washington.
DC: 222-227.
4*
Глава 1. Микросистемы
Ayerdi, I., Castano. E., Garcia-Alonso. A., Gracia. J., 1997, «High-temperature ce-
ramic pressure sensor», Sensors and Actuators A: Physical 60: 72-75.
Becker, H., Heim, U., 1999, «Silicon as tool material for polymer hot embossing», in
Proceedings of IEEE MEMS ’99, IEEE, Washington, DC: 228-231.
Bertsch, A., Lorenz, H., Renaud, P., 1998, «Combining microstereolithography and
thick resist UV lithography for 3D microfabrication», in Proceedings of IEEE MEMS
’98, IEEE, Washington, DC: 18-23.
Body, C.. Rcyne, G., Meunier, G., 1997, «Modeling of magnetostrictive thin films,
application to a micromembrane», Journal of Physique (France} Part III 7(1):
67-85.
Bohm, S., Olthuis, W., Bergveld, P., 1999, «А plastic micropump constructed with
conventional techniques and materials», Sensors and Actuators A: Phvsical 773:
223-228.
Brown, E.R., 1998, RE MEMS switches for reconfigurable integrated circuits. IEEE
Transactions on Microwave Theory and Techniques 46: 1868-1880.
Bryzek, Peterson, K., McCulley, W., 1994, «Micromachines on the march», IEEE
Spectrum (May) 20-31.
Bustillo, J.M., Howe, R.T., Muller, R.S., 1998, «Surface micromachining for micro-
eleclromechanical systems», Proceedings of the IEEE 86(8): 1552-1574.
Campbell, C., 1998, Surface Acoustic Wave Devices and their Signal Processing Ap-
plications, Academic Press, London.
Carraway, D.L., 1991, «The use of silicon microsensors in smart skins for aerodynamic
research», in International Congress on Instrumentation in Aerospace Simulation
Facilities. (December): IEEE, 413-422.
Chen, J., Gururaja, T.R., 1997, «DC-biased lectrostrictive materials and transducers
for medical imaging», in IEEE Ultrasonics Symposium 1997, IEEE, Washington,
DC: 1651-1658.
Chin, L.C., Varadan, V.V., Varadan, V.K., 1994, «Hybrid finite element formulation
for periodic piezoelectric arrays subjected to fluid loading», International Journal
for Numerical Methods in Engineering 37: 2987-3003.
Cohen, A., Zhang, G., Tseng, F., Prodis, U., Marisfeld, F., Will, P., 1999, «EFAB:
rapid, low-cost desktop micromachining of high aspect ratio true 3-D MEMS», in
Proceedings of IEEE MEMS ’99, IEEE, Washington, DC: 244-251.
Crandall, S.H., Karnopp, D.C., Kurtz, E.F. Jr., Pridmore-Brown, D.C., 1968, Dy-
namics of Mechanical and Electromechanical Systems, McGraw-Hill, New York.
Elwenspoek, M., Blom, F.R., Bouwstra, S., Lammerink, T.S.J., van de Pol. F.C.M.,
Tilmans, H.A.C., Popma, T.J.A., Fluitman, J.H.J., 1989, «Transduction mecha-
nisms and their applications in micromechanical devices», in Proceedings of IEEE
Micro Electro Mechanical Systems, 7959, IEEE, Washington, DC: 126-132.
Fan, L.-S., Tai, Y.-C., Muller, R.S., 1987, «Pin joints, gears, springs, cranks and other
novel micromechanical structures», in Tech Digest of 4th International Conference
Solid State Sensors and Actuators A: Physical, June, Tokyo: 849-852.
Fatikow, S., Rembold, U., 1997, Microsystem technology and microrobots, Springer.
Berlin.
Frank, T., 1998, «Two-axis electrodynamic micropositioning devices», Journal of Mi-
cromechanics and Microengineering 8: 114-118.
Fujita, H., 1996, «Future of actuators and microsystems», Sensors and Actuators A:
Physical 56: 105-111.
Fujita, H., 1998, «Microactuators and micromachines», Proceedings of the IEEE
86(8): 1721-1732.
Литература
Goldsmith, C.L., Eshelman, S., Dennston, D., 1998, «Performance of low loss RF
MEMS capacitive switches», IEEE Microwave and Guided Wave Letters 8: 269-
271.
Grate, J.W., Martin, S.J., White, R.M., 1993, «Acoustic wave microsensors. Part I»,
Analytical Chemistry 65: 940-948.
Grate, J.W., Martin, S.J., White, R.M., 1993, «Acoustic wave microsensors. Part II»,
Analytical Chemistry 65: 987-996.
Grosjean, C., Yang, X., Tai, Y.C., 1999, «А practical thermopneumatic valve», in
Proceedings of IEEE MEMS ’99, IEEE, Washington, DC: 147-152.
Guckel, H., 1998, «High-aspect-ratio micromachining via deep X-ray lithography»,
Proceedings of the IEEE 86(8): 1586-1593.
Harada, K., Ikeda, K., Kuwayama, H., Murayama, H., 1999. «Various applications of
resonant pressure sensor chip based on 3-D micromachining» Sensors and Actuators
A: Ph\sical 73: 261-266.
Heydt, R., Kornbluh, R., Pelrine, R., Mason, V.. 1998, «Design and performance of
an electrostrictive-polymer-film acoustic actuator», Journal of Sound and Vihration
215: 297-311.
Hom, C.L., Pilgrim, S.M., Shankar. N.. Bridger. K., Massuda, M.. Winzer. S.R.,
1994, «Calculation of quasi-static electromechanical coupling coefficients for elec-
trostrictive ceramic materials», IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics,
and Frequency control 41: 542-551.
Honda, T., Arai, K.I., Yamaguchi, M., 1997, «Basic properties of magnetostrictive
actuators using Tb-Fe and Sm-Fe thin films», IEICE Transactions on Electronics
E80-C(2): 232-238.
Huang. Q.A.. Lee, N.K.S., 1999, «Analysis and design of polysilicon thermal flexure
actuator», Journal of Micromechanics and Microengineering 9: 64-70.
Ikeda, K., Kuwayama, H., Kobayashi, T., Watanabe. T., Nishikawa, T.. Yoshida.
T., Harada, K., 1990, «Silicon pressure sensor integrates resonant strain gauge on
diaphragm», Sensors and Actuators A: Physical 21-23: 146-150.
Ikuta. K., Hirowatari, K., 1993, «Real three dimensional microfabrication using stereo
lithography and metal molding», in Proceedings of IEEE MEMS ’93, IEEE. Wash-
ington, DC: 42-47.
Jennifer, M., Allen, M.G., 1999, «Wireless mieromaehined ceramic pressure sensors»,
Proceedings of the IEEE Micro Electro Mechanical S\siems (MEMS) (17-21 Jan)
511-516.
Jiang, X.N., Sun, C., Zhang, X., 1999, «Micro-stereolithography of 3D complex ce-
ramic microstruc-tures and PZT thiek films on Si substrate», ASME MEMS 1:
67-73.
Johnson, R.A., 1983, Mechanical Filters in Electronics. Wiley Interscience, New York.
Karl, W.J., Powell, A.L., Watts. R., Gibbs, M.R.J., Whitehouse, C R-, 2000, «А mi-
cromachiped magnetostrictive pressure sensor using magneto-optical interrogation»,
Sensors and Actuators A: Physical 81: 137-141.
Kondoh, J., Matsui, Y., Shiokawa, S., 1993, «New bio sensor using shear horizontal
surface acoustic wave device», Japanese Journal of Applied Physics 32: 2376-2379.
Kovaes. G.T.A., Maluf, N.I., Petersen, K.E., 1998, «Bulk micromachining of silicon»,
Proceedings of the IEEE 86(8): 1536-1551.
Ko, W.H., Suminto, J.T., Yeh, G.J., 1985, «Bonding techniques for microsensors»,
Studies in Electrical and Electronic Engineering 20: 41-61.
Lagorce, L.K., Allen, M.G., 1996, Microniachined Polymer Magnets, ISAE ’96: Pro-
ceedings of IEEE Microelectromechanieal Systems (MEMS). IEEE 85-90.
Глава 1. Микросистемы
Larson, L.E., 1999, «Microwave MEMS technology for next-generation wireless com-
munications-invited paper», in IEEE MTT-S International Symposium Digest, IEEE,
Washington. DC: 1073-1076.
Lee, K.H., Byun, H.J., Lee, H.K., Clio, I.J., Bu, J.U., Yoon, E., 2000, «An audio
frequency filter application of micromachined thermally-isolated diaphragm struc-
tures», in 13th Annual International Conference on Micro Electro Mechanical Sys-
tems MEMS 2000, IEEE, Washington, DC: 142-147.
Madden, J.D., Hunter. I.W., 1996, «Three-dimensional microfabrication by localized
electrochemical deposition», Journal of Microelectromechanical Systems 5(1): 24-
32.
Madou, M., 1997, Fundamentals of Microfahrication, CRC Press, Boca Raton, FL.
Mehregany, M., Zorman, C.A., Rajan. N., Wu. C.H., 1998, «Silicon carbide MEMS
for harsh environments», Proceedings of the IEEE 86(August): 1594-1610. 1
Middelhoek, S., Audet. S.A., 1989, Silicon Sensors, Academic Press, London.
Minami, K., Morishita, H., Esashi, M., 1999, «А bellows-shape electrostatic microac-
tuator», Sensors and Actuators A: Physical 723: 269-276.
Mohr, J., Bley, P., Burabaum, C., Menz, W., Wallarabe, U., 1991, Fabrication of
microsensor and microactuator elements by the LIGA process. Transducers ’91.
Proceedings of the International Conference Solid State Sens and Actuators. IEEE
Electron Dev Soc., pp. 607-609. J
Muralt, P., 2000, «PZT thin films for microsensors and actuators: where do we stand?», I
IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control 47: 903- j
915. I
Nakamura, N., Kazumi, M., Shimizu, H., 1977. «SH-type and Rayleigh type surface I
waves on rotated Y-cut LiTaO3», in Proceedings of IEEE Ultrasonics Symposium, ’
IEEE. Washington, DC: 819-822.
Ohta, A., Bhansali. S., Kishimoto, L, Umeda, A., 1998, «Development of TiNi shape
memory alloy film deposited by sputtering from separate Ti and Ni targets», Pro-
ceedings of SPIE 3512(September 21-22): 138-145.
Pan, L.W., Lin, L.W., Ni, J., 1999, «Cylindrical plastic lens array fabricated by a
micro intrusion process», in Proceedings of IEEE MEMS ’99, IEEE, Washington,
DC: 217-221.
Pelrine, R., Kornbluh, R. Joseph, J., Chiba, S., 1997, «Electrostriction of polymer films
for microactuators, in Proceedings of IEEE MEMS ’97, IEEE. Washington. DC:
238-243.
Pelrine, R.E., Kornbluh, R.D., Joseph, J.P., 1998, «Electrostriction of polymer di-
electrics with compliant electrodes as a means of actuation», Sensors and Actuators
A: Physical 64: 77-85.
Petersen, K.E., 1982, «Silicon as a mechanical material», Proceedings of IEEE 70:
420-457.
Pilgrim, S.M., 2000, «Electrostrictive ceramics for low-frequency active transducers»,
IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency control 47: 861-
876.
Rai-Choudhury. P., 1997, Handbook of Microlithography, Micromachining and Micro-
fabrication, Vol. 2: Micromachining and Microfabricaiion, SPIE Optical Engineer-
ing Press.
Riethmiiller, W., Benecke, W., 1988, Thermally excited silicon microactuators», IEEE j j
Transactions on Electron Devices 35: 758-763. 11
Romankiw, L.T., 1997, «А path: from electroplating through lithographic masks in !
electronics to LIGA in MEMS», Electroclumica Acta 42(20-22): 2985-3005.
Литература
Rossi, M, 1988, Acoustics and Electroacoustics. Artech House, Norwood, MA.
Ruiz, de Angulo. L., Ahell, J.S., Harris, I.R., 1996, «Magnetostrictive properties of
polymer bonded Terfenol-D», Journal of Magnetism and Magnetic Materials 157—
158(May): 508-509.
Ruprecht, R., Hanemann, T., Piotter, V., Husselt, J., 1998, «Polymer materials for
microsystem technologies», Microsystem Technologies 5: 44-48.
Schomburg, W.K., Ahrens. R., Bacher, W., Coll, C. Meinzer, S., Quinte, A., 1998,
«AMANDA — low-cost production of microiluidic devices», Sensors and Actuators
A: Physical 70: 153-158.
Seidel, H., 1990, IEEE Solid State sensors and Actuator Workshop, IEEE, Piscataway,
NJ, USA: pp. 86-91.
Shaw, K.W., Zhang, Z.E., MacDonald, N.C., 1994, «SCREAM: a single mask, single-
crystal silicon, reactive ion etching process for microelectromechanical structures»,
Sensors and Actuators A: Physical 40: 63-70.
Shiokawa, S., Moriizumi, T., 1987, «Design of SAW sensor in Liquid», Proceedings of
8th Symposium on Ultrasonic Electronics, Japan Society of Applied Physics. Tokyo.
Stix, G., 1992, «Trends in micromechanics: micron machinations», Scientific Ameri-
can, (November): 72-80.
Takagi, T., Nakajima6 N., 1993, «Photoforming applied to fine machining», in Pro-
ceedings of IEEE MEMS '93, IEEE, Washington. DC: 173-178.
Takagi, T., Nakajima, N., 1994, «Architecture combination by micro photoforming
process», in Proceedings of IEEE MEMS ’94- IEEE. Washington. DC: 211-216.
Tani, J., Esashi, M., (eds), 1995, Proceednigs of the International Symposium on Mi-
crosystems, Intelligent Materials and Robots Tohoku University, Katahira, Sendai,
Japan.
Taylor, C.S., Cherkas, P., Hampton, H., Frantzen, J.J., Shah, B.O., Tiffany, W.B.,
Nanis, L., Booker, P., Salahieh, A., Hanson, R., 1994, «А spatial forming — a
three dimensional printing process», in Proceedings of IEEE MEMS ’94, IEEE,
Washington, DC: 203-208.
Thornell, G., Johansson, S., 1998, «Microprocessing at the fingertips», Journal of
Microniechanics and Microengineering 8: 251-262.
Tilmans, H.A.C., 1996, «Equivalent circuit representation of electromechanical trans-
ducers: I. Lumped parameter systems», Journal of Micromechanics and Microengi-
neering 6: 157-176.
Varadan, V.K., (ed.), 1995, Smart Electronics, SPIE Proceedings 2448, SPIE, Belling-
ham, WA.
V aradan, V.K. Varadan, V.V., 1995, «3D MEMS structures and their applications», in
Proceedings of the Internationcd Symposium on Microsystems, Intelligent Materials
and Robots, Tohoku University, Katahira. Sendai. Japan.
V aradan-, VtK., Jiang, X., Varadan, V.V., 2001, Microstereolithography and other fab-
rication techniques for 3D MEMS, John Wiley, Chichester.
V aradan, V.K., Varadan, V.V., 1996, «IDT. SAW and MEMS sensors for measuring
deflection, acceleration and ice detection of aircraft», SPIE 3046: 209-219.
V aradan, V.K., Varadan. V.V., 1996, Three dimensional polymeric and ceramic MEMS
and their applications», in Proceedings of SPIE 2722: 156-164.
V aradan, V.K., Varadan, V.V., 1997, «Microsensors, actuators, MEMS, and electron-
ics for smart structures», in Rai-Choudhury. P. (ed.) Handbook of Microlithography,
Micromachining, and Microfabrication. Volume 2: Micromachining and Microfab-
rication, SPIE Optical Engineering Press: 617-688.
Глава 1. Микросистемы
Witte, М., Gu, Н., 1992, «Force and position sensing resistors: an emerging technol-
ogy>>, in Proceedings of the International Conference on New Actuators, Bremen,
VDI/VDE-Technologiezentrum Informationstechnik, Berlin. Germany: 168-170.
Wood, D., Burdess, J.S., Harris, A.J., 1996, «Actuators and their mechanisms in
microengineering», in Proceedings of the IEEE Colloquium on Actuator Technology:
Current Practice and New Developments 1996 110: 7/1-7/3.
Wu, H.D., Harsh, K.F., Irwin, R.S., Zhang, W., Michelson, A.R. and Lee, Y.C., 1998,
«MEMS designed for tunable capacitors», in IEEE MTTS Symposium Digest IEEE,
Washington, DC: 129-130.
Xia, Y., Whitesides, G.M., 1998, «Soft lithography», Angew. Chem. International Ed,
37: 550-575.
Zhang, X., Jiang, X.N., Sun. C., 1999, «Micro-stereolithography of polymeric and
ceramic micro-structures», Sensors and Actuators A: Physical 77(2): 149-156.
* >
/l::v ж
ГЛАВА 2 ’
>ц^ '':‘Т ’> - >я
1 ' 3 ••' лр./ ' .р
.ov. > н к ‘ ’•• , i
’ И 5.‘ , к! i _ '< '
МАТЕРИАЛЫ
И МЕТОДЫ
ИЗГОТОВЛЕНИЯ
МИКРОСИСТЕМ
Материалы, используемые в микросистемах, можно разделить на
пять групп: металлы, полупроводники, керамика, полимеры и ком-
позиты. В этой главе сначала приводятся свойства каждой группы
материалов, а потом обсуждаются способы работы с ними.
2.1. Металлы
Большинство металлов являются хорошими проводниками тепла и
электричества. Они довольно твердые при комнатной температуре
и сохраняют свою прочность как при комнатной, так и повышен-
ной температурах. В таблице 2.1 приведены данные о структуре
кристаллов и характеристиках атомов 12 выбранных металлов. Как
видно из таблицы, любой металл имеет один из трех основных типов
кристаллических решеток.
Металлизация — процесс нанесения металлического слоя на по-
верхность подложки. Металлические пленки используются для вну-
тренних соединений, омических контактов и т. д. Основным спосо-
бом нанесения пленок из металла является вакуумная металлизация,
которая может быть выполнена методами термовакуумного напы-
ления и ионного распыления.
2.1.1. Термовакуумное напыление
На рис. 2.1 показано, как при помощи нагревателя можно нанести
на подложку тонкую металлическую пленку. Система напыления со-
стоит из вакуумной камеры, насоса, держателя подложки, тигля и
заслонки. Кусок металла, который необходимо распылить, помеща-
ется в инертный тигель, после чего камера вакуумируется до давле-
ния 10-6... 10-7 Торр. По достижении требуемого уровня вакуума
тигель начинают нагревать либо при помощи вольфрамовой нити
Глава 2. Материалы и методы изготовления микросистем
накала, либо электронным лучом. Металл из тигеля испаряется и
конденсируется на холодном образце. Толщина напыленной пленки
определяется интервалом времени, в течение которого была откры-
та заслонка, и может быть измерена при помощи QMB-монитора.
Скорость напыления зависит от давления паров металла. Поэтому
металлы с низкой температурой плавления Ттр, например, алюми-
ний (Ттр = 660°C), напыляются довольно легко, в то время как
тугоплавкие металлы, например, вольфрам (Ттр = 3422 °C), тре-
буют более высоких температур, что может привести к поврежде-
нию полимерных и пластиковых элементов. Большинство напылен-
ных пленок имеет сильно неупорядочненную структуру и высокое
остаточное напряжение. По этой причине обычно напыляют только
тонкие слои металлов. Процесс металлизации довольно медленный,
его скорость составляет порядка нескольких нанометров в секунду.
Таблица 2.1. Характеристики атомов и кристаллических структур неко-
торых металлов
Атомное число, Z Обозначение Атомный радиус (A) Структура решетки Межатомное ° расстояние (A)
13 А1 1.43 FCC 2.86
22 Ti 1.47 НСР 2.90
24 Сг 1.25 1.36 ВСС(а) НСР(/3) 2.49 2.71
26 Fe 1.24 1.26 ВСС(а) FCC(7) 2.48 2.52
27 Со 1.25 1.26 НСР(а) FCC(/3) 2.49 2.51
28 Ni 1.25 1.25 НСР(а) FCCQ3) 2.49 2.49
29 Си 1.28 FCC 2.55
30 Zn 1.33 НСР 2.66
47 Ag 1.44 FCC 2.97
78 Pt 1.38 FCC 2.77
,79 • Au 1.44 FCC 2.88
82 Pb 1.75 FCC 3.49
FCC — гранецентрированная кубическая решетка, ВСС — центрированная
по основанию кубическая решетка, НСР — гексагональная плотноупакованная
решетка
2.1.2. Ионное распыление
Ионное распыление состоит из двух процессов: ускорения ионов при
помощи разности потенциалов и бомбардировки ими мишени или
2.1. Металлы
катода. При столкновении ускоренных ионов с атомами металли-
ческой мишени происходит передача кинетической энергии, позво-
ляющей им оторваться от поверхности и в виде паров долететь до
подложки. В результате этого на поверхности подложки формиру-
На рис. 2.2 показана схема системы для ионного распыления. Она
состоит из вакуумной камеры, мишени из металла для распыления,
держателя образца и высоковольтного источника питания (посто-
янного напряжения или высокочастотного). После вакуумирования
до давления 10“6-10“8 Торр камера заполняется инертным газом,
например, гелием. По достижении в камере давления в несколько
мТорр плазма инертного газа подогревается, и быстрые ионы начи-
нают бомбардировать поверхность мишени. Энергии бомбардирую-
щих ионов кэВ) достаточно для того, чтобы заставить отдельные
атомы мишени оторваться от поверхности. Некоторые из этих ато-
мов долетают до поверхности подложки, формируя на ней тонкий
слои. Такое покрытие обладает большей равномерностью, чем на-
несенное методом термовакуумного напыления. При этом здесь нет
таких строгих температурных ограничений.
Глава 2. Материалы и методы изготовления микросистем
е_ первичный
электрон
ускоренный
ион
напыляемый
атом
Методом ионного распыле-
ния можно формировать плен-
ки практически из любых эле-
ментов таблицы Менделеева, а
также из органических и неор-
ганических смесей. Этим мето-
дом несложно напылять пленки
из тугоплавких материалов, но
в то же время здесь существуют
проблемы при распылении ве-
ществ с высокой температурой
кипения. При использовании не-
скольких мишеней процесс на-
пыления необходимо проводить
одновременно. В этом случае
это уже будет метод совместно-
го напыления.
Рис. 2.2. Схема процесса металлизации Структура большинства на-
методом ионного распыления несенных покрытий является
аморфной, и их механические
свойства зависят от условий напыления. Попадание атомов инертно-
го газа в напыленный слой нарушает его механические и структур-
ные характеристики. Поэтому качество и свойства тонких пленок,
нанесенных методом ионного напыления, определяются точностью
соблюдения технологических условий.
2.2. Полупроводники ;
2.2.1. Электрические и химические свойства
Большинство полупроводников являются неорганическими матери-
алами, полученными на основе элементов четвертой группы перио-
дической таблицы. Кремний — главный среди всех этих элементов,
поскольку при определенных условиях может менять свои электри-
ческие, механические и оптические свойства. С начала семидесятых
годов двадцатого века и до настоящего времени кремний все боль-
ше расширяет области своего применения в твердотельной технике
и микроэлектронике. В четвертой группе периодической таблицы
есть еще два широко используемых элемента — германий и угле-
род. Полупроводниковые материалы могут также состоять из ком-
бинации элементов либо третьей и пятой, либо второй и шестой
2.2. Полупроводники
групп. Примерами таких материалов являются арсенид галлия и
теллурид цинка. Такие материалы называются полупроводниками
потому, что при определенных температурных режимах они явля-
ются хорошими электрическими проводниками, а в других условиях
они ведут себя как диэлектрики.
Полупроводниковые кристаллы могут состоять либо из одина-
ковых элементов, либо быть составными композициями. Первые на-
зываются одноэлементными полупроводниками, их можно найти в
четвертой группе периодической системы (например, кремний и
германий). Другие получили название сложных полупроводников,
и, как упоминалось выше, они представляют собой смеси элементов
либо третьей и пятой групп, либо второй и шестой. В таблице 2.2
приведены характеристики некоторых одноэлементных и сложных
полупроводников.
Таблица 2.2. Структура и характеристика решеток некоторых полупро-
водников. Постоянные решеток и ширина запрещенных зон
приведены для температуры 27 °C
Материал Структура решетки* Постоянная решетки, А Ширина запрещен- ной зоны, эВ
Ge Алмазоподобная структура 5.66 0.66
Si Алмазоподобная структура 5.43 1.12
GaAs Сфалеритовая структура 5.64 1.44
GaSb Сфалеритовая структура 6.12 0.78
InSb Сфалеритовая структура 6.46 0.18
InAs Сфалеритовая структура 6.04 0.33
InP Сфалеритовая структура 5.86 1.25
PbSe Сфалеритовая структура 6.14 0.27
PbTe Сфалеритовая структура 6.34 0.30
*Более точная классификация структур использует алфавитную систему, напри-
мер, АЗ означает ромбовидную структуру
Среди одноэлементных полупроводников кремний, без сомнения,
является самым широко используемым материалом. Кремний — са-
мый важный материал при производстве почти всех микроэлектрон-
ных устройств и интегральных схем. На методах, построенных на
использовании кремния, основаны многие нанотехнологии, в том чи-
сле и технологии изготовления микросистем. По этой причине в дан-
ной книге основные свойства полупроводниковых материалов бу-
дут рассматриваться на примере кремния. В таблице 2.3 приведены
основные механические, электрические и термические свойства мо-
нокристалического кремния. Среди сложных полупроводников наи-
Глава 2. Материалы и методы изготовления микросистем
более распространенным является GaAs. На его основе реализованы
многие оптические и быстродействующие приборы.
Таблица 2.3. Электрические, механические и термические свойства моно-
кристалического кремния
Свойство Значение
Электрические свойства:
Удельное сопротивление (Ом*см)
(с добавлением Р) 1-50
(с добавлением Sb) 0.005-10
(с добавлением В) 0.005-50
Время жизни неосновных носителей, нс 30-300
Механические свойства:
Напряжение текучести (Н/м2) 7 х 10®
Модуль Юнга (Н/м2) 1.9 х 1011
Плотность (г/см3) 2.3
Смещение кристаллической структуры (см~2) < 5000
Термические свойства:
Теплопроводность (Вт/см/°C) 1.57
Тепловое расширение (°C-1) 2.33 х 10"6
Многие полупроводники, включая кремний и GaAs, имеют ку-
бическую структуру кристаллов. Алмаз можно рассматривать как
полупроводник с большой шириной запрещенной зоны (~ 6 эВ) и
со структурой, состоящей из двух вложенных гранецентрирован-
ных кубических конструкций, межатомные расстояния в которых
не совпадают. В сложных полупроводниках, таких как GaAs, одна
из конструкций состоит полностью из атомов галлия, а вторая —
из атомов мышьяка. Такая кристаллическая структура называется
сфалеритовой структурой. В алмазоподобной решетке каждый атом
имеет четыре ближайших соседа. И в одноэлементных, и в сложных
полупроводниках на один атом, как правило, приходится по четы-
ре валентных электрона. Каждый атом удерживается в кристалле
четырьмя ковалентными связями, где в каждой связи участвуют по
два электрона. В идеальных полупроводниках при температуре аб-
солютного нуля нет недостатка в электронах, и их количества хва-
тает, чтобы заполнить внутренние атомные оболочки и ковалент-
ные связи. При температурах выше температуры абсолютного нуля
энергия некоторых электронов увеличивается и становится доста-
точной для разрыва ковалентных связей. Таким образом в системе
появляются свободные электроны. Именно эти свободные электро-
ны и обеспечивают электропроводность полупроводниковых кри-
2.2. Полупроводники
сталлов. В таблице 2.3 приведены некоторые физические свойства
монокристаллического кремния.
Если в полупроводник вводится некоторое количество примесей,
такой полупроводник называют легированным. Предположим, что
в кристалле кремния один из атомов кремния заменен на атом фос-
фора - элемента из пятой группы периодической таблицы. Фосфор
имеет пять валентных электронов, в то время как у кремния их
только четыре. Атом фосфора распределяет четыре своих электро-
на по ковалентным связям с четырьмя соседними атомами кремния.
Оставшийся пятый валентный электрон становится свободным, ио-
низируя при этом атом фосфора. Энергию ионизации Ed, требу-
ющуюся для внедрения атома примеси массой т в кристалл полу-
проводника, можно оценить, используя одноэлектронную модель, по
формуле:
(2.1)
..... •' \£г/ \т J
где £о — диэлектрическая проницаемость свободного пространства,
£г — диэлектрическая проницаемость полупроводника, т* — эф-
фективная масса полупроводникового материала, а Еп — орбиталь-
ная энергия донорного электрона. Освободившиеся электроны так-
же будут обеспечивать электропроводность полупроводника. По-
скольку атом фосфора отдает свободный электрон в кристалли-
ческую систему, он называется донором. Все пяти валентные эле-
менты (из пятой группы периодической таблицы) при присоедине-
нии к кристаллу кремния ведут себя аналогичным образом. Одна-
ко для каждого элемента количество требуемой энергии Ed будет
различным. Все атомы элементов из пятой группы периодической
таблицы, замещая атом-хозяин в кристалле одноэлементного полу-
проводника, принадлежащего четвертой группе, отдают электро-
ны. Поэтому элементы пятой группы, такие как фосфор и мышьяк,
называются донорами, а легированные полупроводники относятся
к классу полупроводников с примесями. Соответственно, полупро-
водникй без примесей относятся к классу беспримесных (чистых)
полупроводников.
Теперь представим себе ситуацию, когда в кремниевую кристал-
лическую структуру вводится большая концентрация атомов фос-
фора, например, ~ 1015 см-3. При комнатной температуре и неболь-
шой приложенной энергии каждый атом фосфора отдаст в кристал-
лическую структуру по одному электрону, в результате чего в зоне
проводимости концентрация электронов станет порядка 1015 см'3.
Глава 2. Материалы и методы изготовления микросистем
Это значительно больше концентрации свободных электронов в бес-
примесных полупроводниках при комнатной температуре, которая
равна ~ 1О10 см-3. Таким образом, при введении такой концентра-
ции примесей, концентрация свободных электронов увеличится на
пять порядков. Отметим, что в полупроводнике в одном кубическом
сантиметре находится порядка 1022 1023 атомов кремния, поэтому
введение примесей в концентрации 1015 см“3 приведет к тому, что
каждый из 107-108 атомов кремния будет заменен на атом фосфора.
Очевидно, что такой уровень легирования не вызывает значитель-
ного изменения кристаллической структуры, но сильно увеличивает
концентрацию свободных электронов. Также отметим, что в крем-
нии, легированном фосфором, электропроводность обеспечивается
за счет электронов. Такие примесные полупроводники (четвертой
группы) называются полупроводниками n-типа или кремнием п-
типа. Термин n-тип означает, что заряд в данном материале пере-
носится отрицательно заряженными электронами. Рассмотренный
вариант легирования кремния атомами фосфора не является един-
ственным. Аналогичным образом могут легироваться практически
все одноэлементные полупроводники при помощи элементов более
высоких групп. В таблице 2.4 приведены значения энергий иони-
зации Ed для некоторых доноров электронов в кремний из пятой
группы периодической таблицы, а также для нескольких акцепто-
ров (см. ниже).
Теперь рассмотрим ситуацию легирования полупроводника че-
твертой группы атомами из третьей группы периодической систе-
мы (т. е. атомами, имеющими только три валентных электрона).
Для большей определенности возьмем пример легирования кремния
атомами бора. В результате такого легирования при замене атома
кремния на атом бора в кристаллической структуре появится сво-
бодная дырка (недостаток одного электрона в ковалентной связи).
Процесс формирования дырки следующий: поскольку бор имеет три
валентных электрона, он образует ковалентные связи с тремя сосед-
ними атомами кремния, а у четвертого ближайшего атома кремния
одна из четырех ковалентных связей останется не использованной,
т. к. в системе бор-четыре атома кремния не хватает одного элек-
трона. Этот недостающий электрон возможно будет взят из кова-
лентной связи соседней пары атомов кремния, но при этом недо-
статок электрона (дырка) образуется уже там. В результате вве-
дения бора в кремний в его кристаллической структуре неизбежно
появляются свободные дырки. Такой тип примесных полупроводни-
ков получил название полупроводников p-типа или кремния р-типа.
2.2.
Термин p-тип означает, что электропроводность в таких полупро-
водниках реализуется за счет положительно заряженных свободных
дырок. В таблице 2.4 приведены наиболее распространенные атомы-
акцепторы для кремния.
Таблица 2.4. Наиболее распространенные атомы доноров и акцепторов для
кремния
Атом Атомное число Тип Энергия ионизации, эВ
Бор 5 Акцептор 0.045
Алюминий 13 Акцептор 0.057
Фосфор 15 Донор 0.044
Галлий 31 Акцептор 0.065
Мышьяк 33 Донор 0.049
Индий 49 Акцептор 0.16
Сурьма 51 Донор 0.039
Диффузия и имплантация ионов являются двумя основными про-
цессами, используемыми для управляемого введения примесей в по-
лупроводники. Эти процессы применяются при выборочном леги-
ровании подложки полупроводника для формирования областей п-
типа или р-типа.
2.2.2. Выращивание и осаждение
Способы выращивания полупроводников рассмотрим на примере
выращивания кремния, поскольку он является наиболее использу-
емым материалом в микроэлектронике и при производстве микро-
систем.
2.2.2.1. Выращивание кристаллов кремния из расплава
Основным способом выращивания кристаллов кремния из расплава
является метод Чохральского. По этому методу чистый кварцевый
песок (SiO2) помещается в печь, где уже находятся углеродосодер-
жащие материалы, такие как уголь и кокс. В печи протекают не-
сколько типов реакций, но для нас важна следующая:
SiC + SiO2 Si + SiO (газ) + СО (газ). (2.2)
Кремний, полученный таким образом, называется кремнием метал-
лургического качества (MGS). Он содержит не более 2% примесей.
Далее кремний обрабатывается при помощи хлористой кислоты для
получения трихлорсилана:
Si + ЗНС1—>SiHCl3 (газ) + Н2 (газ). (2.3)
Глава 2. Материалы и методы изготовления микросистем
При комнатной температуре трихлорсилан является жидкостью. Фрак-
ционная перегонка позволяет очистить трихлорсилан от примесей.
После чего очищенный S1HCI3 помещается в водородную среду, где
превращается в кремний электронного качества (EGS): .
' SiHCl3 + H2^Si + 3HCL (2.4)
EGS — это полшсристаллический кремний очень высокой чистоты,
используемый для производства высококачественных подложек.
Рис. 2.3. Аппарат Чох-
ральского для выращи-
вания кристаллов
В методе Чохральского используется аппарат, схематично пока-
занный на рис. 2.3. Этот аппарат состоит из трех основных частей:
- Печи, в которую входит тигель для расплавленйя SiO2, графи-
тового держателя, вращательного механизма, нагревающего
элемента и источника питания
- Механизма вытягивания кристалла, включающего в себя стер-
жень с затравкой и устройство для его вращения
- Устройства для управления составом атмосферы, состоящего
из источника газа (обычно инертного), системы управления
потоками и выхлопом.
2.2. Полупроводники
При выращивании кристаллов в тигель помещается EGS и печь на-
гревается выше температуры плавления кремния. В этот расплав
опускается затравочный монокристалл кремния высокого качества
и соответствующей ориентации (например, 100). При этом и затра-
вочный кристалл, и тигель вращаются, но в противоположных на-
правлениях. В начале процесса роста часть затравочного кристалла
расплавляется, затем происходит постепенное вытягивание стерж-
ня с затравкой из расплава. При быстром охлаждении на границе
раздела твердое состояние-расплав происходит формирование боль-
шого монокристалла кремния. Обычная скорость вытягивания кри-
сталла составляет несколько миллиметров в минуту.
Рис. 2.4. Ориентация кристалла и тип примеси
После того как процесс выращивания закончен, от монокристал-
ла отделяют затравочную и хвостовую часть. Затем обрабатыва-
ется его боковая поверхность для получения требуемой толщины.
Далее происходит шлифовка одного или нескольких базовых сре-
зов вдоль всей длины полученного кристалла. Эти срезы помогают
определить ориентацию кристаллов и тип проводимости материала
(рис. 2.4). И, наконец, кристалл разрезается алмазными пилами на
пластины. Готовые пластины характеризуются четырьмя параме-
трами: ориентацией поверхности, толщиной, конусностью (измене-
нием толщины пластины от одного конца до другого) и наклоном
и методы изготовления микросистем
(кривизной пластины, измеряемой от центра к краям). Типовые ха-
рактеристики кремниевых пластин приведены в таблице 2.5.
Таблица 2.5. Характеристики кремниевых пластин
Параметр Диаметр, мм
100 125 150
Толщина, мм 0.50-0.55 0.60-0.65 0.65-0.7
Длина основного среза, мм 30-35 40-45 55-60
Длина дополнительного среза, мм 16-20 25-30 35-40
Наклон, мм 60 70 60
Р^ное изменение толщины, мкм 50 65 50
Ориентация поверхности 100 или 111 100 или 111 100 или 111
2.2.2.2. Эпитаксиальное выращивание
Метод получения слоя кремния на подложке известен под названием
эпитаксиального выращивания. Здесь в качестве затравки кристал-
лов Используется сама пластина. Этот метод отличается от преды-
дущего тем, что процесс выращивания эпитаксиального слоя про-
исходи при температурах, гораздо меньших точки плавления. На
практике для получения кремниевых слоев чаще других применяет-
ся Метод эпитаксиального выращивания из газообразной фазы (ГЭ).
Схематично установка для ГЭ показана на рис. 2.5. Здесь пока-
зан горизонтальный держатель пластины, выполненный из графи-
TOBbix модулей. При протекании химических реакций этот держа-
тель играет роль индукционного нагревателя и источника тепловой
энергии.
Рис. 2.5. Получение кремниевых слоев методом эпитаксиального выращи-
вания из газовой фазы
Обычно используются несколько источников кремния: тетрахло-
1,ил кремния (SiCLt), дихлорсилан (S1H2CI2), трихлорсилан (8ШС1з)
2.3. Тонкие пленки и
и силан (SiH.4). Типичная температура для протекания реакции с
участием тетрахлорида кремния составляет порядка 1200 °C. В этом
случае процесс получения кремния происходит в соответствии со
следующей химической реакцией:
SiCU (газ) + 2Нг (газ)—+ Si (твердый) + 4НС1 (газ). (2.5)
Одновременно протекает и другая реакция:
SiCU (газ) + Si (твердый)—>2SiC12 (газ).
(2-6)
При первой реакции кремний наносится на пластину, а по второй
удаляется с нее. Следовательно, при чрезмерной концентрации SiC14
преобладает второй процесс и нанесения слоя кремния не происходит.
Альтернативным методом выращивания слоев кремния является
молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ), которая проводится в усло-
виях глубокого вакуума (~ 1О-10 Торр) и заключается во взаимо-
действии между горячим пучком атомов кремния и монокристал-
лической подложкой. Здесь возможен точный контроль, как за хи-
мическим составом, так и за чистотой профилей. Методом МЛЭ
можно получить многослойную структуру, состоящую из монокри-
сталлических пленок толщиной, сопоставимой с размером атома.
2.3. Тонкие пленки и методы их осаждения
При изготовлении микросистем используются разные виды тон-
ких пленок. Перечислим четыре основных класса материалов, при-
меняемых в микросистемах в виде тонких пленок:
- оксид кремния,
- диэлектрики,
- поликристаллический кремний,
- металлы (в основном алюминий),
- ферроэлектрики.
Диэлектриками считаются пленки из осажденного диоксида крем-
ния (который иногда относят к оксидам) и нитрида кремния. Они
используются в качестве изоляторов между проводящими слоями,
масок при распылении и имплантации ионов и для защиты микро-
систем от загрязнений, влаги и царапин. Поликремний применяется
Для построения электрода затвора в МОП транзисторах (МОП —
металл-оксид-полупроводник), а также как проводящий материал
Ж.
им»
^^авкаа
для многоуровневой металлизации и как материал для контактов в
приборах с поверхностными переходами. Металлические пленки ис-
пользуются для низкоомных соединений как в высоколегированных
п+Д»+-зонах, так и в поликремниевых слоях, а также для реали-
зации выпрямляющих (не омических) контактов в парах металл -
полупроводник.
Как это будет видно из последующих разделов, все эти матери-
алы играют огромную роль при изготовлении микросистем. Поэто-
му далее будут описаны методы выращивания диоксида кремния и
нанесения тонких слоев из диэлектрических, поликристаллических,
металлических и ферроэлектрических материалов.
2.3.1. Формирование оксидных пленок методом
термоокисления
Рис. 2.6. Установка для
термоокисления кремние-
Ог
Термоокисление — это метод выращивания тонких пленок на по-
верхности кремниевой пластины. Это ключевой метод получения
тонких слоев из SiC>2, применяемый в современных технологиях из-
готовления интегральных схем. На рис. 2.6 показана'схема установ-
ки термоокисления. Она состоит из печи с резистивным нагревате-
лем, цилиндрической кварцевой трубки, в которой находятся крем-
ниевые пластины, вертикально вставленные в щели кварцевого дер-
жателя, и источника либо чистого сухого кислорода, либо чисто-
го водяного пара. Конец вводной трубки входит в вертикальный
колпак, где происходит фильтрация потока воздуха. Этот колпак
уменьшает содержание пыли в воздухе вокруг кремниевых пластин
и минимизирует загрязнение в течение всего процесса термоокисления.
2.3. Тонкие пленки и методы их
Термоокисление кремния в кислороде или водяном паре может
быть описано следующими химическими реакциями:
Si (твердый) + 02(газ) —° 1200 с> SiC>2 (твердый), (2.7)
Si (твердый) + 2Н2О(газ) 9-— 1200 C>SiC>2 (твердый) + 2Н2(газ).
(2-8)
Используя значения плотностей и молекулярных весов кремния и
диоксида кремния, можно показать, что для получения пленки ок-
сида толщиной х необходимо окислить слой кремния, равный 0.44ж.
2.3.2. Осаждение диоксида и нитрида кремния
Для формирования тонкопленочных структур на подложке широко
используются три метода осаждения. Все эти методы основаны на
химическом осаждении из газовой фазы, перечислим их:
- химическое осаждение из газовой фазы при атмосферном да-
влении,
-f - химическое осаждение из газовой фазы при низком давлении,
*' - плазменное химическое осаждение из газовой фазы.
Самым современным является третий метод. При выборе метода
осаждения учитывают следующие данные: температуру подложки,
скорость осаждения, однородность пленки, морфологические харак-
теристики, электрические и механические свойства и химический
состав диэлектрических пленок.
Схема типовой установки для химического осаждения из газо-
вой фазы показана на рис. 2.7. Здесь не отражено, как через вход-
ную трубку подаются различные газы. На рис. 2.7 а представлена
установка для химического осаждения при низком давлении, а на
рис. 2.76 — установка для плазменного химического осаждения. На
рис. 2.7 а кварцевая трубка нагревается при помощи трехзонной пе-
чи, на одном конце реактора через входную трубку газ вводится,
а на противоположном конце — откачивается при помощи насоса.
Пластины подложки установлены вертикально в щелевом держате-
ле. Реактор, показанный на рис. 2.7 а, относится к реакторам хими-
ческого осаждения с горячими стенками, поскольку стенки квар-
цевой трубки всегда горячие из-за соседства с печью. Существуют
также реакторы с холодными стенками, например, горизонтальный
эпитаксиальный реактор, который для нагрева использует ВЧ ге-
нератор. Приведем типовые технологические параметры для уста-
новки химического осаждения при низких давлениях:
104 Глава 2. Материалы и методы изготовления микросистем
- давление 0.2... 2.0 Торр,
- поток газов 1. ..10см3/с, > '*'• >
- температура 300... 900 °C. ;
На рис. 2.7 б показан реактор для плазменного осаждения тонких
пленок с параллельным расположением подложек и радиальным рас-
пределением газовых потоков. Его основным компонентом является
вакуумная цилиндрическая стеклянная камера. В эту камеру вмон-
тированы два параллельных алюминиевых электрода, на верхний
из которых подают ВЧ напряжение, а нижний при этом заземляют.
Приложенное ВЧ напряжение приводит к возникновению плазмен-
ного разряда между двумя электродами. Подложки размещаются на
нижнем электроде, который подогревается при помощи резистивно-
го нагревателя до температуры 100. ..400°C. Газовый поток про-
ходит через зону плазменного разряда над нижним электродом в
радиальных направлениях. Обычно газ вводят через центральную
часть камеры, а выводят через ее крайние области, хотя бывает и
наоборот.
Химическое осаждение в газовой фазе широко применяется для
получения тонких пленок из диоксида кремния (SiO2), нитрида крем-
ния (813X4) и полисиликона. Но пленки из SiOs, полученные методом
химического осаждения, не всегда могут заменить пленки, выра-
щенные термическим способом, поскольку последние обладают бо-
лее хорошими электрическими и механическими свойствами. Окси-
ды, осажденные в газовой фазе, иногда используются совместно с
термическими оксидами, и во многих случаях этот способ приме-
няется для относительно быстрого формирования достаточно тол-
стых оксидных слоев, что невозможно сделать термическим спосо-
бом. Пленки из SiO2 могут быть осаждены несколькими способами.
Они могут быть получены в результате реакции между силаном и
кислородом, протекающей при температуре 300... 500 °C, в реакто-
ре для химического осаждения при низком давлении:
SiH4 + О2—^SiO2 + 2Н2. (2.9)
Пленки из диоксида кремния также формируются при разложении
тетраэтилортосиликата — Si(OC2H5)4. Этот компонент, имеющий
аббревиатуру TEOS, испаряется из жидкой фазы. Альтернативный
способ получения диоксида кремния.заключен в следующей химиче-
ской реакции:
SiCl2H2 + 2Н2О^Я81О2 + 2Н2 + 2НС1. (2.10)
2.3. Тонкие пленки и методы их осаждения
ввод газов
(б)
Рис. 2.7. а — реактор установки химического осаждения из газовой фазы,
б — два вида реакторов плазменного осаждения из газовой фазы
106 Глава 2. Материалы и методы изготовления микросистем
Аналогичным образом можно формировать пленки из Si3N4 при
средних температурах в установке химического осаждения на низ-
ких давлениях и при низких температурах методом плазменного
осаждения. Чаще всего пленки из нитрида кремния получают в уста-
новке первого типа при протекании следующей реакции:
3SiCl2H2 + 4NH3 -°-C>Si3N4 + 6Н2 + 6НС1. (2.11)
2.3.3. Осаждение поликристаллического кремния
В микросистемах поликремний используется не только в качестве
структурного материала, но и в зависимости от введенных приме-
сей для формирования электродов, проводников и резисторов боль-
ших номиналов. Для осаждения пленок из поликремния можно ис-
пользовать реакцию пиролиза силана, протекающую при темпера-
туре 600... 650 °C и при низком давлении в реакторе, показанном на
рис. 2.7 а:
SiH4^£»Si + 2H2. (2.12)
На практике процесс осаждения поликремния проводят при давле-
нии 0.2... 1.0 Торр, поскольку при таких условиях используется 100%
силана. Возможно также осаждение пленок поликремния из 20... 30%
смеси силана в азоте.
2.3.4. Ферроэлектрические тонкие пленки
В последние годы были разработаны новые типы микродатчиков
и приводов на основе тонких ферроэлектричеких пленок, облада-
ющих пироэлектрическими, пьезоэлектрическими и электрооптиче-
скими свойствами. Ферроэлектрическими материалами могут быть
и оксиды, и бескислородные соединения, выбор материала всегда за-
висит от конкретного применения. Но в этой книге будут, в основ-
ном, рассматриваться случаи использования в микросистемах фер-
роэлектрических оксидов. Одним из распространенных материалов,
применяемых в виде тонких пленок при построении СВЧ компонен-
тов и ВЧ микросистем, является двойная соль титанат стронция
бария (BST), обладающая низкими потерями.
Благодаря своей высокой диэлектрической проницаемости, В ST
используется при изготовлении конденсаторов полосовых фильтров,
динамических ОЗУ, фазовращателей в адаптивных антеннах и си-
стемах связи. Диэлектрическая проницаемость материалов на осно-
2.3. Тонкие пленки и методы их осаждения I
ве BST при комнатной температуре может составлять 2500. Для воз-
можности применения в микросистемах такие материалы должны
также обладать низким значением тангенса угла потерь. Тангенс
угла потерь BST может быть уменьшен до 0.005 при добавлении в
него небольшого количества (1-4%) Fe, Ni или Мп (Varadan, Тео,
2001а, 2001b, Varadan, Selmi, Varadan, 1996).
Материалы на основе (Ba-Sr)TiO3, (Pb-Sr)TiO3 и (Pb-Ca)TiO3 и
подобные титанаты, для которых температура Кюри близка к ком-
натной, подходят для изготовления микрофазовращателей. В таких
фазовращателях фазовый угол зависит от значения диэлектриче-
ской проницаемости, которая определяется величиной смещения по-
стоянного напряжения. В диапазоне частот 400 МГц... 26 ГГц ме-
нять значения фаз можно при помощи сосредодоченного BST кон-
денсатора в коаксиальной или полосковой линии, управляемого по-
стоянным напряжением (Varadan et al, 1992).
Тонкие ферроэлектрические пленки из BST обычно изготавли-
вают традиционными методами, такими как напыление (Won et al,
1995), лазерное распыление (Li et al, 1998), химическое осаждение
из газовой фазы (Levin, Leapman, Kaiser, 1998), гидротермические
способы (McCormick, Roeder, Slamovich, 2001) и т. д. Хотя метод на-
пыления и применяется для получения тонких пленок, у него есть се-
рьезный недостаток, связанный с разностью электрических потен-
циалов, возникающей при бомбардировке нейтральной пленки отри-
цательно заряженными ионами. Для BST эта разность потенциалов
может привести к нарушению стехиометрии пленок и ухудшению
их электромеханических свойств. Последние исследования, прове-
денные Cukauskas, Kirchoefer и Pond (2000), показали что наибо-
лее подходящим методом получения тонких пленок из BST является
напыление при помощи обращенного цилиндрического магнетрона
(ОЦМ). Эта технология рассматривается в следующем разделе.
2.3.4-1. ВЧ напыление при помощи обращенного
цилиндрического магнетрона
На рис. 2.8 показана пушка для ионного напыления, построенная на
основе ОЦМ (Cukauskas, Kirchoefer, Pond, 2000). Она состоит из мед-
ного катода, охлаждаемого водой, помещенного в полый цилиндр
из В ST, вокруг которого расположен кольцевой магнит. Под ним
вмонтирован экран, выполненный из нержавеющей стали, для за-
щиты магнита от теплового излучения, идущего от нагревательно-
го устройства. Анод углублен внутрь полости вокруг катода. Такая
конструкция помогает улавливать электроны и отрицательные ионы,
Глава 2. Материалы и методы изготовления микросистем
которые могут помешать процессу напыления пленки. Снаружи ка-
меры напыления анод соединен медным проводом заземления с ко-
жухом из нержавеющей стали. К аноду подводится постоянное на-
пряжение смещения, управляющее характеристиками плазмы в про-
странстве между анодом и катодом. Газ для напыления вводится
зону расположения катода через отверстия вокруг нагревательного
устройства.
анод
магнит
держатель
подложек'
термопара
Сг-А1
тепловой экран
заслонка
BSq 5 SrO j ТЮ3
нагревательное
устройство
с кварцевыми лампами
(Ts<850°C)
Рис. 2.8. Схема магнет-
ронной пушки для ионного
напыления. Репродукция
из книги E.J. Cukauskas,
S.W. Kirchoefer, J.M. Pond,
2000, «Low-loss Bao.sSro.sTiOs
thin films by inverted mag-
netron sputtering», Journal
of Applied Physics 88(5):
2830 2835, с разрешения
AVS publications, ©2000
AVS publications
Используя такую установку, Cukauskas, Kirchoefer и Pond (2000)
напыляли BST пленки при температуре 550... 800 °C. Температура
подложек поддерживалась при помощи двух кварцевых ламп, тер-
мопары и температурного контроллера. При мощности 135 Вт на-
пылялись пленки толщиной до 7000 А. Перед удалением из камеры
напыления подложки охлаждались до комнатной температуры при
помощи кислорода под давлением 1 Атм. После чего они отжигались
при температуре 780 °C в трубчатой печи в течение 8 часов в потоке
кислорода под давлением 1 Атм.
2.3.4- 2. Золь-гелевая технология получения тонких пленок
Техника напыления, описанная выше, а также другие методы полу-
чения тонких пленок, такие как лазерное распыление, химическое
осаждение из газовой фазы и гидротермические способы, являются
довольно трудоемкими и требуют больших затрат времени и элек-
троэнергии, а также дорогостоящего оборудования, что неминуе-
мо ведет к повышению стоимости самого продукта. Золь-гелевая
техника является перспективным методом синтеза. Она широко ис-
пользуется для получения оксидов металлов в объемной, поверх-
ностной и монокристаллической технологии. Поскольку вещества,
участвующие в химических реакциях, смешиваются на молекуляр-
2.3. Тонкие пленки и
ном уровне, по стехиометрическому отношению легко определить их
точное количество для получения требуемой толщины пленки, что
является достоинством этого метода (Sedlar, Sayer, Weaver, 1995).
К тому же при этом можно формировать однородные пленки боль-
шой площади при сравнительно низкой температуре. Процесс полу-
чения тонких неорганических пленок по золь-гелевой технологии не
требуется проводить в условиях вакуума. Золь-гелевый метод по-
зволяет не только формировать материалы, обладающие высокой
чистотой и однородностью на молекулярном уровне, но и синтези-
ровать недорогие BST (Nazeri, Kvan, 1995).
По этой технологии для получения раствора BST используются:
гексаноат 2-этил бария, гексаноат 2-этил стронция и тетраизопро-
поксид титана (TTIP). Метиловый спирт совместно с ацетилацето-
ном используется в качестве растворителя. Требуемое количество
бария растворяется в 30 мл метилового спирта и помещается в де-
флегматор на пять часов при температуре 80 °C. К этому раствору
добавляется гексаноат 2-этил стронция и полученная смесь снова
устанавливается в дефлегматор на пять часов. В результате чего
должен получиться раствор желтого цвета. В него в качестве хе-
латного реагента для предотвращения осаждения добавляют аце-
тилацетон. Все это перемешивают и помещают в дефлегматор еще
на три часа. Отдельно от этого готовят другую композицию: те-
траизопропоксид титана (TTIP) растворяется в 20 мл метилового
спирта. Этот раствор капельным способом добавляется в раствор
стронция бария, после чего полученная смесь BST помещается в де-
флегматор на четыре часа при температуре 80 °C. Для инициирова-
ния процесса гидролиза в смесь BST капельным образом добавляют
воду и снова помещают в дефлегматор на четыре часа при сильном
перемешивании в азотной атмосфере.
Способ нанесения тонких пленок рассмотрим на примере под-
ложки из Pt/Si. Подложка помещается в метанол и высушивается
азотом для удаления частиц пыли. Приготовленный раствор нано-
сится на-подложку методом центрифугирования. При этом центри-
фуга вращается со скоростью 3100 оборотов в минуту в течение 30
секунд. После нанесения покрытия подложки выдерживаются 15 ми-
нут на горячей пластине для подсушивания и выжигания органики.
Если необходимо получить многослойную структуру, эта последо-
вательность операций повторяется несколько раз. В таких случа-
ях после каждого нанесения раствора надо проводить нагревание
подложки для удаления органических соединений, попавших в пле-
ночные покрытия. Это улучшает кристаллическую структуру и по-
зволяет после многократного покрытия получить плотный образец.
Для изготовления достаточно толстых пленок требуется наносить
слои раствора много раз. После получения требуемой толщины по-
крытия подложка отжигается при 700 °C в течение 1 часа на воздухе.
2.4. Материалы для полимерных микросистем .
В последние годы вопросам использования полимеров в микроэлек-
тронике и микросистемах уделяется большое внимание. Наиболее
привлекательными чертами полимерных материалов являются:
- технологичность, ..... . .
- пластичность, ... . , ;
- простота нанесения в виде тонких и толстых пленок,
- полупроводимость (некоторые полимеры могут иногда выпол-
нять даже роль проводников),
- широкий выбор молекулярных структур и возможность встра-
ивания заряженных частиц в боковые цепи для получения пье-
зоэлектрических и пироэлектрических свойств.
Полимеры — это очень большие молекулы (макромолекулы), состо-
ящие из многих маленьких молекул. Маленькие молекулы, которые
объединяются друг с другом для построения полимеров, называ-
ются мономерами, а реакция образования связей между ними —
полимеризацией.
Ддя получения полимеров используютсй следующие методы: фо-
тополимеризация, электрохимическая полимеризация, вакуумная поли-
меризация, для которой существует два способа инициирования:
УФ излучение и бомбардировка электронами, СВЧ полимеризация
и др. Эти методы также широко применяются при формировании
и нанесении толстых и тонких полимерных пленок на электронные
компоненты с кремниевой подложкой.
. 2.4.1. Классификация полимеров
Существует несколько способов классификации полимеров: по
структуре, по методам синтезирования, по физическим свойствам,
по способам использования и т. д.
2-4-1-1- Классификация полимеров по структуре: линейные,
с разветвленными цепями, сетчатые
Линейные полимеры состоят из идентичных групп, соединенных по-
следовательно друг с другом. Такие полимеры имеют только две
функциональные группы. Функциональная группа — это атом или
группа атомов, задающая структуру конкретного семейства орга-
нических веществ и определяющая их свойства. Двойная связь в ал-
кенах, тройная связь в алкинах, аминогруппа (-NH2), карбоксильная
группа (-СООН), гидроксильная группа (-ОН) и др. — некоторые
примеры функциональных групп.
короткие цепи
Рис. 2.9. Различные типы полимеров с разветвленными цепями
Количество функциональных групп на одну молекулу структуры
называется функциональностью полимера. Полимеры с разветвлен-
ными цепями состоят из главной цепи, к которой во многих местах
прикреплены боковые цепи из линейных мономеров. Такие боковые
цепи могут быть и длинными,
и короткими (рис. 2.9). Сетчатым
полимером называется полимер,
молекулы которого соединяются
друг с другом не только на кон-
цах, но и в произвольных местах,
образуя при этом подобие сет-
ки (рис. 2.10). Сетчатые полимеры
не растворяются ни в каких рас-
творителях даже при повышенных
температурах.
Рис. 2.10. Сетчатые полимеры
Классификация по физическим свойствам:
термопластичные и термоотверждающиеся
полимеры
Полимеры считаются термопластичными, если под действием на-
грузки, обычно при высокой температуре, они сжимаются или рас-
тягиваются, т. е. являются мягкими(текучими), а при охлаждении
затвердевают. Этот процесс восстановления первоначальной фор-
мы и охлаждения может быть повторен несколько раз. Примерами
к
I 12 Глава 2. Материалы и методы изготовления микросистем
термопластичных полимеров являются полиэтилен с высокой плот-
ностью (HDPE), полиэтилен с низкой плотностью (LDPE) и другие
виды полиэтилена, поливинил хлорид (PVC) и т. д.
Термоотверждающиеся полимеры могут быть мягкими и подвер-
гаться расплавлению только в процессе первоначального изготовле-
ния, но после придания им нужной формы они под воздействием
нагревания, а часто и давления, затвердевают и становятся очень
прочными. Процесс формирования нерастворимых и тугоплавких
полимеров при нагревании и под давлением называется отвержде-
нием. При повторном нагреве такие полимеры просто разрушаются.
Эпоксидная, фенолформальдегидная и другие смолы являются при-
мерами этой группы полимеров.
2.4-1-3. Классификация по применениям: пластмассы,
каучуки, волокна и жидкие смолы
Для формирования твердых и прочных изделий под воздействием
тепла и давления применяют полимерные материалы типа пласт-
масс. Когда необходимо получить материалы, обладающие хорошим
растяжением и упругостью, используют полимерные материалы ти-
па каучуков. Волоконные полимеры применяются в случаях, когда
длина изготавливаемого изделия превышает его диаметр более чем
в 100 раз. Для склеивания и уплотнения применяют полимеры в виде
жидких смол.
2-4-1-4- Классификация по методу синтеза: полимеризация и
поликонденсация
Существуют два основных метода синтеза полимеров: полимериза-
ция и поликонденсация. При полимеризации для образования поли-
мера молекулы просто присоединяются одна к другой. Мономеры в
этом случае при включении в полимер сохраняют свои первоначаль-
ные структурные свойства (т. е. мономер и повторяющееся звено по-
лимера химически идентичны). Поликонденсация — процесс обра-
зования полимеров, при котором соединение исходных мономерных
молекул сопровождается выделением простых веществ, таких как
НС1, Н2О, NH3 и т. д. В этом случае повторяющиеся звенья полиме-
ра и исходные мономеры не являются химически идентичными.
2-4-1.5. Полимеризация
Полимеризация является цепным процессом, иногда ее называют
полиприсоединением. При полимеризации молекулы с низким мо-
лекулярным весом (мономеры) с двойными связями вовлекаются в
процесс разрыва этих связей для образования свободных радикалов,
2-4- Материалы для полимерных микросистем
которые присоединяются к другим подобным молекулам для форми-
рования полимеров. В полимеризации обычно принимают участие
химически активные вещества с двумя ковалентными связями. Про-
цесс полимеризации можно разделить на три этапа: инициирование
(зарождение свободных радикалов), распространение (рост цепи),
окончание (обрыв цепи). В зависимости от заряда частицы, иници-
ирующей процесс присоединения, различают ионную (катионную и
анионную) и радикальную полимеризацию.
Радикальная полимеризация. Этот тип полимеризации со-
стоит из трех стадий:
- инициирования,
- распространения,
- окончания.
Инициирование полимеризации. Для инициирования ради-
кальной полимеризации обычно применяют вещества, которые лег-
ко распадаются на свободные радикалы. Такие вещества называют
инициаторами и вводят в реакцию в малых количествах (менее 1%
от массы мономера). Каждый свободный радикал, имеющий по од-
ному неспаренному электрону, присоединяется к молекуле мономе-
ра, в результате чего появляется свободный радикал. Этот радикал
прикрепляется к следующей молекуле мономера, образуя очередной
свободный радикал и т. д. Такую цепную реакцию можно записать
в виде:
PI + lw^RJ, (2.13)
где PI — фотоинициатор, Rq — промежуточный реагент, появив-
шийся в результате разложения PI под действием УФ излучения.
Процесс распада инициатора на свободные радикалы может быть
запущен катализаторами, нагревом или энергией излучения. В ка-
честве инициаторов чаще всего используются: перикись водорода,
ДРугие. пероксиды, азосоединения, перкислоты и др. Инициаторы
могут также разделяться на радикалы при воздействии на них УФ
излучением. Скорость распада зависит в основном не от темпера-
туры, а от интенсивности и длины волны излучения. Процесс поли-
меризации, запускаемый УФ излучением, называется фотополиме-
ризацией.
Роль фотоинициаторов — поглощение УФ излучения видимого
спектра, обычно 250... 550 нм, и преобразование световой энергии
в химическую энергию для получения промежуточных реагентов,
5 ~ 10482 лми
I 14 Глава 2. Материалы и методы изготовления микросистем
таких как свободные радикалы и активные катионы, для запуска
цепной реакции полимеризации.
Распространение полимеризации. На этой стадии радикаль-
ная часть первого мономера реагирует с двойной связью новой моле-
кулы мономера, что приводит к сцеплению первого и второго звена
цепи полимера. Образовавшаяся частица также является свободным
радикалом и способна последовательно присоединять другие моле-
кулы мономера, вызывая рост цепи. Такой процесс, приводящий к
образованию новых звеньев в цепи полимера, называется распро-
странением полимеризации. Рост цепи полимера продолжается до
тех пор, пока есть несвязанные мономеры. Процесс распростране-
ния полимеризации можно остановить введением специальных при-
месей, способных уничтожить свободные радикалы, или обрывом
цепи.
Стадию роста цепи можно схематично представить в виде сле-
дующей реакции:
М1 + М—>Mg, . . (2.14)
где М — молекула мономера, М J,..., М* — молекулы со свободными
радикалами.
Окончание полимеризации. На этом этапе дальнейший рост
цепи полимера подавляется. Распад инициатора приводит к образо-
ванию большого количества свободных радикалов. В результате та-
ких факторов, как температура, время и концентрация мономеров
и инициаторов, может произойти ситуация, при которой растущие
цепи полимеров сталкиваются друг с другом. В результате этого
может произойти следующее:
- рекомбинация двух растущих цепей, при которой происходит
объединение двух цепей в одну большую макромолекулу
Л - перераспределение: передача протона и образование двойной
связи
v , ч
.Схематично эти реакции можно представить в виде: , .....
м; + м;^мт+2/ {рекомбинация), ,, (2.15)
М* + М* —» Мх + {перераспределение), « (2.16)
Мг+у — стабильная молекула полимера, состоящая из х + у звеньев
мономеров, М.г и Му — также стабильные молекулы полимера, со-
стоящие, соответственно, из х и у звеньев мономеров.
В таблице 2.6 приведены некоторые мономеры, принимающие
участие в радикальной полимеризации.
Ионная полимеризация. В ионную полимеризацию вовлечены
л-электроны мономеров. Здесь инициаторами могут быть не только
свободные радикалы, но и положительные и отрицательные ионы.
Катионная полимеризация. Если активная часть полимера
является положительно заряженной (например, за счет образования
иона карбония), такая полимеризация называется катионной. В ка-
тионной полимеризации участвуют мономеры с радикалами в виде
электронодонорных групп, например, алкилвиниловые эфиры, винил
ацетаты, изобутилен и др.
Таблица 2.6. Примеры мономеров, участвующие в радикальной
полимеризации
Мономер Формула
Этилен сн2=сн2
Бутадиен сн2=сн-сн=сн2
Стирол сн2=сн-с6н5
Винил хлорид СН2=СН-С1
Винилиден хлорид СН2=СС12
Акриловая кислота сн2=сн-соон
Метилметакрилат СН2-С(СНз)СООСНз
Инициаторами катионной полимеризации могут быть протон-
ные и льюисовые кислоты. Для льюисовых кислот требуется введе-
ние дополнительных катализаторов, таких как вода и метиловый
спирт. В реакциях катионной полимеризации в мономеры вводятся
протоны. Эти протоны притягивают к себе л-электроны, при этом
происходит перемещение положительного заряда к другому концу
мономера, что приводит к образованию иона карбония:
С + ХН НХС (образование ионной пары), (2-17)
НХС.Я- М —> НМХС (инициирование), (2-18)
*— + -
НХС + М —> НММХС (распространение), (2.19)
НМ„МХС + М -> НМ„М + НХС (окончание), (2.20)
НМгаМХС —> HMnM + МХС (передача цепи мономеру). (2.21)
Здесь С — катализатор, ХС — дополнительный катализатор, М —
мономер.
5*
I 16 Глава 2. Материалы и методы изготовления микросистем
Рост цепи полимера происходит тогда, когда положительный
ион атакует пару л-электронов второй молекулы мономера. При
этом положительный заряд передается на противоположный конец
второго мономера, что означает начало цепной реакции.
Обрыв цепи происходит по механизму катион-анионной реком-
бинации с образованием сложных эфиров. Окончание полимериза-
ции может также произойти путем расщепления аниона, для чего
необходимо ввести в реакцию небольшое количество воды.
Анионная полимеризация. При анионной полимеризации ак-
тивная часть полимера является отрицательно заряженной (напри-
мер, за счет образования карбаниона). В этом случае в качестве
мономеров используют изопрен, бутадиен, стирол и др.
Процесс инициализации происходит почти также, как в катион-
ной полимеризации, только здесь происходит формирование отри-
цательного иона. Инициаторами выступают алкильные и арильные
производные щелочных металлов, такие как трифенил метил калий
и трифенил этил натрий. При формировании цепи полимера проис-
ходит передача отрицательного заряда на противоположный конец
молекулы мономера. Обрыва цепи самопроизвольным образом, как
правило, не происходит. Для этого вводятся некоторые специальные
примеси или сильно заряженные вещества. Если этого не сделать,
реакция будет идти пока не кончатся все мономеры. При окончании
процесса полимеризации подобным образом, один конец полимера
остается отрицательно заряженным, т. е. активным. Поэтому та-
кие полимеры иногда называют «живыми полимерами». Оптималь-
ная техника используется для получения блочных полимеров.
, , ( 4—
‘['3 IA —> IА (образование ионной пары), (2.22)
4— 4
Al + М —> AMI (инициирование), (2.23)
AMI + М —> AMMI (распространение), (2.24)
f г V > + - + -
: ' “ •_ АМПМ1 + НА —> АМПМН + AI (окончание). (2.25)
Здесь IA — инициатор, НА — протонный реагент.
2.4-1.6. Ступенчатая полимеризация (поликонденсация)
Поликонденсация — процесс ступенчатый, т. к. образование макро-
молекул происходит в результате ряда реакций последовательного
взаимодействия функциональных групп мономеров друг с другом.
При поликонденсации увеличение размера цепи полимера происхо-
2Д Материалы для полимерных микросистем
дит относительно медленно: от мономера к димеру, к тримеру, к
тетрамеру, к пентамеру и т. д.
Мономер + Мономер —> Димер, (2.26)
Димер + Мономер —> Тример, (2.27)
Димер + Димер —> Тетрамер, (2.28)
Тример + Димер —> Пентамер, (2.29)
Тример + Тример —> Гексамер. (2.30)
Два вида молекул могут взаимодействовать друг с другом по
механизму реакции поликонденсации до тех пор, пока, в конечном
счете, не будут сформированы макромолекулы полимеров, состоя-
щие из большого количества мономеров. Такие реакции происходят
тогда, когда в состав мономеров входит больше двух химически ак-
тивных функциональных групп.
Типичными полимерами, формирующимися в процессе поликон-
денсации, являются полиамиды, полиэфиры, полиуретаны, поликар-
бонаты, полисульфиды, смолы: фенолформальдегидная, формальде-
гидмочевинная, меламинформальдегидная и др.
Когда в формировании полимеров участвует пара бифункцио-
нальных мономеров (дикарбоновая кислота/диамин или дигликоль/
дигалогенид), такой процесс называется поликонденсацией типа
АА-ВВ:
nA-А + пВ-В —> A [ABj2n_1 В + побочный продукт. (2-31)
Когда в реакции участвует только один вид бифункциональных
мономеров, такой процесс называется поликонденсацией типа А-В:
nA В —> В [ABjn_j А + побочный продукт. (2.32)
Если в синтезе типа АА-ВВ количество функциональных групп
в одном из мономеров больше или равно 3, значит, будет получена
трехмебная сетка полимера. На рис. 2.11 показана схема формиро-
вания сетки полимера с функциональностью 3 или выше. В таблице
2.7 приведены некоторые мономеры с разным числом функциональ-
ных групп.
В таблице 2.8 (стр. 119) приведены некоторые полимеры, синте-
зированные методом поликонденсации.
Рис. 2.11. Схема формирования структуры полимеров с функционально-
стью больше двух: а — число функциональных групп равно 3,
б — число функциональных групп равно 4
Таблица 2.7. Функциональность некоторых мономеров
Мономер Химическая формула Функцио- нальные группы Количест- во функци- ональных групп Функци- ональ- ность
Этиловый спирт СНзСШОН -он 1 Моно- функцио- нальный
Гексамети- лен диамин H2NCH2(CH2)4CH2NH2 nh2 2 Бифунк- циональ- ный
Малеиновая кислота НООССН2СН(ОН)СООН -соон, он 3 Трифунк- циональ- ный
Галловая кислота НООССвН2(ОН)з -соон, -он 4 Тетра- функцио- нальный
2.4.2. Фотополимеризация
При фотополимеризации энергия УФ источника излучения приво-
дит к быстрому преобразованию 100% специально подготовленного
раствора, состоящего из функциональных мономеров и олигомеров,
в полимер сетчатой структуры (обычно твердый; Fouassier, 1995).
2-4- Материалы для полимерных микросистем
Таблица 2.8. Полимеры, получаемые поликонденсацией
Технология фотополимеризации обладает следующими достоин-
ствами:
- высокой скоростью процесса и, следовательно, его большой
производительностью,
- простотой и экономичностью, возможностью автоматизации,
- процесс не требует больших температур нагрева, поэтому эта
технология подходит для изготовления подложек, чувствитель-
: ных к температуре,
- низким потреблением энергии и сравнительно небольшими раз-
мерами,
- экологичностью, благодаря низкому уровню выброса органи-
ческих веществ,
- низкой стоимостью оборудования.
В качестве источника энергии могут использоваться пучки элек-
тронов, рентгеновское и гамма излучение, плазма, СВЧ волны, но
чаще всего применяется УФ излучение. Фотополимеризация также
широко используется в микросистемах при изготовлении фоторе-
зистивных шаблонов для последующего травления, при построении
гибких полимерных структур, как в планарных, так и в объемных
системах. Поэтому перед рассмотрением современных 3D микроси-
стем необходимо изучить основы фотополимеризации.
2.4-2.1. Зависимость энергии излучения от длины волны
Планк построил свою теорию излучения абсолютно черного тела на
основе двух постулатов:
(1) Излучение обладает свойствами частиц
120 Глава 2. Материалы и методы изготовления микросистем
(2) Эти частицы, или фотоны, излучаются с определенной часто-
той и, выделяя при этом дискретную энергию е, задаваемую
следующим соотношением: е = /zzz, где h — постоянная План-
ка, равная 6.626 х 10-34Дж-с или 9.534 х 10-14 Ккал-с-моль-1,
a v = с/А, здесь с — скорость света, равная 3 х 1017 нм-с-1, а
А — длина волны в нанометрах.
На рис. 2.12 показан электромагнитный спектр.
Ю-6 1Сг4 10’2 10 ю2 ю4 ю6 ю8 * ю10 * ю12
УФ спектр Дальняя Ближняя
в вакууме область область
УФ спектра УФ спектра
диапазон
фотополимеризации
Видимая
область спектра.
ближняя инфракрасная
область спектра
Рис. 2.12. Электромагнитный спектр излучений (длина волн приведена в
нанометрах). Репродукция из книги J. Kagan, 1993, Organic Pho-
tochemistry: Principles and Applications, Academic Press, London,
с разрешения Academic Press, Elsevier
В таблице 2.9 приведены средние энергии химических связей в не-
которых органических молекулах (Kagan, 1993). Фотоны внутри УФ
области спектра обладают достаточным количеством энергии для раз-
рыва связей, указанных в этой таблице. Разорванные связи в даль-
нейшем участвуют в построении полимерных цепей (Haertling, 1989).
2.4-2.2. Механизм фотополимеризации
В процессе фотополимеризации посредниками являются фотоини-
циаторы, которые поглощают УФ излучение и превращают его энер-
гию в химическую энергию, что приводит к формированию проме-
жуточных реагентов, таких как свободные радикалы и активные
2-4- Материалы для полимерных микросистем
катионы, которые и запускают саму полимеризацию. Для постро-
ения типового фотополимера требуется система фотоинициирова-
ния, мономеры и олигомеры, полимер или полимеры, обеспечиваю-
щие физические и/или технологические характеристики, различные
добавки для модифицирования физических свойств светочувстви-
тельной композиции или результирующих качеств формируемого
полимера.
Таблица 2.9. Энергии и соответствующие длины волн фотонов, требуемые
для разрыва некоторых химических связей
Связь Энергия, Ккал/моль А, нм
с = с 160 179
с-с 85 336
с-н 95-100 286-301
С-0 80-100 286-357
С-С1 60-86 332-477
С-Вг 45-70 408-636
0-0 35 817
о-н 85-115 249-336
Источник: Kagan, 1993
Реакции фотополимеризации можно разделить на две категории:
радикальная и катионная полимеризация. Оба эти процесса состоят
из трех стадий: фотоинициирования, роста и обрыва цепи.
Обычно в радикальной полимеризации используются акрилаты,
в то время как в катионной полимеризации — эпоксидные смолы.
Наиболее распространенными химически активными мономерны-
ми материалами являются ненасыщенные акрилаты или метакрила-
ты, обладающие низким молекулярным весом, которые совместно
с фотоинициаторами, генерирующими свободные радикалы, могут
формировать полимеры сетчатой структуры. С разработкой новых
высоко эффективных фотоинициаторов, которые под воздействи-
ем Уф облучения способны образовывать катионные группы (на-
пример, сильные кислоты), возросло практическое использование
мономерных материалов на основе эпоксидных смол и/или вини-
ловых эфиров. В таблице 2.10 приведены сравнительные характе-
ристики радикальной и катионной фотополимеризации. Из данных
этой таблицы видно, по каким характеристикам один вид полиме-
ризации превосходит другой. Например, скорость протекания ра-
дикальной фотополимеризации превышает скорость катионной по-
лимеризации. Однако свободная полимеризация в случае катионных
систем выше, чем в радикальных композициях, что связано с огра-
2 Глава 2. Материалы и методы изготовления микросистем
ниченным временем жизни свободных радикалов. Под влиянием вла-
ги подразумевается способность системы полимеризоваться в при-
сутствии атмосферной влаги. Эффект послесвечения означает, бу-
дет или нет продолжаться процесс полимеризации после удаления
источника излучения. В радикальных системах процесс полимериза-
ции на поверхности отстает от полимеризации в глубине раствора,
что связано с влиянием кислорода или кислородным ингибировани-
ем. Этот эффект можно объяснить конкуренцией между молекула-
ми кислорода и свободными радикалами при прикреплении к моно-
мерам. К тому же в кислородной среде довольно часто происходит
процесс обрыва цепи полимера на поверхности.
Таблица 2.10. Сравнение радикальной и катионной фотополимериэации
Свойства Радикальная полимеризации Катионная полимеризация
Скорость полимеризации Большая Низкая
Влияние кислорода Да Нет
Адгезия Проблематичная Отличная
Токсичность Раздражение кожи Приемлемая
Влияние влаги Нет Да
Эффект послесвечения Нет Да
Широтная характеристика Хорошая Ограниченная
Свободная полимеризация У довлетворительная Хорошая
Вязкость Высокая Низкая
Стоимость Умеренная Высокая
Рис. 2.13. Превращения возбу-
жденного фотоинициатора PI*
Источник: Haertling, 1989
При поглощении света фотоинициатор PI переходит в возбу-
жденное состояние PI*. Время жизни PI* очень короткое, обычно
меньше 10-6 с. За этот промежуток времени с PI* могут произойти
следующие превращения (рис. 2.13):
- он может вернуться в состояние PI с выделением света и/или
тепла,
2-4- Материалы для полимерных микросистем
- перейти в стабильное состояние PI, присоединившись к кисло-
роду, мономеру или к другому гасящему веществу Q,
- вступить в химическую реакцию с образованием свободного
радикала или катиона Ro, т.е. выполнить роль инициатора
(Pappas, 1992).
Скорость процесса инициирования Rrl определяется скоростью
формирования PI*, что зависит от количества фотонов, поглощен-
ных PI, в единицу времени:
Ri — labsFf,
(2.33)
где Iabs — интенсивность излучения, F — часть PI*, вступающих в
реакцию с образованием радикалов или катионов, a f — часть ра-
дикалов/катионов, запустивших процесс полимеризации. Iaf)S опре-
деляется интенсивностью падающего излучения 1ц. количеством па-
дающих фотонов на единицу площади в единицу времени, а также
оптической плотностью фотоинициатора (PI) А:
labs = /о(1 - 1О’Л),
(2.34)
А = edc,
(2.35)
где d — длина пути света (или толщина пленки), е — поглотительная
способность молекул PI, ас — концентрация PI.
На практике желательно, чтобы скорость процесса иницииро-
вания Ri была высокой для эффективного использования энергии
излучения и равномерной по всей системе. Например, несоблюдение
второго условия может привести к возникновению напряженных со-
стояний внутри формируемого полимера, что неблагоприятно ска-
зывается на его адгезионных свойствах на границе с подложкой, а
также на его прочностных характеристиках.
Из вышеприведенных уравнений видно, что скорость процесса
инициирования Ri растет пропорционально интенсивности падаю-
щего света /0, и что при увеличении концентрации PI и толщины
слоя количество поглощенного падающего света экспоненциально
убывает. При увеличении оптической плотности PI растет нерав-
номерность поглощения. Поэтому для оптимального подбора хими-
ческих компонентов для фотополимеризации очень важным являет-
ся соответствующий выбор концентрации PI и его поглотительной
способности, что, в конечном счете, определяет значение поглоще-
ния всей системы ( Pappas, 1992).
124 Глава 2. Материалы и методы изготовления микросистем
2.4-2.3. Основы кинетики фотополимеризации
Скорость полимеризации является важным параметром, характери-
зующим фотополимеризацию. Зная скорость полимеризации, можно
предсказать профиль формируемого изделия. Далее будут рассмо-
трены основы кинетики процесса фотополимеризации, которые по-
могут понять, как можно вычислить скорость полимеризации.
Радикальную фотополимеризацию описывает следующая после-
довательность химических реакций:
PI + hy R* (фотоинициирование), (2.36)
R* + М -^3 RM( (фотоинициирование), (2.37)
RM) + М —RM2 (рост цепи), , , (2.38)
RM*_T + М RM* (рост цепи), (2.39)
RM* + RM*, RMm+n (обрыв цепи), • (2.40)
где PI — фотоинициатор, RMm+n — стабильная молекула полимера,
ki,kp и kt — константы скоростей для процессов инициирования,
роста и обрыва цепи.
Скорость процесса фотохимического инициирования определя-
ется выражением:
^ = 2Ф1аЬз, . (2.41)
Iabs — интенсивность поглощенного света в молях кванта излучения
на литр в секунду, Ф — доля радикалов, запустивших процесс по-
лимеризации, определяемая количеством цепей полимеров на один
поглощенный фотон излучения. Коэффициент 2 указывает на то,
что одна молекула фотоинициатора производит два радикала. Если
в системе молекула PI генерирует только один радикал, необходи-
мо использовать коэффициент 1. Максимальное значение Ф равно 1
для всех типов фотополимеризации.
Мономеры участвуют как в реакциях инициирования, так и в
реакциях роста цепи. Скорость полимеризации определяется выра-
жением: .ц
" ' = " (2-42)
at ? .. .
где R, и Rp — скорости процессов инициирования и роста цепи.
Для процесса получения полимеров с высокой молекулярной мае-
2-4- Материалы для полимерных микросистем 125
сой, количество мономеров, участвующих в реакции на стадии ини-
циирования, гораздо меньше, чем на этапе роста цепей. Поэтому
уравнение (2.42) можно упростить:
ВНЦЪС; ЛЧ'Н d[M]
‘ dt
(2.43)
Считаем, что во всех реакциях этапа роста цепей константы скоро-
стей равны. Тогда выражение для скорости полимеризации можно
записать в виде:
Лр = ^[М][М*], Л 4 (2.44)
где [М] — концентрация мономеров, [М*] — полная концентрация
всех радикалов цепи.
Из уравнения (2.44) нельзя непосредственно получить скорость
полимеризации, поскольку количественно измерить концентрацию
радикалов, которая очень мала, практически невозможно. Для то-
го, чтобы исключить [М*] из уравнения (2.44) сделаем предположе-
ние о стационарности процесса. Это означает, что концентрация
радикалов увеличивается только на стадии инициирования, потом
достигает определенного значения, которое сохраняет в пределах
очень короткого интервала времени. Это означает, что скорости
радикалов на стадиях инициирования и обрыва цепей равны, т. е.
Ri = Rt = 2/сДМ*]2.
(2.45)
Коэффициент 2 в этом уравнении показывает, что радикалы разру-
шаются парами. Из уравнения (2.45) получаем выражение для кон-
центрации радикалов:
" [м‘|=/И-Л (2-4в)
Подставляя уравнение (2.46) в выражение (2.44), получим
Др = ММ)^. (2.47)
Теперь объединим уравнения (2.41) и (2.47):
V
(2.48)
Глава 2. Материалы и методы изготовления микросистем
Интенсивность поглощенного излучения можно выразить в виде:
Iabs = Z0(l - W-£cfc),
(2.49)
где Zo — интенсивность падающего излучения, с — концентрация
PI, Е — поглотительная способность молекул PI, а b — толщина
облучаемой зоны реакций. Очевидно, что выражение для Rp можно
записать в виде:
Rp =
Ф/о(1 - 10~ecfc)
(2.50)
Процесс катионной фотополимеризации можно представить как по-
следовательность реакций:
PI + hv Н+Х“ (фотоинициирование), , (2.51)
Н+Х~ + НМ Mi+X” {ф отоинициироваййе), (2.52)
НМ1+Х“ + М НМ2+Х~ {рост цепи), - (2.53)
НМ+^Х- + М —+ НМП+Х“ {рост цепи), ; (2.54)
НМП+Х~ НМПХ {обрыв цепи). (2.55)
Скорости реакций для стадий инициирования, роста и обрыва цепи
имеют вид:
7?, — Ф1аЬа,
Rp = fcp[HM+X-][M],
Rt = ЦНМ+Х-].
(2.56)
(2-57)
(2.58)
Здесь [НМ+Х~] — полная концентрация всех центров реакций. Счи-
таем процесс катионной фотополимеризации стационарным процес-.
сом. В этом случае будет справедливо, что
[НМ+Х~] =
ФТаЬв
kt
Объединяя уравнения (2.57) и (2.59), получим
D ___ kp Ф1аЬ.з [М]
~ Г
(2.60)
2-4- Материалы для полимерных микросистем
Это выражение описывает скорость полимеризации катионной фо-
тополимеризации. Rp также можно выразить через R:
D __ крФ10(1 -10-£cfc)[M]
1Ър —
(2.61)
kt
2.4.3. Фоторезистивный материал SU-8
Материал SU-8, впервые запатентованный корпорацией IBM в 1989
году, является обратным УФ фоторезистом, относящимся к типу
эпоксидных смол (Lee et al, 1981). Он специально разработан для си-
стем с очень толстыми слоями, имеющих высокое характеристиче-
ское отношение (соотношение геометрических размеров) (Despont
et al, 1998). При помощи стандартного литографического оборудо-
вания уже были получены пленки толщиной до 2 мм и характери-
стическим отношением выше 20.
Поскольку структуры из SU-8, получаемые литографическим спо-
собом, являются достаточно стабильными после облучения У Ф све-
том, они широко используются для изготовления механических ча-
стей микросистем, таких как шестеренки, катушки, консоли и бо-
роздки (Dellman et al, 1997). Недавно было продемонстрировано
применение SU-8 в полимерных микроиндукторах (Chomnawang, Lee,
2001), в гидрофонах, реализованных по МОП технологии, использу-
емых для подводных работ (Zhu, Varadan, 2002), и в акселерометрах
(Zhu, Mehta, Varadan, 2002). Поскольку SU-8 является относитель-
но недорогим материалом, не требующим высоких технологических
температур, из него также формируют мембраны с регулируемой
толщиной, на которые литографическим методом наносят печат-
ные схемы (Liu, Steenson, Steer, 2001). Используя SU-8 в микросте-
реолитографии, можно реализовывать настоящие 3D полимерные
структуры (Bertsch, Lorenz, Renaud, 1998). Микростереолитогра-
фия (МСЛ) также применяется для построения 3D систем по ша-
блонам из полимерных структур (Varadan, Xiang, Varadan, 2001).
В главе 6 будет рассмотрено применение МСЛ при изготовлении
полимерных мостовых схем для фазовращателей.
Уникальность SU-8 заключается в его свойствах, которыми не
обладает ни один другой используемый в настоящее время фоторе-
зистивный материал. Из него не только изготавливают структуры
большой толщины, но, поскольку SU-8 относится к классу эпоксид-
ных смол и обладает превосходными адгезионными качествами, его
применяют практически с любыми подложками (Lorenz et al, 1997).
Глава 2. Материалы и методы изготовления микросистем
Это особенно важно при использовании SU-8 в качестве структур-
ного или диэлектрического материала.
2.4-3.1. Технология получения SU-8
Фоторезистивный материал SU-8 получается при растворении эпок-
сидной смолы EPON SU-8 в органическом растворителе GBL (гам-
ма-бутилорактоне). Количество растворителя определяет вязкость
и, следовательно, толщину резистивного слоя. Для запуска процес-
са полимеризации под действием УФ излучения в эту композицию
вводится фотоинициатор (10% от веса EPON SU-8).
EPON SU-8 — это многофункциональная эпоксидная смола, обла-
дающая высокой разветвленностью полимерной структуры. Она со-
стоит из бисфенол А новолак глицидилового эфира. На рис. 2.14 при-
ведена типичная структура молекулы EPON SU-8 (www.microchem.
com/su8.cfm/). В среднем одна молекула содержит восемь эпоксид-
ных групп, поэтому в названии смолы и стоит цифра 8.
Фотоинициатор, в качестве
которого
Рис. 2.14. Типичная струк-
тура молекулы EPON SU-8.
Приведено с разрешения www.
microchem.com/su8.cfm/
обычно применяют триа-
рилсульфоновую соль, поглощает фотон излучения и образует при
этом фотокислоту, обозначаемую на схеме 2.1 как Н+А“ (www.micro-
chem. com/su8.cfm/).
Фотокислота образуется только в зонах фоторезистивной плен-
ки, непосредственно подвергаемой УФ излучению, и является ка-
тализатором отверждения для последующей реакции полимериза-
ции, протекающей после фазы облучения, называемой спеканием
(РЕВ). Температура процесса спекания должна быть выше темпера-
туры стеклообразования (Тд) твердой пленки, которая обычно равна
2-4- Материалы для полимерных микросистем I 29
и 55 °C, потому что при температурах ниже Тд движение молекул
довольно медленное, и они почти не вступают ни в какие реакции.
фотон
„+ излучения _
S А —-------------► Н+ А + побочные продукты
(кислота)
Схема 2.1. Фотохимическая реакция превращения фотоинициатора.
Источник: www.microchem.com/su8.cfm/
ь
Во время процесса спекания фотокислота разрывает связи вну-
три эпоксидных групп, запуская тем самым реакции образования
полимерных цепей, механизм которых похож на катионную полиме-
ризацию. Этот процесс приводит к формированию плотной струк-
туры, нерастворимой в органическом растворителе — уксусном эфи-
ре метил пропилен гликоля (PGMEA). Материал в областях, кото-
рые не подвергались облучению, растворяется в этом растворителе,
формируя тем самым обратное отображение маски. Реакции обра-
зования полимерных цепей показаны на схеме 2.2 (www.microchem.
сот/ su8.cfm/). .
Схема 2.2. Процесс образования цепей полимеров, запускаемый фотоки-
слотой. Источник: www.microchem.com/su8.cfm/
2-4-3.2. Свойства материала SU-8
SU-8 обладает несколькими свойствами, делающими его привлека-
тельным для использования в качестве структурных и диэлектри-
алы и методы изготовления микросистем
ческих материалов. Во-первых, из него на традиционном оборудо-
вании за один технологический проход можно формировать слои
толщиной 2. ..ЮООмкм. Во-вторых, он обладает исключительной
оптической прозрачностью, что делает возможным проведение чет-
кой регулировки нанесения следующих слоев литографическим ме-
тодом. В-третьих, конечная полимерная структура с большим коли-
чеством поперечных связей обладает высокой химической устойчи-
востью и хорошими температурными характеристиками, позволя-
ющими выдерживать технологические процессы с температурами,
превышающими 250 °C. И, наконец, SU-8 обладает отличными ме-
ханическими свойствами (Harriss et al, 2000)
В таблице 2.11 приведены некоторые механические, физические
и электрические свойства SU-8.
Таблица 2.11. Основные свойства SU-8
Характеристика Значение Примечание Ссылка
Модуль упруго- сти Е, Гпа 4, 95 ±0,42 Процесс спекания при 200 °C, тест деформации балки Dellmann et al, 1997
Коэффициент Пуассона 0,22 Процесс спекания при 95 °C www.somisys.ch/
Температура стеклования Т9, °C и 55 Для пленки, не подвер- гавшейся облучению (без образования полимерных связей) LaBianca, Delorme, 1995
Температура стеклования Т9, °C > 200 Для полностью заполиме- ризованной пленки (после процессов облучения и спе- кания при 200 °C) LaBianca, Delorme, 1995
Температура раз- рушения Та, °C « 380 Для полностью заполиме- ризованной пленки (после процессов облучения и спе- кания при 200 °C) LaBianca, Delorme, 1995
Коэффициент теп- лового расшире- ния, (Ppm (про- мйль) °C) 1 52,0 ± 5,1 Процесс спекания при 95 °C, термоцикличный тест при нанесении на кремниевую подложку Despont et al, 1998
Теплопровод- ность,Вт-м-1К-1 0,2 Приведено значение ти- пичное для всех полимеров Guerin et al, 1997
Усадочная дефор- мация 0,075 Процесс спекания при 95 °C Guerin et al, 1997
Относительная диэлектрическая проницаемость с при 10 МГц 3-4 Процесс спекания при 100 °C Thrope, Steen- son, Miles, 1998
2.5. Применение объемных технологий обработки кремния
2.4-3.3. Работа с материалом SU-8
Материал SU-8 производится MicroChem Corp., Newton, Massachu-
setts. Существует шесть стандартизированных типов SU-8, кото-
рые различаются процентным содержанием твердой смолы SU-8 в
растворителе. Толщина получаемой пленки для каждого типа SU-8
напрямую зависит от вязкости и скорости вращения установки. В
таблице 2.12 приведена толщина конечного слоя при скорости вра-
щения 900 оборотов в минуту для разных типов материала SU-8.
Таблица 2.12. Зависимость толщины слоя от вязкости при скорости вра-
щения 900 об/мин
SU-8 Процент твердого компонента, % Кинематическая вязкость, сантистокс Толщина, мкм
5 51,8 265 12
10 59,1 989 30
25 63,3 2646 58
50 69,1 14953 150
100 72,9 52407 320
Источник: www.microchem.com/su8.cfm/
2.5. Применение объемных технологий обработки
кремния при изготовлении микросистем
В главе 1 указывалось, что быстрому прогрессу в области разработ-
ки микросистем способствовало широкомасштабное развитие тех-
нологий обработки кремния. Там же были кратко рассмотрены осно-
вы поверхностной и объемной технологий. Более подробное опи-
сание методов обработки кремния можно найти в книге (Gardner,
Varadan, Awadelkarim, 2001).
Объемные методы обработки кремния являются наиболее раз-
витыми технологиями из двух вышеупомянутых. Они начали раз-
виваться в начале шестидесятых годов 20 века и нашли широкое
применение при изготовлении различных микроструктур. Объем-
ные технологии используются при производстве большинства про-
мышленных приборов — почти всех датчиков давления и кремние-
вых ламп, и приблизительно 90% кремниевых акселерометров. Тер-
мин «объемные технологии» указывает на то, что они используют-
ся для построения механических микроструктур внутри подложки
из монокристаллического кремния методами выборочного удаления
материала подложки. Микроструктуры, изготавливаемые метода-
ми объемной обработки кремния, могут иметь толщину от долей
132 Глава 2. Материалы и методы изготовления микросистем
микрона до полной толщины подложки (200... 500 мкм), а их по-
перечные размеры изменяются от нескольких микрон до полного
диаметра подложки (75... 200 мм).
Травление — это ключевой метод объемной технологии. Процесс
травления, как правило, состоит из одного или нескольких нижепри-
веденных методов:
- жидкостное изотропное травление, ' ' *' ... ци.о о. »
- жидкостное анизотропное травление, “
- плазменное изотропное травление, , . _ .
- реактивно-ионное травление, -у-
- травление с барьерным слоем. , ;;
Некоторые из перечисленных методов, например, реактивно-ионное
травление, широко используются в составе стандартных технологий
в микроэлектронной промышленности.
В объемную технологию также включаются методы соединения
слоев внутри микросистемы и методы построения барьерного слоя
из оксидов. Но пока эти методы находятся на стадии развития.
Далее будут рассмотрены наиболее распространенные методы
объемной технологии. Также будут описаны методы травления с
барьерным слоем и способы соединения слоев.
2.5.1. Изотропное и направленное жидкостное
травление
Жидкостное химическое травление широко используется в техно-
логических процессах полупроводникового производства. Оно при-
меняется при полировке и шлифовке для получения оптически плос-
кой поверхности, а также для удаления загрязнений, появившихся в
результате обработки и хранения подложек. Этот метод использу-
ется также при изготовлении дискретных устройств и интеграль-
ных схем сравнительно больших размеров для нанесения шаблонов
и выполнения отверстий в изоляционных материалах. Необходимо
отметить, что большинство методов жидкостного травления явля-
ются изотропными, т. е. они не зависят от кристаллографической
ориентации подложки.
Однако существуют травильные вещества, для которых важ-
ной является ориентация кристаллов полупроводника. Они облада-
ют свойством растворять кристаллы с разной ориентацией с разной
скоростью (см. таблицу 2.13). В алмазоподобной и сфалеритовой
пространственных решетках плоскости (111) имеют большую плот-
ность упаковки по сравнению с ориентацией (100), поэтому скорость
2.5. Применение объемных технологий обработки кремния 133
травления в них при применении любых травильных реагентов бу-
дет ниже.
Таблица 2.13. Характеристики различных травильных реагентов, приме-
няемых для анизотропного жидкостного травления моно-
кристаллического кремния
Травильный реагент Температура, °C Скорость травления кремния, мкм/час
100* 110’ 111*
КОН:Н2О 80 84 126 0,21
КОН 75 25-42 39-66 0,5
EDP 110 51 57 1,25
N2H4:H2O 118 176 99 11
nh4oh 75 24 8 1
* — ориентация кристаллов.
Наиболее распространенным травильным реагентом для напра-
вленного травления кремния является смесь КОН с водой и изопро-
пиловым спиртом. Скорость травления при температуре 80 °C для
ориентации кристаллов (ПО) составляет порядка 2.1 мкм/мин, 1.4
мкм/мин для плоскости (100) и только 0.003 мкм для кристаллов
(111). Отсюда видно, что отношение скоростей травления кристал-
лов с ориентацией (100) и (ПО) и кристаллов (111) составляет 400 : 1
и 600 : 1, соответственно. Очевидно, что это довольно значительная
разница.
2.5.1.1. Травление с барьерным слоем
Для кремния известно много травильных растворов. Избиратель-
ность и направленность — две основных характеристики травиль-
ных реагентов, применяемых при построении трехмерных струк-
тур. Поскольку процесс травления в полярных растворителях осно-
ван на явлениях переноса заряда, нет ничего удивительного в том,
что скорость травления зависит от типа используемых примесей,
их концентрации и приложенного электрического поля. При помо-
щи разных примесей можно управлять процессом травления. Напри-
мер, высоколегированные области вытравливаются медленнее. Про-
цесс травления можно даже остановить электрохимическим спосо-
бом, если к вытравливаемому n-р переходу приложить достаточно
сильное электрическое напряжение.
Область, в которой процесс травления замедляется или даже
прекращается, называется барьерным слоем. Существует несколь-
ко способов создания барьерных слоев. В следующих двух разделах
бУДУт рассмотрены два из них:
- селективное травление при помощи примесей,
J34 Глава 2. Материалы и методы изготовления микросистем
- селективное травление при помощи примесей и электрического
смещения.
2.5.1.2. Селективное травление при помощи примесей
Мембраны из кремния изготавливаются в основном при помощи
тонкого барьерного слоя, сильно легированного бором. Этот слой
может быть получен либо при помощи эпитаксиального выращива-
ния, либо сформирован методом диффузии или имплантации бора в
слабо легированную подложку. Барьерный эффект характерен для
основных травильных растворов, таких как КОН, NaOH, этилен-
диамин пирокатехол (EDP) и гидразин (см. таблицу 2.14). Из-за
сильного легирования бором константа кристаллической решетки
кремния слегка уменьшается, что приводит к большой деформации
мембран и даже к нарушению плоскости. Однако такие мембраны
даже при толщине несколько микрон и около 1 см в диаметре облада-
ют упругостью и достаточной прочностью. Такой метод не приго-
ден для структур, чувствительных к давлению, поскольку он может
привести к их смещению даже при отсутствии внешних нагрузок.
В этих случаях необходимо применять другие методы создания ба-
рьерного слоя.
Основными достоинствами метода создания барьерных слоев,
сильно легированных бором, являются независимость от ориента-
ции кристаллов, гладкость получаемой поверхности и возможность
построения свободных микроструктур с любой геометрией боковых
срезов за одну стадию травления. Однако известно, что необходи-
мые высокие уровни бора приводят к значительной механической
напряженности материала, являющейся причиной деформации и да-
же разрыва диафрагмы или других изготавливаемых структур. Бо-
лее того, в такие микроструктуры невозможно ввести компоненты
для выполнения сенсорных функций, например, нельзя встраивать
пьезорезисторы, поскольку это запрещено высоким уровнем леги-
рования. Далее будут рассмотрены основные проблемы, связанные
с применением барьерных слоев с высокой концентрацией бора. В
настоящее время более перспективным методом селективного тра-
вления является метод травления с электрохимическим способом
остановки процесса или травление с электрическим смещением.
2.5.1.3. Электрохимический способ остановки процесса
травления
При электрохимическом травлении к кремниевой подложке (аноду)
и к электроду (катоду), находящимся в травильном растворе, при-
2.5. Применение объемных технологий обработки кремния
кладывается постоянное напряжение. Механизм травления состоит
из следующих основных этапов:
(1) введение в полупроводник дырок для увеличения его окисли-
тельных свойств, т.е получение Si+,
(2) присоединение к положительно заряженному 81+отрицательно
заряженных гидроксильных групп ОН-,
(3) химическая реакция между гидратом кремния и комплексо-
образующим реагентом в растворе,
(4) растворение продуктов химической реакции в травильном рас-
творе.
При электрохимическом травлении процессу окисления способ-
ствует положительное напряжение, приложенное к кремниевой под-
ложке, которое приводит к накоплению дырок на границе раздела:
кремний — раствор. При этих условиях процесс окисления проис-
ходит довольно быстро, а полученный оксид легко растворяется в
травителе. Дырки в виде ионов Н+ переносятся на катод, где высво-
бождаются в виде пузырьков водорода. В дополнение к этому на по-
верхности кремния может возникнуть избыток пар электрон-дырка
(например, из-за оптического возбуждения), что также приводит к
повышению скорости травления.
Традиционный электрохимический метод травления подходит
как для изготовления микродатчиков, так и микроприводов, по-
скольку позволяет реализовывать микроструктуры из умеренно ле-
гированного кремния n-типа, обладающие хорошей воспроизводи-
мостью, и при этом осуществлять контроль за их толщиной. Основ-
ным ограничивающим фактором для использования этого метода
является возникновение обратного тока утечки через полупровод-
никовый переход. Поскольку в этом процессе избирательность тра-
вления в кремнии п- и p-типа достигается при помощи токозапираю-
щей функции диода, любая утечка в этом диоде будет влиять на се-
лективность. Иногда, при больших токах утечки процесс травления
может прекрати гься, не доходя до самого перехода, а в редких слу-
чаях даже не начаться. Этот эффект хорошо изучен, и для борьбы с
ним применяются альтернативные схемы смещения, использующие
три, а то и четыре электрода. Был также разработан альтернатив-
ный метод электрохимического травления, лишенный вышеуказан-
ного недостатка. В этом методе к кремниевой подложке, погружен-
ной в травильный раствор, прикладывается импульсное напряжение
анодизации (Wang et al, 1992). Этот метод называется селективным
травлением при помощи импульсного напряжения анодизации, он
будет рассмотрен в следующем разделе.
2.5.1-4- Селективное травление при помощи импульсного
напряжения анодизации
Импульсное анодное окисление является методом селективного тра-
вления кремния гг-типа (Wang et al, 1992). В нем используется раз-
ница времени, требующегося для растворения анодно-оксидных пле-
нок, сформированных на кремниевых пластинах п- и p-типа при
идентичных условиях. Механизм возникновения этой разницы во
времени до конца не изучен, но предполагается, что она появляется
из-за различия скоростей окисления, вызванного ограниченным до-
ступом дырок к пластине из кремния n-типа (Wang et al, 1992). Ме-
тод анодного окисления применим в широком диапазоне напряже-
ний, травильных композиций и температур. Его главное отличие от
традиционного электрохимического метода, основанного на созда-
нии р-п перехода, останавливающего процесс травления, заключа-
ется в том, что теперь он не зависит от выпрямительных харак-
теристик или качества диода. Этим методом можно изготавливать
микроструктуры из кремния p-типа как слабо, так и умеренно леги-
рованного. Следовательно, метод импульсной анодизации открыва-
ет возможность построения временных микроструктур в кремнии
р-типа.
Основные проблемы электрохимических традиционного и аль-
тернативного методов травления заключаются в необходимости из-
готовления специальных держателей пластин для обеспечения кон-
такта с эпитаксиальным слоем и крепления двух, трех или четы-
рех электродов на подложке, а также для защиты эпитаксиальной
стороны подложки от травильного реагента. Любые утечки в этих
держателях приводят к нарушению корректного выполнения элек-
трохимического травления. Более того, известно, что механические
напряжения, вносимые этими приспособлениями, могут привести к
существенному снижению производительности процесса. Поэтому
достаточно актуальной является задача разработки надежных дер-
жателей подложек для использования в процессах анизотропного
травления электрохимическими методами. Обеспечение контакта с
самой подложкой — также непростая задача. Поэтому изготовле-
ние свободных микроструктур за один технологический цикл хоть
традиционным, хоть альтернативным методами электрохимическо-
го травления может быть связано с большими проблемами. Недавно
был разработан способ электрохимического травления, не требую-
2.5. Применение объемных технологий обработки кремния 137
щий внешних электродов или соединений с подложкой, названный
фотогальваническим методом (PHET) (Peeters et al, 1994).
2.5.1.5. Фотогальванический метод электрохимического
травления
Этот метод подходит для изготовления большинства микрострук-
тур, которые могут производиться и травлением с созданием ба-
рьерного высоколегированного бором слоя, и электрохимическим
способом (Peeters et al, 1994). Для фотогальванического метода не
требуется создание зоны с высокой концентрацией бора, нет необ-
ходимости введения дополнительных электродов или изготовления
специальных держателей подложек, как в традиционном и альтер-
нативном электрохимических методах. Фотогальваническим спосо-
бом за один технологический цикл можно формировать свободные
структуры из кремния p-типа с любой геометрией боковых срезов.
Принципиально этот метод похож на традиционный электрохими-
ческий способ травления. Здесь также используются два электрода
для выращивания пассивирующего оксидного слоя, но разность по-
тенциалов и ток, требуемые для этого процесса, не подводятся из-
вне, а генерируются внутри самой кремниевой подложки. Создава-
емая разность потенциалов, по существу, имеет две составляющие:
разность потенциалов, возникающая при освещении р-п перехода,
и напряжение Нернста, генерируемое в электрохимической ячейке,
состоящей из кремния n-типа/металла/раствора травителя.
2.5.2. Сухое травление
Как обсуждалось выше, методы объемной технологии обработки
кремния позволяют формировать внутри подложки из монокристал-
лического кремния разнообразные микроструктуры, используя для
этого определенные свойства ориентации кристаллов, варьируя кон-
центрацию примесей и применяя различные растворы химических
травильных реагентов, таких как EDP, КОН и гидразин. Однако
выбор типа, формы'и размеров микроструктур, получаемых мето-
дами жидкостного травления, весьма ограничен. Для построения
подвесных механических структур и приводов из монокристалличе-
ского кремния был разработан метод сухого травления (Zhang, Mc-
Donald, 1992). Этот метод получил название SCREAM. Он включает
в себя реактивное травление монокристаллического кремния и про-
цесс металлизации. Технология реактивно-ионного травления ис-
пользуется для формирования на кремниевой подложке подвижных
микроструктур с поперечными размерами более 250 нм и произ-
вольной ориентацией кристаллов. А для формирования управляю-
щих электродов используются: процесс ступенчатой металлизации
поверхности, основанный на методах напыления металла, и сухое
травление металла.
Технология SCREAM может использоваться для формирования
сложных геометрических структур: круглых, треугольных и др. При
помощи нее можно реализовывать интегрированные емкостные при-
воды с высоким характеристическим соотношением, позволяющие
возбуждать электростатические силы, приводящие к движению ме-
ханических микрочастей.
2.5.3. Внутренний процесс окисления
Внутренний процесс окисления позволяет изготавливать микрострук-
туры, используя для этого слой из диоксида кремния, сформиро-
ванный внутри подложки. Для этого сначала методом ионной им-
плантации в кремниевую подложку вводится кислород, после чего
проводится ее высокотемпературный отжиг, при котором ионы ки-
слорода вступают в реакцию с кремнием, формируя скрытый слой
из диоксида кремния. Оставшийся тонкий слой монокристалличе-
ского кремния может использоваться для построения эпитаксиаль-
ного слоя толщиной от нескольких микрон до десятков микрон.
При построении микроструктур скрытый слой из диоксида крем-
ния используется в качестве барьерного слоя, останавливающего
процесс травления. Например, скорость травления таким реаген-
том как КОН значительно снижается, как только он достигает слоя
из диоксида кремния. Выбором соответствующего метода имплан-
тации кислорода можно формировать скрытые слои из диоксида
кремния различной конфигурации.
2.5.4. Монтаж кремниевых компонентов методом
• сплавления
Изготовление некоторых сложных механических микроустройств со-
стоит не только в формировании отдельных компонентов, но и в их
сборке. В микропроизводстве для объединения отдельных микро-
структур в единую систему применяются специальные методы мон-
тажа. Методы соединения подложек, интегрированные в технологии
построения микросистем, позволяют изготавливать 3D структуры,
толщина которых намного превышает толщину отдельно взятой
подложки. Для соединения подложек было разработано несколько
2.5. Применение объемных технологий обработки кремния 139
методов. Наиболее распространенным из них является метод спла-
вления.
Несколько фирм (Apel et al, 1991, Lasky, 1986, Ohashi, 1986) про-
демонстрировали возможность сплавления подложек из гидрофиль-
ного кремния для получения кремниевых материалов на подлож-
ке из изолятора (SOI). С тех пор методы соединения подложек на-
шли широкое применение в различных областях микроэлектроники.
На основе материалов SOI были изготовлены микросхемы стати-
ческих ОЗУ, ряд КМОП и силовых устройств. Для микросистем
метод сплавления подложек дает возможность построения сложных
структур при помощи объединения двух или более подложек разной
формы. В этом разделе будут описаны физические основы метода
сплавления и представлены технологии соединения подложек, при-
меняемые при производстве микросистем.
2.5.4-1- Сплавление подложек
В простейшем случае процесс соединения подложек методом спла-
вления заключается в скреплении пары кремниевых пластин друг с
другом при комнатной температуре с последующим отжигом при
температуре 700... 1100 °C. При комнатной температуре происхо-
дит склеивание подложек при помощи образования перекрестных
связей между атомами водорода, входящих в состав хемосорбиро-
ванных молекул воды. Далее на стадии отжига происходит реакция,
в результате которой образуются связи между атомами кислорода и
кремния Si—О—Si. Очевидно, что такая технология требует прове-
дения подготовительных операций, например, жидкостной очистки
или плазменной гидрофилизации.
При любых формах соединения всегда существуют области, где
не обеспечивается контакт кремниевых подложек друг с другом,
такие области обычно называются пустотами. Появление пустот
в основном объясняется наличием на поверхностях инородных ча-
стиц, органических налетов, различных дефектов и недостаточным
скреплением подложек. Очевидно, что для проведения качественно-
го соединения двух подложек методом сплавления необходимо, что-
бы обе кремниевые пластины были гладкими и чистыми, поскольку
самые незначительные дефекты и частицы могут привести к обра-
зованию больших пустот. Поэтому оптимальная технология должна
включать в себя обязательную проверку поверхностей, их предва-
рительную обработку (гидрофилизацию, очистку) и механическое
выравнивание подложек для обеспечения плотного контакта между
Глава 2. Материалы и методы изготовления микросистем
ними, при этом в окружающей среде должны отсутствовать мелкие
частицы посторонних веществ.
2.5.4- 2. Отжиг
После обеспечения плотного контакта между двумя кремниевыми
подложками при комнатной температуре часто требуется прово-
дить операцию высокотемпературного отжига, необходимую для
создания прочного соединения. На стадии отжига, который обычно
проходит при температуре 800 °C, могут возникнуть проблемы, свя-
занные с расширением профиля легированной зоны, возникновением
термических напряжений, дефектами и загрязнениями. Отжиг так-
же нельзя применять при соединении составных полупроводнико-
вых материалов, поскольку они часто обладают низкой температу-
рой разложения. К этому можно добавить, что при соединении двух
металлизированных подложек температура процесса должна быть
ниже « 450 °C, поскольку при более высоких температурах боль-
шинство металлов, используемых при изготовлении микросистем,
могут просто расплавиться. Поэтому для монтажа микроструктур,
выполненных из таких материалов, необходимо разрабатывать низ-
котемпературные методы соединения. В настоящее время активно
ищутся пути решения этих проблем, которые заключаются в стрем-
лении понизить температуру процесса, сохранив при этом проч-
ность соединения.
При монтаже микросистем используются три температурных
диапазона отжига:
- до 450 °C для металлизированных подложек,
- до 800 °C для подложек с легированными слоями (например для
р+ барьерных слоев),
ч - выше 1000 °C для соединения монокремниевых подложек пе-
, ред обработкой. Было показано, что при поддержании темпе-
ратуры выше 1000 °C в течение нескольких часов, реакции на
границе раздела двух подложек практически полностью закан-
чиваются, и для получения достаточно сильных связей необ-
ходимо проводить отжиг при температуре 1000 °C в течение
не менее двух часов (Harendt et al, 1991). После такого отжига
практически невозможно разделить подложки, не сломав их.
2.5.4-3. Сплавление кремниевых материалов
Сплавление поликремния, диоксида кремния или нитрида кремния
с монокристаллическим кремнием похоже на процесс соединения
двух монокремниевых подложек. Однако в случае соединения поли-
2.5. Применение объемных технологий обработки кремния
кремния с монокремнием необходимо проводить предварительную
шлифовку двух поверхностей, чтобы на них не оставалось никаких
дефектов. Механизм соединения здесь также заключается в обра-
зовании на поверхностях связей между кремнием и гидроксильны-
ми группами Si—ОН. Поэтому при сплавлении поликремния и моно-
кремния также требуются фазы предварительной подготовки (ги-
дрофилизации) и отжига.
Сплавляемые материалы обладают разными механическими ха-
рактеристиками, что при температурной обработке может приво-
дить к возникновению напряженных состояний, приводящих к изги-
бам подложек или другим дефектам. Здесь трудно бывает получить
соединение подложек без пустот. При сплавлении подложек, покры-
тых тонкими пленками из термических оксидов или нитридов крем-
ния, получаются равномерные соединения. Однако при сплавлении
поверхностей, покрытых более толстыми оксидными или нитридны-
ми пленками, в соединениях появляются пустоты (Gardner, Varadan,
Awadelkarim, 2001).
2.5.5. Анодное соединение
Анодное соединение — это метод склеивания двух кремниевых пла-
стин при помощи тонкого слоя стекла. Установка для осуществле-
ния анодного соединения, как правило, состоит из нагревательно-
го зажимного устройства с электродом, обеспечивающим подвод
высокого напряжения к склеиваемым деталям. В течении процесса
склеивания в системе поддерживается определенные температура и
уровень напряжения.
Поверхности склеиваемых элементов предварительно чистятся
и шлифуются. Затем на поверхность верхней подложки напыляет-
ся первоначальный слой стекла толщиной несколько микрон. Эта
подложка накладывается на верхнюю часть другой кремниевой пла-
стины, выполняющей роль опоры. Опорная подложка закрепляется
в алюминиевом зажимном устройстве, на которое подается положи-
тельное постоянное напряжение. Отрицательный электрод соеди-
няется с верхней подложкой. Напряжение подается в течении до-
вольно длительного интервала времени, позволяющего току выйти
на минимальный уровень. Анодное соединение обычно проводится
при температуре ниже 400 °C и рабочем напряжении 50... 200 В на
воздухе при атмосферном давлении. Процесс склеивания обычно за-
канчивается за 10... 20 минут.
142 Глава 2. Материалы и методы изготовления микросистем
, 2.6. Применение поверхностных технологий
£ , обработки кремния при изготовлении %,
....... микросистем .-.щ,
С начала восьмидесятых годов двадцатого века поверхностные
технологии обработки кремния стали активно использоваться при
построении механических микросистем. Реализованные по этим тех-
нологиям 2 ^-размерные структуры размещаются, в основном, на
поверхности кремниевой подложки в виде тонких пленок. Размеры
устройств, полученных по поверхностным технологиям, могут быть
на порядок меньше аналогичных структур, построенных по объ-
емным технологиям. Основным преимуществом микросистем, изго-
товленных поверхностными методами, является простота их инте-
грации с традиционными интегральными схемами, поскольку они
могут быть реализованы на тех же самых подложках. Однако ми-
ниатюрность поверхностных микросистем имеет свои недостатки,
их малые размеры и вес делают их непригодными для применения
во многих датчиках и приводах. Эта проблема особенно ощутима в
емкостных механических микродатчиках (см. раздел 6.4) и микро-
приводах, управляемых за счет изменений емкости, что объясняет-
ся трудностями получения высоких уровней емкостной связи. Для
преодоления вышеуказанной проблемы были разработаны методы,
использующие глубокое травление, такие как LIGA, но они трудно
применимы к кремниевым подложкам.
Существует несколько подходов к изготовлению микросистем по
поверхностным технологиям:
- создание защитных слоев при построении механических ми-
кроструктур,
- совместное применение традиционных методов изготовления
- > микросхем и жидкостного анизотропного травления,
* - использование плазменного травления для производства ми-
\ кроструктур на поверхности кремниевой подложки.
-’С '
‘ 2.6.1. Технология защитного слоя
По этой технологии в качестве структурного материала для по-
строения микроэлементов, в основном, применяется поликремний,
и только в редких случаях — монокремний. Для создания защит-
ного слоя здесь используется хорошо известный традиционный ме-
тод химического осаждения из газовой фазы при низких давлени-
ях (см. главу 4). Пленки, получаемые таким способом, отличаются
2.6. Применение поверхностных технологий обработки кремния
отличными механическими свойствами, сравнимыми со свойствами
монокристаллического кремния. Если в качестве структурного ма-
териала используется поликремний, защитный слой обычно строит-
ся из диоксида кремния. Элементы из защитного материала всегда
выполняют вспомогательную роль в производстве микроустройства
и никогда не входят в его окончательную структуру.
Технология защитного слоя состоит из следующих основных этапов:
- осаждения и формирования защитного слоя из диоксида крем-
ния на подложке,
а., - осаждения и формирования слоя из поликремния,
- - удаления защитного оксида травлением в плавиковой кислоте
(HF). Этот шаг необходим для вытравливания оксида из-под
поликремниевой структуры.
Считается, что поликремний выступает в качестве структурного
материала, а диоксид кремния — защитного. Это сочетание выбра-
но потому, что оно подходит почти для всех практических приложе-
ний. Однако иногда применяются и другие комбинации материалов.
2.6.2. Материалы, применяемые в технологии
защитного слоя
В идеальных механических микроструктурах отсутствуют остаточ-
ные механические напряжения, т. е. нанесенные пленки не имеют
значительной остаточной деформации. Если это не выполняется,
могут возникнуть серьезные проблемы. Например, балка на двух
опорах может изогнуться при наличии в структурном материале
даже незначительной остаточной деформации сжатия. Но при соот-
ветствующем выборе условий нанесения слоев и оптимизации фазы
отжига можно получить пленки из структурных материалов, прак-
тически свободные от остаточных механических напряжений.
Поверхностные технологии требуют подбора соответствующих
пар структурных и защитных материалов, а также выбора подходя-
щих-химических реагентов. Структурные материалы должны обла-
дать физическими и химическими свойствами, необходимыми для
выполнения конкретных функций. В дополнение к этому структур-
ные материалы должны иметь соответствующие механические ка-
чества, такие как высокие пластичность и прочность на разрыв,
минимальные ползучесть и усталость, а также хорошую износостой-
кость. Защитные материалы также должны обладать хорошими ме-
ханическими характеристиками для предотвращения поломки изде-
лия во время изготовления. Им необходимо иметь хорошую адгезию
и низкое остаточное напряжение, чтобы защитить микрострукту-
ры от расслоения и/или разломов. Травильные реагенты должны
обладать отличной селективностью, чтобы обеспечивать удаление
защитного материала, не затрагивая саму микроструктуру. Они
также должны иметь соответствующие вязкость и характеристи-
ки поверхностного натяжения.
2.6.2.1. Поликремний/диоксид кремния
Об этой паре материалов уже шла речь в первой главе. Это самая
распространенная система, в ней в качестве структурного матери-
! ала применяется поликремний, химически осажденный из газовой
фазы при низких давлениях, а в роли защитного материала выступа-
ет диоксид кремния, выращенный термическим способом или также
осажденный из газовой фазы. Для растворения оксида используется
плавиковая кислота (HF), которая не оказывает никакого влияния
на поликремний. В качестве электрического изолятора в этой си-
* ’ стеме часто применяется нитрид кремния. Эта система обладает
следующими достоинствами:
- И поликремний, и диоксид кремния используются в традици-
онных технологиях изготовления интегральных схем, поэтому
технологии их нанесения хорошо отработаны;
- Поликремний обладает отличными механическими характе-
ристиками и может быть легирован различными примесями
для придания ему необходимых электрических свойств. Леги-
рование применяется не только для изменения электрических
свойств, но и для влияния на механические характеристики
поликремния. Например, у свободно подвешенной балки, изго-
товленной из легированного фосфором поликремния, макси-
мальная длина волны звуковых колебаний будет значительно
выше, чем у балки из чистого поликремния;
- Получение слоев из диоксида кремния методами термическо-
го выращивания или осаждения из газовой фазы можно про-
v. водить в широком температурном диапазоне (200... 1200 °C),
?е.; что удовлетворяет требованиям многих технологических про-
', цессов. Однако качество получаемых оксидных пленок сильно
зависит от температуры их осаждения;
- Материалы системы совместимы с технологией производства ин-
тегральных схем. И поликремний, и диоксид кремния являются
стандартными материалами, используемыми при изготовлении
микросхем. Эта общность позволяет использовать технологию
защитного слоя при производстве интегрированных устройств.
2.6. Применение поверхностных технологий обработки кремния 145^
2.6.2.2. Полиимид/алюминий
В этой системе в качестве структурного материала используется
полимер «полиимид», в то время как алюминий выполняет роль за-
щитного материала. Для растворения защитного слоя алюминия ис-
пользуются реагенты на основе кислотных производных алюминия.
Эта система обладает тремя достоинствами:
- Модуль упругости полиимида ~ в 50 раз меньше, чем у поли-
кремния;
- Полиимид перед разрушением способен выдерживать большие
механические напряжения;
- Технологические процессы обработки и полиимида, и алюми-
ния проходят при относительно низких температурах (< 400 °C).
Однако полиимид имеет не очень хорошие вязкоупругие характери-
стики (например, он склонен к ползучести), поэтому для микроси-
стем, построенных на его основе, характерен значительный пара-
метрический дрейф.
2.6.2.3. Нитрид кремния/поликремний и волъфрам/диоксид
кремния
В системе нитрид кремния/поликремний структурным материалом
является нитрид кремния, а защитным материалом — поликремний.
Здесь для удаления поликремния применяется анизотропное травле-
ние кремния растворами КОН и EDP.
В системе вольфрам/диоксид кремния в качестве структурного
материала используется осажденный из газовой фазы вольфрам, а
роль защитного материала выполняет диоксид кремния. Для уда-
ления защитного оксида здесь, как правило, применяется раствор
плавиковой кислоты (HF).
И, наконец, приведем еще одну работающую систему, в которой,
как и раньше, нитрид кремния служит для построения структур,
а вот алюминий используется вместо поликремния, как защитный
материал.
. -*•
2.6.3. Плазменное травление, как метод
поверхностных технологий
В поверхностных технологиях кроме методов сухого и жидкостного
травления применяется плазменное травление. Плазменное травле-
ние кремниевых подложек при помощи смеси газов на основе SFe/Ch
и CF4H2 превосходит два остальных метода по своей селективно-
сти при удалении слоев из фоторезиста, диоксида кремния и алю-
6 - 10482
«Юка иИИЬш
миния. Однако при использовании плазменного травления обычно
происходит значительное подтравливание маски. В то время как
при реактивно-ионном травлении в смеси газов хлора и фтора под-
травливания, как правило, не происходит, и, если в качестве мас-
кирующего материала применяется фоторезист, получаются почти
вертикальные профили. Поэтому плазменное травление в смеси га-
зов хлора и фтора используется на поверхности кремниевой подлож-
ки для формирования прямоугольных структур из поликремниевых
пленок до 30 мкм глубиной. Для изготовления микроприводов необ-
ходимо применение методов глубокого травления, для чего подхо-
дит глубокое реактивно-ионное травление.
2.6.4. Объединение технологии изготовления
интегральных схем (ИС) с методом
анизотропного жидкостного травления
Объединение указанных технологий позволяет изготавливать сво-
бодные многослойные микроструктуры без формирования допол-
нительных масок. Основное достоинство такого процесса — его
низкая стоимость. На первой стадии этого процесса по ИС техно-
логии формируется многослойная структура, обычно состоящая из
стандартных изоляционных и пассивирующих диэлектрических пле-
нок, а также из слоев поликремния и металла. Слои из поликремния
и металла, считающиеся активными, как правило, располагаются
между диэлектрическими пленками, что необходимо для обеспече-
ния электрической изоляции и защиты компонентов. После этого в
соответствии с определенным шаблоном вокруг построенной мно-
гослойной структуры путем удаления всех диэлектрических слоев
проделываются специальные «окна», через которые происходит об-
лучение кремниевой поверхности.
На второй стадии процесса, называемой заключительной фазой,
подложки погружаются в анизотропный травильный раствор, уда-
ляющий весь облученный кремний вокруг многослойной структу-
ры. Далее, применяя операцию подтравливания, освобождают гото-
вую микроструктуру. Поскольку активные слои находятся между
диэлектрическими пленками, они полностью защищены от травиль-
ных реагентов. Вместо погружения в травильную ванну всей много-
слойной структуры можно применять процедуру травления только
к нижней части подложки. Такой подход позволяет формировать
структуры определенной формы, но, поскольку он требует больших
временных затрат, он является также и более дорогим.
2.1. Изготовление полимерных микросистем
2.7Изготовление полимерных микросистем
методом микростереолитографии (МСП)
МСЛ, также называемая микрофотолитография, была впервые при-
менена для изготовления сложных 3D микроструктур с высоким
характеристическим соотношением в 1993 году (Ikuta, Hirowatari,
1993). МСЛ является аддитивным процессом, позволяющим изгота-
вливать трехмерные элементы из принципиально новых материалов.
МСЛ, в принципе, совместима с кремниевыми микротехнологиями
и рядом КМОП процессов (Более подробное описание МСЛ и дру-
гих методов изготовления полимерных микросистем можно найти
в книге (Varadan, Xiang, Varadan, 2001).
В последние годы большое внимание уделялось повышению точ-
ности и быстродействия МСЛ. Наиболее удачными разработками
признаны методы сканирующей МСЛ (Ikuta et al, 1996, Zizzi et al,
1996) и проекционной МСЛ (Bertsch et al, 1997, Monneret, Loubere,
Corbel, 1999, Nakamoto, Yamaguchi, 1996). Сканирующая МСЛ фор-
мирует твердую микроструктуру по шаблону, воссоздавая ее спо-
собом точка-за-точкой, линия-за-линией, в то время как в проекци-
онной МСЛ каждый слой изготавливается за одну фазу облучения.
Очевидно, что быстродействие проекционной МСЛ гораздо выше,
чем у сканирующей (Beluze, Bertch, Renand, 1999). Подробное опи-
сание этих двух методов МСЛ приведено в работе (Varadan, Xiang,
Varadan, 2001), в разделах 2.7.1 и 2.7.2 информация о сканирующей
и проекционной МСЛ будет приведена в сокращенном варианте.
В предыдущих разделах были рассмотрены методы объемной и
поверхностной обработки кремния, которые, к сожалению, не годят-
ся для изготовления действительно трехмерных структур с высоким
характеристическим соотношением. При построении традиционных
микросистем 3D элементы получаются при объединении планарных
кремниевых подложек, изготовленных методами микрообработки.
Несмотря на то, что традиционными методами можно реализовать
широкий спектр устройств, в том числе интегрированных с микро-
схемами, они все же имеют ряд недостатков:
- Эти методы очень дороги, и для них требуется специфическое
оборудование, а также чистота окружающей среды в зоне про-
изводства;
- До сих пор в этих методах можно применять только кремний
и металлы;
- Этими методами невозможно получить трехмерные структу-
ры, имеющие кривые поверхности;
- Число возможных слоев здесь также ограничено.
6*
Для устранения этих недостатков и были разработаны методы МСЛ.
Также отметим, что с появлением тонкопленочных органических
транзисторов стало возможным изготавливать полимерные микро-
системы, встроенные в микроэлектронные устройства (Varadan,
Varadan, 2001).
2.7.1. Метод сканирования
Большая часть установок МСЛ, применяемых для изготовления ВЧ
микросистем, построена на основе метода сканирования (рис. 2.15).
Принцип метода сканирования заключается в том, что хорошо сфо-
кусированный лазерный луч с поперечными размерами порядка 1 мкм
направляется на поверхность смолы, инициируя в нем процесс поли-
меризации. Для формирования трехмерной микроструктуры необ-
ходимо организовать либо перемещение лазерного луча, либо само-
го обрабатываемого элемента, и осуществлять такое сканирование
слой за слоем.
УФ полимер
Рис. 2.15. Экспериментальная установка
для сканирующего метода
На рис. 2.15 показана схе-
ма экспериментальной уста-
новки. Она состоит из Не-
Cd лазера с длиной волны
442 нм, оптического модуля-
тора, гальванического скане-
ра, трехкоординатной X УZ-
платформы, линз объектива
и компьютера (Ikuta, Maruo,
Kojima, 1998). Лазерный луч
фокусируется внутри сосуда
с мономерами в точке, коор-
динаты которой задаются лу-
чом сканера и перемещени-
ем платформы вдоль оси Z.
Сканер и платформа упра-
вляются при помощи компью-
тера. Таким образом внутри
жидкости формируется тре-
буемая 3D структура. Такой
подход имеет следующие до-
стоинства:
- За один проход можно сформировать микроструктуру со сво-
бодно перемещающимися частями;
г. /. изготовление полимерных микросистем
- Здесь не требуется никакой дополнительной доработки гото-
вого изделия;
- Здесь отсутствует какая-либо сборка.
Все это вместе позволяет изготавливать более сложные микросисте-
мы, чем это было возможно при использовании объемных и поверх-
ностных методов обработки кремния.
Такой метод имеет отличную разрешающую способность поряд-
ка 1 мкм. Скорость изготовления может быть увеличена, если со-
гласовать управление зеркалами гальванического сканера с переме-
щением платформы.
2.7.2. Двухфотонная микростереолитография
Как упоминалось выше в традиционных методах МСЛ не было воз-
можности получать сколь угодно малую толщину слоев, что объяс-
няется вязкостью и эффектами поверхностного натяжения. Двух-
фотонная МСЛ лишена этого недостатка, поскольку здесь нет не-
обходимости наносить смолу слоями.
интеграл квадрата интенсивности
интеграл интенсивности
лазерного луча
Рис. 2.16. Двухфотонное и однофотонное поглощение, вызванное сфоку-
сированным лучом лазера: а — сфокусированный луч лазера;
б — поперечное распределение однофотонного поглощения; в —
поперечное распределение двухфотонного поглощения.
Когда луч лазера фокусируется в точке при помощи линз объек-
тива микроскопа, как показано на рис. 2.16 a (Maruo, Kawata, 1998),
плотность фотонов уменьшается с увеличением расстояния от фо-
кальной плоскости, но при этом общее количество фотонов в каж-
дом поперечном сечении луча остается постоянным (см. рис. 2.16 б).
Поэтому смола полностью полимеризуется по всей освещенной зо-
не, даже за пределами фокальной точки, что ведет к значительно-
му снижению разрешающей способности установки. Это означает,
что при использовании материалов с однофотонным поглощением
и методы изготовления микросистем
(т. е. материалов, в которых для перехода в возбужденное состоя-
ние молекулам требуется один фотон излучения) реализуется ли-
нейная зависимость уровня полимеризации от интенсивности облу-
чения. Очевидно, что такие мономеры не обладают свойством опти-
ческого разделения. Но при использовании материалов с двухфотон-
ным поглощением уровень полимеризации будет уже пропорциона-
лен квадрату плотности фотонов. Следовательно, интегральная ре-
акция системы будет максимальной в фокальной точке (рис. 2.16 в),
и полимеризация произойдет только в небольшом объеме в преде-
лах глубины фокуса. Для поддержания двухфотонного поглощения
лазерный луч должен обладать очень большой мощностью (порядка
нескольких кВт).
с □ оптический модулятор
с □ аттенюатор
Рис. 2.1Т. Оптическая часть
двухфотовной МСЛ установки
Титан-сапфировыЙ лазер
ионный лазер
' На рис. 2.17 показана установка для двухфотонной МСЛ (Магпо,
Kawata, 1998). Луч, генерируемый титан-сапфировым лазером с син-
хронизованными модами, направляется двумя сканирующими галь-
ваническими зеркалами. Луч при помощи линз объектива фокуси-
руется в требуемую точку в растворе мономеров. ПЗС камера ис-
пользуется для корректировки фокусировки луча, а монитор — для
задания формы микроструктуры. Для получения многослойной струк-
туры Z-платформа перемещает контейнер с мономерами вдоль опти-
ческой оси. Maruo использовал линзы объектива с апертурой 0.85
(увеличение 40). Точность позиционирования зеркал гальваническо-
го сканера составляла 0.3 мкм, а Z-платформы — 0.5 мкм. Пиковая
мощность лазерного луча в смоле была порядка 3 кВт с периодич-
ностью 76 МГц и шириной импульса 130 фемтосекунд (10“15с) при
длине волны 770 нм.
\ Ui.H<”
2.7.3. Применение поверхностных технологий для
построения полимерных микросистем
Принципы поверхностных технологий, применяемые при работе с
кремнием, подходят и для построения полимерных микросистем.
Правда, тонкопленочные методы здесь не годятся. При реализа-
ции полимерных микросистем используется МСЛ для полимериза-
ции как структурных, так и защитных материалов, поэтому здесь не
требуется применения масок, как это было в технологиях обработки
кремния. В качестве структурных могут выбираться материалы из
следующих групп:
(1) Чувствительные к УФ излучению полимеры с электронной про-
водимостью;
(2) Полимеры с ионной проводимостью;
(3) Полимеры типа UV001 (VHS Technologies, State College, РА
16803), чувствительные к УФ излучению, реализованные на
основе уретан акрилата, эпоксидного акрилата и акрилокси-
лана;
(4) Полимеры, чувствительные к УФ излучению, реализованные
на основе химически связанных углеродных нанотрубок.
В качестве защитного полимера, как правило, используется акриль-
ная смола, содержащая 50% кварца и модифицированная при помо-
щи crystal violet (Bertsch et al, 1997). Эта композиция может быть
удалена при 80 °C раствором каустической соды с концентрацией
2моль/л. В книге (Ikuta, Maruo, Kojima, 1998) приведены примеры
применения этой технологии.
2.7.4. Проекционный метод
Как уже упоминалось, сканирующая МСЛ подходит для очень точ-
ного изготовления 3D микроструктур с высоким характеристиче-
ским соотношением, но, к сожалению, этот метод, даже при исполь-
зовании гальванического сканера, обладает низким быстродействи-
ем. Сканирующая МСЛ строит объекты слой за слоем, но при этом
каждый слой формируется точка-за-точкой, линия-за-линией. Цель
проекционной МСЛ — ускорить процесс изготовления 3D микро-
структур. Здесь, по-прежнему, объект строится слой за слоем, но
каждый слой формируется однократным экспонированием УФ из-
лучением через маску. Возможность многократного использования
пластин с нанесенными фотомасками позволяет значительно сни-
зить время формирования структуры, но требует дополнительных
затрат на изготовление масок.
Существует два основных типа проекционных установок МСЛ,
одна из них использует настоящие фотомаски для проектирования
УФ шаблона (Nakamoto, Yamaguchi, 1996), в другой применяются
динамические маски, под которыми здесь понимается проекционное
отображение шаблона при помощи жидкокристаллической матрицы
(ЖКМ) (Bertsch et al, 1997).
2.7.4-1. Проекционная МСЛ при помощи масок
Рис. 2.18. Установка проекционной МСЛ при помощи масок
Здесь, как и в стандартной фотолитографии, изображение переда-
ется на жидкий фотополимер при освещении его УФ лучами через
пластину с фотомаской шаблона (рис. 2.18) (Taylor et al, 1994). После
этого на верхней части затвердевшего полимера подготавливается
очередной слой жидкого фотополимера. Повторяя этот процесс, по-
лучают многослойную 3D структуру (Suzumori, Koga, Haneda, 1994).
(в)
Рис. 2.19. Модель МСЛ с применением масок и результаты моделирова-
ния: а — теоретическая модель метода МСЛ с применением
масок, б — моделирование получаемой полимерной структуры
(а = 500 мкм, h = 1000 мкм), в — поперечное сечение затвердев-
шего полимера
Рассмотрим уравнения, описывающие оптическую часть уста-
новки МСЛ (Nakamoto, Yamaguchi, 1996). Когда луч с равномер-
ной интенсивностью То проходит через квадратную маску, имею-
щую центр в точке х = 0, у = 0, и слой полимера вдоль оси z, на
поверхности жидкого полимера (см. рис. 2.19 а) происходит дифрак-
ция. Интенсивность дифрагированного света определяется следую-
щим выражением:
Id(x, у, z) = O.25Io(C2C2 + C2S2 + S2C2 + S2S2), (2.62)
154 Глава 2. Материалы и методы изготовления микросистем
где .!/• . •
- Р2 , 9 4 1 , : f (7Г1Г \ ' Г'* СТ = / cos —— \du, J \ 2 ) pi Р2 /9ч а f (пи Sx= sin 1 — \du. Pi 92 / 9ч / / тги2\ Су — I cos 1 jau, "Т 91 */• / 2 4 Sy = sin ( J du, 91 (2.63) (2.64) (2.65) (2.66)
а граничные условия для интегралов определяются как
Pl = -7= (- - О-5) , у/т \а / Р2 = -У= + 0.5) , у/т \а / Q1 = ^= (--0.5), у/т \а / ,2 = -^+0.5), у/т \а / # 2X(h + г) т = „ , az (2.67) (2.68) (2.69) (2.70) (2.71)
А — длина волны УФ излучения, а — длина стороны квадратной
маски, а А — расстояние между маской и поверхностью смолы.
Интенсивность света внутри смолы 1(ж,у, z) может быть опре-
делена по закону Бира-Ламберта:
'• . ; !{x,y,z} = Id(x,y,0)exp(-az), . (2.72) .
где а — коэффициент поглощения смолы. Энергия, полученная по-
лимером при УФ облучении за время t, может быть выражена в
виде:
Е(х, у, z) = 1(х, у, z)t.
Полимер начинает затвердевать, когда эта энергия превысит неко-
торый пороговый уровень Eq. Значения а и Eq обычно определя-
ются экспериментально. При Е(х, у, z) = Eq затвердевший полимер
принимает требуемую форму, соответствующую спроецированному
изображению.
Также как и в методе сканирующей МСЛ точность изготовления
здесь определяется экспозицией. Как показано на рис. 2.19 6, глуби-
на полимеризации сильно зависит от воздействия лазерного облу-
чения (Nakamoto, Yamaguchi, 1996). УФ-экспозиция слабо влияет на
поперечные размеры получаемой структуры, которые, в основном,
определяются шаблоном маски, что справедливо для постоянного
расстояния между маской и поверхностью смолы.
Расстояние между маской и поверхностью смолы является очень
важным параметром для проекционной МСЛ. Чем больше это рас-
стояние, тем из-за дифракции больше поперечные размеры полу-
чаемой структуры (рис. 2.19 в, (Nakamoto, Yamaguchi, 1996)). Для
уменьшения этого эффекта и получения высокой точности в про-
екционной установке МСЛ маска должна располагаться как можно
ближе к поверхности смолы.
Рис. 2.20. Схема установки динамической МСЛ
2.7.4-2. Проекционная МСЛ с динамическими масками
Этот тип МСЛ вместо статической пластины с фотомаской ис-
пользует генератор динамических масок, что позволяет значитель-
но сократить время изготовления сложных 3D микрообъектов. На
рис. 2.20 показана схема установки проекционной МСЛ с динами-
ческими масками (Bertsch et al, 1997). В динамической МСЛ ша-
Глава 2. Материалы и методы изготовления микросистем
блон маски формируется на ЖКМ, жидко-кристаллической матри-
це, управляемой компьютером. Для этого изображение маски, со-
зданное в специальном формате CAD, подается на компьютер, где
транслируется в цифровой код и отправляется на ЖКМ, которая
выполняет функцию динамической маски. После этого лучи света
проходят через маску, сформированную на ЖКМ, и фокусируются
на поверхности смолы, инициируя процесс селективной полимериза-
ции. Облученная зона смолы, соответствующая прозрачным точкам
на ЖКМ, затвердевает.
Остальная часть установки динамической МСЛ аналогична стан-
дартной МСЛ, включая подготовку слоя, управление включением/вык-
лючением света и т. д. Следует отметить, что в этой установке при-
сутствует только один перемещаемый элемент, что значительно ее
упрощает.
В динамической МСЛ процесс получения твердой микрострук-
туры методом фотополимеризации может быть описан при помощи
закона Бира-Ламберта. Поскольку здесь время t является самым
критичным параметром, глубина полимеризации dc обычно задает-
ся в следующем виде:
aCF0
где (
(2.73)
(2.74)
а — коэффициент поглощения (1 моль-1см-1), С — концентрация
фотоинициатора (моль/л), t — время экспозиции (с), tc — время
экспозиции (с), необходимое для достижения порогового значения
энергией полимеризации, Q — количество поглощенных фотонов в
единице объема (фотон/м3), которое определяется эксперименталь-
но, a Fq — плотность падающего потока излучения (фотон/м~3см-1).
Жидкокристаллическая матрица вставляется между четырьмя
стеклянными окошками, непроницаемыми для УФ излучения. По-
этому для этой системы необходимо использовать источник види-
мого света и другой набор химических реагентов (Bertsch et al,
1997). Поперечные размеры формируемой структуры определяются
динамической маской, разрешающая способность и контрастность
которой полностью зависят от параметров ЖКМ.
2.7. Изготовление, полимерных микросистем
2.7.5. Архитектура полимерных микросистем,
использующих кремний, металлы и
керамику
При изготовлении новых микросистем требуется совместное при-
менение разных функциональных материалов, таких как полимеры,
керамика, металлы и их сплавы. В этом разделе будет показано, как
можно использовать МСЛ для реализации микросистем на основе
таких разных материалов.
2.1.5.1. МСЛ для керамики
Функциональные и структурные керамические материалы облада-
ют рядом полезных свойств, например, высокой температурной и
химической устойчивостью, большой прочностью, низкой темпера-
турной проводимостью и пьезоэлектрическим эффектом. Были раз-
работаны несколько современных методов для изготовления кера-
мических микроструктур (Gardner, Varadan, Awadelkarim, 2001, Va-
radan, Xiang, Varadan, 2001). МСЛ может быть применена для бы-
строго построения свободных керамических 3D микроструктур, при-
чем такой процесс изготовления не требует высоких температур
и давления в отличие от традиционных методов микрообработки
кремния.
Отличие МСЛ для керамики от МСЛ для полимеров заключается
в следующем:
(1) Композиция для полимеризации в случае МСЛ для керамики
состоит не только из мономеров и фотоинициаторов, но и из
керамической пудры, дисперсантов и разжижающих реагентов
(Zhang, Jiang, Sun, 1999). Дисперсантыи разжижители исполь-
зуются для получения гомогенной керамической суспензии с
относительно низкой вязкостью. В процессе УФ полимериза-
ции частички керамики связываются друг с другом при по-
мощи полимера, образуя тем самым керамическую структуру.
Как правило, вязкость керамической суспензии выше вязко-
сти'-большинства жидких полимеров, в связи с чем замедляет-
ся процесс подготовки слоя. Для решения этой проблемы был
разработан прецизионный нож (рис. 2.21, Zhang, Jiang, Sun,
1999);
(2) В двухфазной системе трудно организовать передачу света
при проведении МСЛ. Это связано с рассеянием света на твер-
дых керамических частицах, что сказывается на глубине по-
лимеризации и ширине линий.
Глава 2. Материалы и методы изготовления микросистем
Рис. 2.21. Установка МСЛ для керамики
Глубина полимеризации определяется следующим выражением
(Gardner, Varadan, Awadelkarim, 2001, Varadan, Xiang, Varadan, 2001):
, Ф , ( E
(2.75)
где
(2-76)
Здесь ф — средний размер частиц керамической пудры, £ — доля
объема, занимаемого керамическим материалом в суспензии, п —
коэффициент преломления раствора мономеров, Дтг — разница меж-
ду коэффициентами преломления керамического и мономерного рас-
творов, а А — длина волны УФ излучения.
Этапы изготовления керамических микроструктур показаны на
рис. 2.22. Первый этап заключается в подготовке керамической сус-
пензии. Субмикронная керамическая пудра смешивается с мономе-
рами, фотоинициаторами, дисперсантами, разжижителями и т. д. в
течение нескольких часов в шаровой мельнице. Готовая керамиче-
ская суспензия помещается в емкость, где проводится ее УФ облуче-
ние в соответствии с изображением в CAD формате. После этого по-
лученную промежуточную керамическую структуру ставят в печь,
где сначала происходит выжигание полимерных связей, а потом вы-
сокотемпературное спекание для формирования плотных керамиче-
ских элементов. Температура проведения этих процессов определя-
2.1. Изготовление полимерных микросистем
ется типом используемых полимерных и керамических материалов.
Полученные керамические структуры теперь готовы к дальнейшей
сборке или использованию.
Рис. 2.22. Этапы '-МСЛ
.для керамики
2.1.5.2. Металлические микроструктуры
Микросистемы часто имеют в своем составе металлические микро-
структуры. Для построения 3D металлических микроструктур бы-
ли разработаны следующие технологии: пространственной формов-
ки, электрохимического изготовления, выборочного выжигания ла-
зером и лазерного плакирования (Cohen et al, 1999, Kathuria, 1996,
Taylor et al, 1994). В этом разделе будет дано краткое описание ме-
тода пространственной формовки, поскольку он обладает довольно
хорошей разрешающей способностью, и, следовательно, перспекти-
вен для промышленного производства.
Пространственная формовка включает в себя несколько разных
технологий, необходимых для изготовления твердых металлических
трехмерных элементов из мелкой пудры (Taylor et al, 1994). Подоб-
но тому, как это реализовано в проекционной МСЛ, для построения
шаблонов на хромированной маске используются данные о форми-
руемой структуре, хранящиеся в компьютерных CAD моделях. Спе-
циально изготовленный пресс офсетной печати наносит негативный
материал (вокруг твердых участков остаются пустые места) на ке-
рамическую подложку из нескольких совмещенных слоев толщиной
порядка 0.5 мкм, используя для этого пигментированные органиче-
ские красители. Каждый слой подвергается воздействию УФ излу-
чения. После нанесения определенного количества слоев негативных
материалов (например, 30), при помощи специального ножевого при-
способления заполняют образующиеся пустоты позитивным краси-
телем, содержащим большое количество металлической пудры (на-
пример, 50% объема) (Рис. 2.23, Thornell, Johansson, 1998). Эти за-
полненные слои также облучаются УФ светом. Перечисленные опе-
рации повторяются до получения требуемой толщины промежуточ-
ной структуры (например, 500мкм). Промежуточная структура по-
мещается в программно управляемую печь для удаления органики и
проведения процесса спекания. По окончании этого этапа получают
чисто металлическую микроструктуру.
УФ излучение
Нанесение красителя
Слой красителя
(облученный
и необлученный)
облучение
Необлученный
слой наполнителя
(или подложка)
Облученный
слой
наполнителя
Рис. 2.23. Схема проведения пространственной формовки ........
1 J ’ . .. <4 i .
2.Т.6. Объединение методов
микростереолитографии и
толсто-пленочной литографии
Многие компоненты механических микросистем изготавливаются
при помощи планарных технологий, таких как поверхностные (тон-
копленочные) и объемные методы обработки кремния. Трехмерные
структуры с высоким характеристическим соотношением могут
быть получены методами LIGA, глубоким реактивно-ионным тра-
2.8. Заключение
влением и литографией с использованием толстых слоев резиста.
Хотя все эти технологии обладают высокой разрешающей способ-
ностью, они не позволяют получать реальные 3D структуры. Для
построения сложных трехмерных элементов применяются методы
МСЛ, но при этом появляются проблемы, связанные с их невысо-
кой разрешающей способностью и дополнительными операциями с
полимерными микроструктурами. Объединение технологий МСЛ и
толсто-пленочной литографии позволит создать новый метод по-
строения 3D микроструктур, обладающих большей функциональ-
ностью (Bertsch, Lorenz, Renaud, 1998). Для этих случаев подходит
материал EPON SU-8, свойства которого описаны в разделе 2.4.3, а
в главе 6 приведен пример его применения для построения фазовра-
щателей.
2.8. Заключение
В этой главе приведено описание материалов и полимеров, а также
методов изготовления механических микроустройств, находящихся
на начальных стадиях разработки. Также здесь кратко представле-
ны методы объемной и поверхностной обработки кремния с различ-
ными техниками монтажа и построения барьерных слоев для оста-
новки процесса травления. В дополнение к этому дан обзор МСЛ
и способов ее объединения с другими технологиями. МСЛ является
очень перспективным методом, поскольку позволяет изготавливать
недорогие реальные 3D структуры из широкого диапазона мате-
риалов, полимеров, металлов и керамики. Здесь также обсуждались
методы поверхностной обработки, применяемые для реализации по-
лимерных микросистем. ,
Литература
Apel, U., Graf. H.G., Harendt, С., Hofflinger, В., Ifstrom, Т., 1991,
«А 100rV4ateral DMOS transistor with а 0.3 micron channel in a 1 micron silicon-
film-on-insulator-on silicon», IEEE Transactions on Electronic Devices 38: 1655-
1659.
Beluze, L., Bertsch, A., Renaud, P., 1999, «Microstereolithography: anew process to
build complex three-dimensional objects», Proceedings of SPIE 3680: 808-0-817.
Bertsch, A., et al., 1997, «Microstereolithography using a liquid crystal display as
dynamic mask generator», Microsystem Technology 3: 42-47.
Bertsch, A., Zissi, S., Jezequel, J.Y., Corbel, S., Andre, J.C., 1997, «Microstereolithog-
raphy using a liquid crystal display as dynamic mask generator», Microsystem Tech-
nologies 3: 42-47.
Глава 2. Материалы и методы изготовления микросистем
Bertsch, A., Lorenz, Н., Renaud, Р., 1998, «Combining microstereolithography and
thick resist UV lithography for 3D microfabrication», in IEEE Proceedings of MEMS
’98, IEEE, Washington, DC: 18-23.
Chomnawang, N., Lee, J.-B., 2001, «On-chip 3D air core microinductor for high fre-
quency applications using deformation of sacrificial polymer», Proceedings of SPIE
4334: 54-62.
Cohen, A., Zhang, G., Tseng, F.-G., Frodis, U., Mansfeld, F., Will, P., 1999, «EFAB:
rapid low-cost desktop micromachining of high aspect ratio true three-dimensional
MEMS», in Proceedings of IEEE MEMS, IEEE, Washington, DC: 244-251.
Cukauskas, E.J., Kirchoefer, S.W, Pond, J.M., 2000, «Low-loss BaO.5 SrO.5 ТЮз
thin films by inverted magnetron sputtering», Journal of Applied Physics 88(5):
2830-2835.
Dellmann, L., Roth, S., Beuret, C, Racine, G.A., Lorenz, H., Despont, M., Renaud,
P., Vettiger, P., De Rooij, N.F., 1997, «Fabrication process of high aspect ratio
elastic structure for piezoelectric motorapplications», Proceedings of the Interna-
tional Conference on Solid State Sensors and Actuators, Transducers ’97, Chicago,
Volume 1, 641-644.
Despont, M., Lorenz, H., Fahrni, N., Brugger, J., Renaud, P., Vettiger, P., 1998,
«High aspect-ratio, ultra-thick, negative-tone near-UV photoresist for MEMS ap-
plications», Sensors and Actuators A 64: 33-39.
Ding, X., Kuribayashi, K., Hashida, T., 1999, «Development of a planar type micro
electro magnetic distance sensor using high aspect ratio photoresist and its applica-
tion», in International Symposium on Micomechatronics and Human Science, IEEE
Nagoya, Japan: 227-233.
Fouassier, J.-P., 1995, Photoinitiation, Photopolymerization and Photocuring: Funda-
mentals and Applications, Hanser/Gardener, New York.
Gardner, J.W., Varadan, V.K, Awadelkarim, O., 2001, Microsensors, MEMS and
Smart Devices, John Wiley, Chichester, UK.
Guerin, L., Bossel, M., Demierre, M., Calmes, S., Renaud, P., 1997, «Simple and low
cost fabrication of embedded microchannels by using a new thick film photoplastic»,
Proceedings of the International Conference on Solid State Sensor and Actuators,
Part 2. IEEE, NJ: 1419-1422.
Haertling, C.L., 1989, «Patterned ceramics for multilayer packaging using ultraviolet
curabe pastes», M.Sc. thesis, Pennsylvania State University, university park, PA.
Harendt, C., Graf, H.G., Hollinger, B., Penteker, E., 1991, «Silicon direct bonding for
sensor applications — characterization of the bond quality», Sensors and Actuators
A 25: 87-92.
Harriss, J.E., Pearson, L.W., Wang, X., Barron, C.H, Pham, A.V., 2000. «Membrane-
supported Ka band resonator employing organic micromachined packaging», IEEE
MTT-S International Microwave Symposium 2: 1225—1228.
Hashimoto, T., Kikuchi, T., Watanabe, K., Ohashi, N., Saito, T., Yamaguchi, H.,
Wada, S., Nat-suaki, N., Kondo, M., Kondo, S., Homma, Y., Owada, N., Ikeda, T.,
1998, 0.2-mum bipolar-CMOS technology on bonded SOI with copper metallization
for ultra high-speed processors, Proceedings of the International Electron Devices
Meeting, San Francisco, CA, USA, IEEE, Piscataway, NJ: 209-212.
Ikuta, K., Hirowatari, K., 1993, «Real three dimensional microfabrication using stere-
olithography and metal molding», in Proceedings of IEEE MEMS, IEEE, Washing-
ton, DC: 42-47.
Ikuta, K., Ogata, T., Tsubio, M., Kojima, S.,1996, «Development of mass productive
microstereolithography (mass-IH process)», in Proceedings of IEEE MEMS, IEEE,
Washington, DC: 301-305.
Ikuta, К., Maruo, S., Kojima, S., 1998, «New microstereolithography for freely moved
three dimensional microstructure-super IH process with submicron resolution», in
Proceedings of IEEE MEMS, IEEE, Washington, DC: 290-295.
Kagan, J., 1993, Organic Photochemistry: Principles and Applications, Academic
Press, New York.
Kai, C.C., 1994, «Three-dimensional rapid prototyping technologies and key develop-
ment areas», Computing & Control Engineering Journal 5(4): 200-206.
Kathuria, Y.P, 1996, «Rapid prototyping: an innovating technique for microfabrica-
tion of metallic parts», in Proceedings of the 1996 7th International Symposium on
Micro Machine and Human Science, MHS ’96, October 2-4, Nagoya, Japan, IEEE,
Piscataway, NJ: 59-65.
LaBianca, N., Delorme, J., 1995, «High aspect ratio resist for thick film applications»,
Proceedings of SPIE 2438: 846-852.
Lasky, J.B., 1986, «Wafer bonding for silicon-on-insulator technologies», Applied Phy-
sics Letters 48: 78-80.
Lee, K., LaBianca, N., Rishton, S., Zohlgharnain, S., 1981, «Micromachining applica-
tions for a high resolution ultra-thick photoresist», Journal of Vacuum Science and
Technology В 13: 3012-3016.
Levin, I., Leapman, R., Kaiser, D.L., 2000, «Microstructure and chemistry of non-
stoichiometric (Ba,Sr)TiOs thin films deposited by metalorganic chemical vapor
deposition», Journal of Malerials Research 15: 1433.
Li, H.C., Si, W., Wang, R.L., Xuan, Y., Liu, B.T., Xi, X.X., 1998, «Oxide thin films
for tunable microwave devices», Materials Science and Engineering В 56: 218.
Liu, W.Y., Steenson, D.P, Steer, M.B., 2001, «Membrane-supported CPW with mount-
ed active devices», IEEE Microwave and Wireless Components Letters 11: 167-169.
Lorenz, H., Despont, M., Fahrni, N., Labianca, N., Renaud, P., Vettiger, P., 1997,
«SU-8: a low cost negative resist for MEMS», Journal of Micromechanics and Mi-
croengineering 7: 121-124.
Maruo, S., Kawata, S., 1998, «Two-photon-absorbed near-infrared photopolymeriza-
tion of three dimensional microfabrication», Journal of Microelectromechanical Sys-
tems 5: 24-32.
McCormick, M.A., Roeder, R.K, Slamovich, E.B., 2001, «Processing effects on the
composition and dielectric properties of hydrothermally derived Ba^Sri_гТЮз thin
films», Journal of Materials Researchl6: 1200.
Monneret, S., Loubere, V., Corbel, S., 1999, «Microstereolithography using adynamic
mask generator and noncoherent visible light source», Proceedings of SPIE 3680:
553-561.
Nakamoto, T., Yamaguchi, K., 1996, «Consideration on the producing of high aspect
ratio microparts using UV sensitive photopolymer», in Proceedings of the 1996 7th
International Svmposium MicroMachine and Human Science, MHS ’96, October
2-4, Nagoya, Japan, IEEE, Piscataway, NJ: 53-58.
Nazeri, A., Khan, M., 1995, «Strontium-barium-titanate thin films by sol-gel process-
ing», Jourfial of Material Science Letters 14 :1085.
Pappas, S.P., 1992, Radiation Curing: Science and Technology, Plenum, New York.
Peeters, E., Lapadatu, D., Puers, R., Sansen, W., 1994, «РНЕТ, an electrodeless pho-
tovoltaic electrochemical etch-stop technique», Journal of Microelectromechanical
Systems 3: 113-123.
Sedlar, M., Sayer, M., Weaver, L., 1995, «Sol-gel processing and properties of ceri-
um doped barium strontium titanate thin films», Journal of Sol-gel Science and
Technology 5: 201.
Suzumori, K., Koga, A., Haneda, R., 1994, «Microfabrication of integrated FMAs using ste-
reo-lithography», in Proceedings of IEEE MEMS, IEEE, Washington, DC: 136-141.
Глава 2. Материалы и методы изготовления микросистем
Taylor, C.S., Cherkas, Р., Hampton, Н., Frantzen, J.J., Shah, В.О., Tiffany, W.B., Na-
nis, L., Booker, P., Salahieh, A., Hansen, R., 1995, «IEEE micro electro mechanical
systems», in Proceedings of MLMS ’95, IEEE, Washington, DC: 203—208.
Thornell, G., Johansson, S., 1998, Microprocessing at the fingertips», Journal of Mi-
cromechanics and Microengineering 8: 251-262.
Thrope, J., Steenson, D., Miles, R., 1998, «High frequency transmission line using
micromachined polymer dielectric», Electronics Letters 34: 1237-1238.
Varadan, V.K., Ghodgaonkar, D.K., Varadan, V.V., Kelly, J.F., Glikerdas, P., 1992,
«Ceramic phase shifters for electronically steerable antenna systems», Microwave
Journal 35: 116-127.
Varadan, V.K., Selmi. F., Varadan, V.V., 1996, «Voltage tunable dielectric ceramics
which exhibit low dielectric constants and applications thereof to antenna struc-
ture», US Patent 5,557,286.
Varadan, V.K., Xiang, J., Varadan, V.V., 2001, Microstereolithographv and Other
Fabrication Techniques for 3D MEMS, John Wiley, Chichester, UK.
Varadan, V.K, Varadan, V.V., 2001, «Microstereolithography and fabrication of 3D
MEMS and their applications», Proceedings of SPIE 4592: 9-20.
Varadan, V.K., Teo, P.T., 2001a, «Tunable dual-based ferroelectric antenna», US
Patent 6,329,959.
Varadan, V.K., Teo, P.T., 2001 b, «Tunable electromagnetic coupled antenna», US
Patent 6,333,719.
Wang, S.S., McNeil, V.M., Schmidt, M.A., 1992, «An etch-stop utilizing selective
etching of n-type silicon by pulsed potential anodisation», Journal of Microelec-
tromechanical Systems 1: 187—192.
Won, J.H., Раек, H., Huang, Y.S., Kim, K.K., Cho, Y.S., 1995, «Phase formation and
characteristics of rf sputtering of barium strontium titanic thin films on various
bottom layers», Journal of Material Science: Materials in Electronics 6: 161-164.
Zhang, Z.L, McDonald, N.C., 1992, «А RIE process for submicron, silicon electrome-
chanical structures», Journal of Micromechanics and Microengineering 2: 3138.
Zhang, X., Jiang, X.N, Sun, C., 1999, «Microstereolithography of polymeric and ce-
ramic microstructures», Sensors and Actuators 77: 149-156.
Zhu, B., Mehta, A., Varadan, V.K., 2002, «Integrated MOSFET based accelerometer»,
Smart Materials and Structures. In press.
Zhu, B., Varadan, V.K., 2002, «Integrated MOSFET based hydrophone device for
underwater applications», Proceedings of SPIE 4700: In press.
ГЛАВА 3
ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ
МИКРОПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ
И МИКРОРЕЛЕ *
3.1. Введение
ВЧ ключи являются самыми распространенными компонентами ВЧ
микросистем. Ключи и реле — простые, но важные элементы всех
автоматизированных систем. Они используются в интерфейсах меж-
ду микросистемами и другими устройствами и служат для автома-
тического переключения сигналов, что увеличивает гибкость и рас-
ширяемость всей системы в целом. Например, применение ключей
для организации двух режимов работы: тестового и измеритель-
ного, позволяет уменьшить количество элементов системы, и, сле-
довательно, упростить само устройство тестирования. В дополне-
ние к этому, при помощи соответствующей схемы переключения
можно использовать один и тот же вольтметр для измерения на-
пряжения в разных точках схемы. Приведем основное определение
ключа: ключ — это устройство, позволяющее замыкать и раз-
мыкать электрическую цепь. Всем хорошо известно, что токи и
напряжения в электрической цепи подчиняются законам Кирхгофа,
которые заключаются в следующем:
(1) В любом замкнутом контуре сумма произведений сил токов
на сопротивления соответствующих участков этого кон-
тура равна сумме приложенных к нему э.д.с.-,
(2) Сумма сил токов, сходящихся в одном узле, равна нулю.
Эти законы должны выполняться в любых блоках системы и не на-
рушаться даже при размыкании цепи. Другими словами, если в це-
пи перестал течь электрический ток, указанные законы все рав-
но должны продолжать выполняться. При выполнении операции по
размыканию цепи всегда возникают переходные процессы переклю-
чения, и чем выше частота, тем сложнее становится их анализ.
При работе с ВЧ сигналами ключи могут вносить в схему допол-
нительные емкость и сопротивление по сигнальным линиям и цепям
Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле
заземления, а также устанавливать перекрестные связи. Посколь-
ку ключи часто являются механическими устройствами, они име-
ют ограниченный срок службы и подвержены поломкам. Конечное
время переключения является серьезным препятствием для исполь-
зования ключей во многих ВЧ устройствах. В зависимости от типа
ключа это время находится в диапазоне от миллисекунд до сотен
наносекунд.
ключ
управляющий сигнал
(цифровая информация)
ГСП ПУ1 , , fHI_______►
0 1 0 1 0 0 0 1 0 время
(б)
' Рис. 3.1. Примеры использования ключей. Репродукция из книги К. Chang,
1994, Micro Solid -state Circuits and Applications, John Wiley,
Chichester, UK с разрешения Wiley, ©1994 Wiley
Примечание: f — частота, ПФ — полосовой фильтр
На рис. 3.1 представлены варианты применения ВЧ ключей
(Chang, 1994). Как показано на рис. 3.1 а, ключ может использовать-
ся для подключения антенны то к приемнику, то передатчику сиг-
налов. В режиме передачи ключ должен находиться в положении 1,
3.1. Введение
а в режиме приема — в положении 2. При цифровой модуляции в
системах связи (рис. 3.16) ключ выполняет работу разрешающего
устройства, то пропускающего, то останавливающего сигнал. При
соответствующей организации работы такого ключа можно полу-
чить любую форму сигнала. На рис. 3.1 в показана схема широко-
полосного генератора сигналов, построенного на базе нескольких
узкополосных источников. Вариант использования ключей для вы-
бора каналов широкополосного приемника представлен на рис. 3.1 г.
Ключи могут управлять подключением различных измерительных
систем. Например, для организации одновременного мониторинга
показаний измерителя мощности и спектрального анализатора под-
ходит схема на рис. 3.1 д. Применение ключей в радарной системе
показано на рис. 3.1 е.
, ; (Д)
антена
радар
модуляциониий сигнал
(е)
Рис. 3.1. Продолжение
168 Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле
В этой главе рассматриваются оба типа ВЧ ключей: и полупро-
водниковые, и механические. Разработка ключей начинается с вы-
бора методов управления и оптимизации различных параметров.
ВЧ ключи — это не просто последовательное или параллельное
соединение диодов или монолитных ВЧ интегральных схем, это объ-
единяющая часть любой ВЧ системы. Соответствующий выбор ВЧ
ключей помогает уйти от работы в предельных режимах и обеспе-
чить выполнение поставленных задач. При аккуратном подборе ха-
рактеристик переключения можно реализовать ВЧ ключи, соответ-
ствующие практически любым приложениям. В разделе 3.2 приве-
дено описание основных характеристик ключей. Принцип действия
электронных переключателей объясняется в разделе 3.3. В разде-
ле 3.4 рассмотрены некоторые системы переключения, применяемые
в настоящее время в ВЧ и СВЧ технике. В этом же разделе дана
перспектива развития ключей для ВЧ микросистем с учетом су-
ществующих технологий. В разделе 3.5 дано описание исполнитель-
ных механизмов, используемых в ключах разного типа, а в разделе
3.6 рассмотрены методы, позволяющие уменьшить размеры элек-
тромагнитных реле и их исполнительных механизмов. Раздел 3.7
посвящен вопросам динамики процессов переключения. Фундамен-
тальные основы моделирования и разработки ключей для ВЧ микро-
систем приведены в разделе 3.8. В разделах 3.9 и 3.10 обобщается вся
информация, представленная в третьей главе, касающаяся вопросов
разработки и применения ключей в ВЧ областях. Целью этой гла-
вы было изучение основных принципов разработки и моделирования
ключей для ВЧ микросистем, а не подробное рассмотрение каких-то
конкретных устройств.
3.2. Параметры переключения
Электрическая энергия передается через проводники, такие как про-
вода и шины, а процессом передачи можно управлять при помощи
реле и ключей. Основными элементами любой электрической це-
пи являются: источник электрической энергии, нагрузка или под-
ключенные устройства и замкнутый контур для обеспечения про-
текания тока. Если любой из этих элементов отсутствует, тока в
цепи не будет, и, следовательно, электрическая энергия от источ-
ника не дойдет до подключенных устройств. При разработке ВЧ
ключей существенными являются следующие параметры:
- длительность переходных процессов,
- время переключения,
3.2. Параметры переключения 169
— переходные процессы при коммутации,
- коммутируемая мощность ВЧ сигнала,
**' - согласование входных/выходных цепей,
1 - ширина полосы пропускания, ( -
- вносимые потери,
- развязка входа от выхода,
-л,. . • му
- последовательное сопротивление, t ч ,
- напряжение срабатывания, . , fI
- СРОК Службы, г.,,.,: .г, ж-"Г,
- резонансная частота,
- перекрестные наводки и уровень искажений,
- согласование по амплитуде и фазе.
Кроме этих характеристик для ключей с механическими исполни-
тельными механизмами важны также срок службы и резонансная
частота механических частей.
Длительность переходных процессов зависит от скорости
изменения состояния ключа. Для операции включения она опреде-
ляется как время нарастания выходного ВЧ сигнала с 10% до 90%
от его значения, а для операции выключения — как время спада
выходного сигнала с уровня 90% до уровня 10%. Другими словами,
длительность переходных процессов — это время, необходимое для
изменения выходного напряжения на 1 дБ от состояния срабаты-
вания. Для простого механического ключа это время определяется
от момента отрыва подвижного контакта от одного стационарного
контакта до момента его соприкосновения с другим стационарным
контактом.
Время переключения также определяется скоростью пере-
ключения ключа из одного состояния в другое. Однако здесь при
операции включения это время определяется от момента достиже-
ния управляющим напряжением уровня 50% до момента перехода
выходным ВЧ сигналом уровня 90%. Аналогично, при выключении
ключа время измеряется до момента достижения ВЧ сигналом 10%
уровня от первоначального значения. Следовательно, время пере-
ключения характеризует реакцию ключа на изменение управляю-
щего напряжения. К времени, требуемому для механического пере-
ключения, или времени переходных процессов могут прибавляться
различные дополнительные составляющие, например, время задерж-
ки или нарастания управляющего сигнала. Очевидно, что полупро-
водниковые ключи имеют лучшее быстродействие по сравнению с
170 Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле
механическими. Время переключения всегда больше длительности
переходных процессов ключа.
Переходные процессы при коммутации ключа — это экс-
поненциальное убывающие всплески ВЧ напряжений во входных
и/или выходных цепях ключа, вызванные изменением управляюще-
го сигнала. Переходные процессы коммутации являются важной ха-
рактеристикой работы ключей. При измерении спектра выходного
сигнала необходимо тестировать все компоненты ВЧ системы, та-
кие как усилители и ключи. В процессе переключения возникают
и электромеханические, и электромагнитные переходные процессы.
Электромеханические переходные процессы возникают из-за меха-
нического перемещения элементов ключа (если они существуют),
а электромагнитные — из-за взаимодействия электрических и маг-
нитных полей электрических компонентов системы.
Переходные процессы усиливаются при наличии в системе нели-
нейных элементов. Переходные процессы в PIN диодах объясняют-
ся внутренним накоплением заряда, который быстро исчезает при
подаче управляющего напряжения (см. раздел 3.4.2). Диоды Шотки
практически не накапливают заряд, здесь переходные процессы вы-
зываются несогласованием управляющих цепей. Переходные процес-
сы арсенид-галлиевых полевых транзисторов (ПТ) возникают из-за
появления емкостной связи в переходе затвор-канал, что особенно
сказывается при быстром изменении напряжения на затворе ПТ.
Коммутируемая мощность ВЧ сигнала — характеристи-
ка, показывающая насколько эффективно ключ пропускает ВЧ сиг-
нал. Чаще всего передача мощности определяется точкой компрес-
сии 1 дБ, что взято из усилительной техники. Предполагается, что
мощность выходного и входного сигналов связаны линейной зависи-
мостью. Но на практике это условие выполняется только до какого-
то уровня мощности, называемой максимальной. Точка компрессии
1 дБ определяется как максимальный уровень входной мощности,
при котором выходная мощность становится на 1 дБ меньше, чем
в линейной области. Передача мощности ВЧ сигнала для многих
устройств, таких как PIN диоды и ряд ИС, зависит от частоты.
Под согласованием входных/выходных цепей подразуме-
вается согласование их импедансов, что часто является для ВЧ клю-
чей непростой задачей. Входные и выходные цепи ключа должны
быть согласованы как во включенном, так и отключенном состо-
яниях. Это необходимо для снижения влияния ключей на работу
всей системы. Неправильное согласование иногда приводит к неже-
дательным переотражениям сигналов внутри цепи, которые могут
стать причиной выхода системы из строя. Хотя на практике идеаль-
ного согласования удается достичь очень редко, все же необходимо
стремиться удерживать переотражения сигналов в пределах допу-
стимых уровней.
Ширина полосы пропускания является важной характери-
стикой ключей. Как правило, ключи не имеют нижнего предела ча-
стоты рабочего диапазона, а имеют только верхний предел. Для по-
лупроводниковых устройств этот факт объясняется конечной ско-
ростью носителей заряда, а для электромеханических ключей — по-
терями, обусловленными сопротивлениями и паразитными связями,
ограничивающими их быстродействие.
Вносимые потери ВЧ устройств показывают эффективность
передачи сигналов. Для ключей вносимые потери определяются толь-
ко для включенного состояния, когда происходит передача сигна-
ла. Они выражаются через коэффициент передачи бщ, измеряемый
в дБ, между входными и выходными выводами переключающего
устройства. На практике желательно, чтобы вносимые потери ВЧ
ключей были минимальными. Для большинства твердотельных пе-
реключателей вносимые потери уменьшаются с ростом частоты.
Поэтому можно разработать ключи для ВЧ микросистем, работаю-
щие на частотах несколько ГГц при низком уровне вносимых потерь.
Развязка входа от выхода определяется в момент отсутствия
передачи сигнала. Ее мерой также является коэффициент бщ между
входными и выходными выводами переключателя в выключенном
состоянии, т. е. когда нет передачи сигнала. Большое значение это-
го коэффициента, измеряемое в дБ, соответствует очень маленькой
связи между входом и выходом переключающего устройства. Же-
лательно, чтобы у ключей этот коэффициент был максимальным.
В ВЧ микросистемах значение этого коэффициента может умень-
шиться из-за возникновения связи между механическими частями и
линиями передач, что вызывает появление токов утечки.
Последовательное сопротивление. На практике ключ часто
включается последовательно с линией передачи сигнала. Любое со-
противление, вносимое ключом во время передачи сигнала (во вклю-
ченном состоянии), вызывает снижение уровня сигнала. На низких
частотах такое влияние ключа можно выразить в виде последова-
тельного сопротивления, играющего роль во время прохождения
сигнала. На высоких частотах это влияние часто входит во вно-
симые потери.
Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле
Напряжение срабатывания. Для всех ключей, работающих в
автоматических системах, необходим сигнал управления, координи-
рующий их состояние (вкл/выкл). Уровень напряжения таких сиг-
налов для разных ключей может сильно различаться. В полупровод-
никовых переключающих устройствах, как правило, не возникает
никаких проблем с обеспечением требуемого напряжения срабаты-
вания, тогда как в современных электромеханических ключах это
напряжение желательно снизить до уровня, на котором работают
остальные компоненты схемы.
Срок службы не является значимым для полупроводниковых
ключей. Однако для переключающих устройств, в состав которых
входят механические части, эта характеристика становится доста-
точно важной. Поломки таких частей, вызванные усталостью ма-
териала или неблагоприятными окружающими условиями, снижает
срок службы всей системы.
Резонансная частота. Все движущиеся части механических
ключей имеют свою собственную резонансную частоту, которую
можно выразить через их резонирующую массу и эффективный ко-
эффициент упругости. На этих частотах потенциальная и кинети-
ческая энергии входят в резонанс, что ограничивает максимальную
скорость переключения, но никак не влияет на частоту передавае-
мых ВЧ сигналов.
В электрических схемах резонанс возникает на частоте, при ко-
торой реактивное сопротивление становится равным индуктивному
сопротивлению. В последовательной схеме при резонансе наблюда-
ется максимальный ток при минимальном импедансе, в параллель-
ной схеме — наоборот.
Точка перехвата — это экстраполяция мощности искажений
к уровню мощности управляющих сигналов при отсутствии ком-
прессии сигналов. Обычно считается, что точки перехвата в PIN
диодах связаны с временем жизни неосновных носителей. Отноше-
ние накопленного заряда к последовательному сопротивлению диода
является основным фактором, характеризующим искажения в PIN
диодах.
Согласование по фазе и амплитуде является важной харак-
теристикой многоканальных ключей, поскольку она определяется
конструкцией всего устройства и параметрами отдельных каналов:
их длиной и потерями в них. Поэтому, как правило, для каждого ка-
нала определяются свои фазовые и амплитудные характеристики.
3.3. Принципы переключения
На рис. 3.2 показаны две основные схемы подключения ключей. Для
обеспечения электрического контакта могут использоваться либо
механические ключи, такие как реле, галетные переключатели, проб-
ки или переключатели мгновенного действия, либо твердотельные
ключи, построенные на полевых транзисторах, монолитных СВЧ
микросхемах и т. д. При кажущейся простоте механизма для разры-
ва электрической цепи, используемого в механических ключах, все
не так однозначно при ближайшем рассмотрении. Например, уста-
новившийся ток в открытом состоянии ключа от источника к на-
грузке изменится, как только контакт ключа начнет перемещаться.
При этом плотность тока может стать такой высокой, что часть
металлической поверхности расплавится за счет резистивного на-
грева. Образовавшаяся газообразная плазма из жидкого металла со-
хранит электрическую связь даже при физическом разделении кон-
тактов ключа. Это может привести к электрическому пробою или
возникновению электрической дуги при рассоединении контактов в
зоне нескольких микрон, что критично для микропереключателей в
микросистемах (см. раздел 3.6). В полупроводниковых ключах при
разрыве цепи не может образоваться электрическая дуга, поскольку
они имеют совсем другой принцип работы. Полупроводники могут
проводить ток только при условии движения носителей заряда, ли-
бо дырок, либо электронов, обеспечиваемого источником питания.
При отключении источника питания полупроводниковый матери-
ал ключа возвращает свои диэлектрические свойства, движение но-
сителей заряда останавливается, следовательно, электрический ток
прекращается, это означает, что ключ перешел в выключенное со-
стояние.
(а) ч (б)
Рис. 3 .2. Типовые схемы подключения ключей: а — последовательная
• схема, б — параллельная схема (Z — импеданс)
I 74 Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле
3.3.1. Механические переключатели
Примерами механических ключей являются тумблеры, кнопочные
переключатели, реле и т. д. В реле электрический ток, протекаю-
щий через катушку, приводит к появлению электромагнитной си-
лы, вызывающей физическое замыкание или размыкание металли-
ческих контактов. Наиболее распространенными переключающими
элементами являются якоря, которые бывают разнообразной фор-
мы, что обеспечивает возможность их применения для решения ши-
рокого круга задач. Из-за механического перемещения контактов
реле страдают от следующих недостатков: короткого срока служ-
бы, разрушения электрических контактов и низкой износоустойчи-
вости. Все эти причины ведут к их быстрому выходу из строя.
3.3.2. Электронные ключи
Для построения схем электронных переключателей применяются раз-
нообразные элементы, такие как диоды, биполярные и полевые тран-
зисторы. На рис. 3.3 показаны две основные конфигурации схем клю-
чей на полевых транзисторах (ПТ). Переключение полевого транзи-
стора из открытого в закрытое состояние и наоборот происходит
при подаче соответствующего напряжения на его затвор. Обыч-
но Rd '^T Rds-, a Vin меньше 100мВ. Как показано на эквивалент-
ной схеме, когда Vgs = 0, ключ замкнут, и выходное напряжение
практически равно входному. Когда Vgs становится отрицатель-
ным (Vgs < Vgso//), ключ размыкается и выходное напряжение ста-
новится равным нулю. В схеме параллельного ключа при Vgs = 0,
ключ замкнут. Из-за делителя напряжений напряжение на выходе
схемы будет практически равно нулю. При подаче отрицательно-
го Vgs {Vgs < Vgso//), ПТ закрывается, следовательно, ключ раз-
мыкается (рис. 3.3 г), и напряжение на выходе становится равным
входному.
, 3.4. Высокочастотные и сверхвысокочастотные
ключи
В устройствах связи ВЧ ключи используются для перенаправления
сигналов, в цепях согласования импеданса и для изменения коэффи-
циента усиления усилителей. Телекоммуникационные системы ра-
ботают в широком интервале частот, перекрывающем ВЧ и СВЧ
диапазоны. Они используют диапазон AM (несколько МГц), ком-
мерческий диапазон FM (88... 108МГц), диапазон для работы воен-
3-4- Высокочастотные и сверхвысокочастотные ключи
ных радиостанций и диапазон мобильной связи (900 Мгц и 2.4 ГГц),
а также частоту 2.45 ГГц (для обеспечения работы устройств по
технологии Bluetooth, обеспечивающей беспроводную связь разно-
типных микропроцессорных систем в локальной сети). В дополне-
ние к этому существует несколько разработок систем, работающих
в Ku-диапазоне (12.4... 18 ГГц) и в W-диапазоне (75... ПО ГГц), для
которых необходимо применение ВЧ ключей очень высокого каче-
ства. В каждом частотном диапазоне используются ключи, изго-
товленные по разным технологиям (Yao, 2000). Быстрый прогресс
в области персональных устройств связи диктует требования по
уменьшению размеров мобильных систем и их комплектующих.
Рис. 3.3. Схемы ключей на полевых транзисторах (ПТ): а — схема после-
довательного ключа, б - эквивалентная схема последовательного
ключа, в — схема параллельного ключа, г — эквивалентная схема
: параллельного ключа. Здесь Vgs — напряжение на затворе, Vin
и Vout — входное и выходное напряжения, Rd — сопротивление
смещения цепи, R,is — сопротивление сток-исток ПТ.
ВЧ и СВЧ ключи должны выполнять требования не только по
частоте, но и по коммутируемой мощности. Например, ключи на
кремниевых ПТ обладают отличной коммутируемой мощностью на
Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле
низких частотах, а при повышении частоты этот параметр резко
ухудшается (Ota et al, 1995). Ключи на GaAs-полевых транзисто-
рах с МОП структурой затвора (MOSFET) (Ayali, 1982, Caverly,
1993, Gopinath, Rankin, 1985, Slobodnik et al, 1994) и регулируемых
резистивных диодах (PIN) (Alekseev, Pavlidis, 1998, Kobayashi et al,
1993), (Putnam et al, 1994) работают достаточно хорошо на высоких
частотах, но только при небольших амплитудах сигнала. Следова-
тельно, при работе на частоте больше нескольких ГГц твердотель-
ные ключи имеют большие вносимые потери (порядка 1... 2 дБ) и
плохой коэффициент развязки (« —20. ..25 дБ). Отсюда видна по-
требность разработки альтернативных ключей, и современные тех-
нологии изготовления микросистем уже продемонстрировали неко-
торые успехи в этом направлении.
Выбор ключа сильно зависит от уровня сигнала и требуемого
быстродействия. И механические, и электронные ключи имеют как
свои преимущества, так и свои недостатки. В качестве переключаю-
щих устройств в ВЧ и СВЧ микросистемах чаще всего используют-
ся твердотельные полупроводниковые ключи. Это связано с их тех-
нологической совместимостью и низкой стоимостью изготовления.
Поэтому перед рассмотрением ключей для ВЧ микросистем будут
описаны разнообразные ВЧ переключающие устройства и перспек-
тивы их развития.
3.4.1. Механические высокочастотные
переключатели
Электромеханические переключатели широко используются в систе-
мах, работающих в различных частотных диапазонах радио и те-
левизионного вещания, для передачи сигналов высокой мощности.
Такие устройства, как правило, снабжаются либо волноводом, либо
портом с коаксиальными выводами. Ряд фирм (www.microlab.fxr.com,
www.mcibroadcast.com,www.elmika.net,www.walmba.org, www.dowkey.
com, www.astswitch.com, www.macom/products) предлагают электро-
механические ВЧ и СВЧ ключи, обладающие различными характе-
ристиками и работающие в разных частотных диапазонах, с уров-
нем мощности от кВт до МВт. Например, ключ RP-A82 фирмы Mi-
crolab/FXR (www.microlab.fxr.com) представляет собой волноводное
переключающее устройство, рассчитанное на среднюю мощность
50 кВт, пиковую мощность 5 МВт, работающее в частотном диа-
пазоне 2.9... 3.1 ГГц. Поскольку такие устройства работают с сиг-
налами, обладающими высокой мощностью, они должны иметь вы-
3-4- Высокочастотные и се
сокий коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) и не-
большие вносимые потери. В модели RP-A82 уровень вносимых по-
терь составляет 0.07 дБ, а КСВН равен 1.1 : 1 при уровне раз-
вязки входа от выхода 70 дБ на частоте 200 МГц. На рис. 3.4 по-
казаны волноводные электромеханические переключатели фирмы
Advanced Switch Technology, Канада, управляемые постоянным на-
пряжением. Низкочастотные коаксиальные переключатели фирмы
Micro Communications, Manchester, NH, могут выдерживать пико-
вую мощность 1500 кВт в диапазоне от 0 (постоянный сигнал) до
800 МГц. На рис. 3.5 показаны коаксиальные переключатели, рабо-
тающие в диапазоне 0... 26 ГГц, обладающие временем переключе-
ния порядка 15 мс. В программах по освоению космоса, таких как
Pathfinder, Geosat, Immersat 3, Intersat, используются СВЧ ключи
фирмы Dow-Key (www.dowkey.com/products/). Более расширенный
список производителей ВЧ и СВЧ переключателей приведен на сай-
те www.dowkey.com/products. Выбор ВЧ переключателей в основном
зависит от типа используемой платформы и конкретного приложения.
Под механическим пере-
ключением подразумевает-
ся раз рыв/соединение ли-
нии передач или электри-
ческих проводов при помо-
щи электромагнитного ре-
ле, управляемого специаль-
ным сигналом. Существу-
ют механические ключи с
различной схемой включе-
ния/отключения. Например,
в устройствах с блокиров-
кой ключ остается в уста-
новленном состоянии даже
после того, как отключа-
ют управляющее напряже-
ние. Такое положение ключ
Рис. 3.4. Волноводные переключатели (напе-
чатано с разрешения Advanced Switch Tech-
nology, Ontario, Canada www.astswitch.com)
Удерживает до прихода следующего управляющего сигнала. Также
существуют нормально открытые ключи, в которых до прихода на-
пряжения управления все выходы отсоединены от входов. В допол-
нение к этому разработаны ключи, которые открыты только тогда,
когда подано управляющее напряжение. Как только сигнал управле-
ния отключается, ключи возвращаются в закрытое положение.
7 - 10482
Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле
Рис. 3.5. Коаксиальные переключатели (напечатано с разрешения DBP
Microwave, Pasadena, СА www.dbp4switches.com)
Типовой электромеханический ключ повышенной надежности сос-
тоит из электромагнита для воздействия на якорь и пружины, воз-
вращающей его в исходное положение. Такой ключ всегда находится
в нормальном положении (нормально замкнутом или нормально ра-
зомкнутом) до тех пор, пока через катушку не потечет ток, вызыва-
ющий его срабатывание. Ключ вернется в исходное положение, как
только катушка будет обесточена. Такие переключающие устрой-
ства находят свое применение в системах, где возможны перебои в
линии электропитания.
Во многих системах в случае нахождения ключа в отключен-
ном состоянии (электрическая линия разорвана) не существует аль-
тернативного пути для распространения ВЧ сигнала. Для предот-
вращения переотражения ВЧ сигнала обратно к источнику в схему
вводятся специальные устройства, например, циркуляторы, перена-
правляющие энергию ВЧ сигнала по искусственно созданному пути.
Для поглощения мощности ВЧ сигнала во время разрыва электриче-
ской цепи к выводам ключа присоединяются внутренние нагрузоч-
ные элементы, как правило, 50-ти омные резисторы (Losee, 1997).
Несмотря на то, что многие из рассмотренных переключателей
обладают отличными ВЧ характеристиками — низкими вносимы-
ми потерями и высоким коэффициентом развязки обычно вплоть
до частоты нескольких сотен МГц, они имеют очень низкое бы-
стродействие. Обычно время переключения таких’ключей соста-
вляет 2.. ,50мс, и они рассчитаны только на несколько миллионов
переключений. Это обусловлено тем, что электромеханические пе-
реключатели осуществляют реальный разрыв и соединение линии
передач внутри устройства. Максимальное быстродействие таких
ключей (их скорость переключения) определяется механической ре-
зонансной частотой подвижных частей. Для случаев, где требуется
большее быстродействие, предпочтительнее использовать полупро-
водниковые ключи, рассматриваемые в следующем разделе.
3-4- Высокочастотные и сверхвысокочастотные ключи
3.4.2. Высокочастотные переключатели на основе
PIN-диодов
Как указывалось выше, электромеханические ключи обладают пло-
хим быстродействием. В случаях, где быстродействие более важ-
но, чем коммутируемая мощность используют твердотельные пере-
ключатели. Быстродействие электронных ключей на порядок выше,
чем у механических. Более того, габариты электронных переключа-
телей намного меньше размеров механических ключей, работающих
на тех же частотах. В электронных ключах в качестве переключа-
ющих элементов используются полупроводниковые компоненты: ли-
бо диоды, либо полевые транзисторы. Наиболее распространенными
переключающими элементами являются PIN диоды, которые могут
подключаться либо параллельно, либо последовательно, либо в ви-
де последовательно-параллельной комбинации. При включении дио-
дов в ВЧ тракт, их последовательное соединение обладает низкими
вносимыми потерями в широком частотном диапазоне, тогда как
параллельное соединение обеспечивает хороший коэффициент раз-
вязки. Когда необходим компромисс между хорошей развязкой по
входам/выходам и низким уровнем вносимых потерь, применяют
последовательно-параллельное соединение PIN диодов.
Полупроводниковые устройства, к которым относятся и PIN ди-
оды, строятся на основе управляемого полупроводникового пере-
хода. Этот переход может быть включен или отключен при помо-
щи соответствующего напряжения смещения. PIN диод при прямом
смещении выполняет роль низкоомного резистора, а при обратном
смещении превращается в конденсатор с низким уровнем потерь.
Таким образом, меняя напряжение смещения, можно использовать
PIN диод в качестве ВЧ переключающего устройства, либо для на-
правления сигнала по требуемому пути, либо для подключения сиг-
нала к соответствующему выходу. Такой простой переключатель-
ный механизм используется во многих ВЧ схемах и приложениях.
PIN диоды часто применяются при построении ВЧ ключей и фазо-
вращателей. Они также используются в фазоуправляемых антенных
решетках.
Свое название PIN диоды получили из-за своего профиля, состо-
ящего из высоколегированной внутреннего i-слоя, расположенного
между слоями с п- и р-проводимостью. При прямом смещении ди-
ода пары электрон-дырка перемещаются в i-зону. Эти пары носи-
телей заряда рекомбинируют не сразу, вызывая накопление заряда
в i-области, что приводит к уменьшению удельного сопротивления.
Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле
Количество накопленного в i-зоне заряда равно произведению тока
прямого смещения If на время жизни неосновных носителей т:
Q = If х т. ' (3.1)
PIN диоды похожи на обычные р-n диоды, но в отличии от них
обладают малой емкостью перехода, что объясняется большей ши-
риной обедненной зоны. Чем ниже емкость, тем выше импеданс ди-
ода при обратном смещении и тем выше коэффициент развязки в
выключенном состоянии. Этот эффект позволяет использовать PIN
диоды в качестве ВЧ переключателей. На рис. 3.6 а приведена вольт-
амперная характеристика PIN диода, а на рис. 3.6 6 показаны его
эквивалентные схемы во включенном и отключенном состоянии. Ко-
гда диод включен, последовательное сопротивление Ron имеет очень
низкое значение. В отключенном состоянии диод обладает очень
большой емкостью. Отметим, что сопротивление и емкость здесь
включены последовательно, тогда как в эквивалентной схеме ключа
на полевом транзисторе они параллельны.
Рис. 3.6. а — вольтамперная характеристика PIN диода, б — эквивалент-
ные схемы PIN диода во включенном и выключенном состоянии.
Здесь: I — ток, Cj — емкость, Ron — последовательное сопро-
- тивление диода во включенном состоянии, Ra — сопротивление
диода в выключенном состоянии, V — напряжение, Уъ и Vth —
напряжения смещения, Zd — импеданс
В зависимости от технологии изготовления и структуры PIN ди-
оды делятся на две категории: объемные и эпитаксиальные диоды.
В объемных диодах сверху и снизу слабо легированной подложки
из кремния n-типа методом диффузии наносятся слои материала р-
и тг-типа. Таким образом формируется PIN структура. Типичная
толщина i-зоны объемного диода составляет 100. ..250нм, а про-
должительность жизни носителей — 300... 6000 нс. В эпитаксиаль-
ных диодах на сильно легированной подложке тг-типа выращивается
тонкий эпитаксиальный слой (i-зона). На верхнюю часть подложки
методом диффузии наносится тонкий слой сильно легированного
3-4- Высокочастотные и сверхвысокочастотные ключи
материала p-типа. Малая толщина (3.. .20 нм) и неоднородности в
кристаллической решетке i-зоны приводят к более короткой про-
должительности жизни неосновных носителей (5... 300 нс). Относи-
тельно низкое сопротивление i-зоны эпитаксиальных диодов делает
их привлекательными для применения в маломощных переключаю-
щих устройствах. Нижний предел рабочей частоты ключа определя-
ется продолжительностью жизни неосновных носителей г (Chang,
1990):
В большинстве СВЧ систем управляющее напряжение на ключи
подается с выхода схем, построенных на основе ТТЛ элементов. По-
этому быстродействие диода определяется быстродействием ТТЛ
схем и величиной управляющего напряжения. Хотя длительность
переходных процессов в PIN диодах составляет порядка 5 нс, из-
за задержек, связанных с работой схем управления, обычно равных
« 30 нс, время переключения таких ключей будет гораздо выше, чем
время нарастания/спада сигнала в самом ключе.
Рис. 3.7. Варианты ключей на базе PIN диодов: а — последовательный
j..: ключ, б — параллельный ключ. Репродукция из книги A.M. Street,
2000, «RF switch design», IEEE Training Course 2000: How to Design
RF circuits, публикапия 2000/027, IEEE, Piscataway, NJ, USA:4-4/7
с разрешения IEEE, ©2000 IEEE
На рис. 3.7 показаны варианты последовательного и параллель-
ного включения PIN диодов в схемах ключей. В параллельных и
последовательных ключах включение диодов определяется напра-
влением передачи сигналов. На рис. 3.8 показано последовательное
включение диодов при построении микрополосковых однополюсных
ключей на одно направление (ОПОН) и однополюсных ключей на
Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле
два направления (ОПДН). В схеме ОПОН ключа (рис. 3.8 а) сигнал
проходит через линию при прямом смещении диода. В схеме ОПДН
ключа при положительном смещении диода сигнал проходит через
линию от порта 1 на порт 2. Если напряжение смещения станет от-
рицательным, сигнал пойдет от порта 1 на порт 3 (рис. 3.8 б).
смещение
t. Г
разделительный конденсатор •=
(а)
. (б)
Рис. 3.8. Последовательные микрополосковые ключи: а — однополюсный
ключ на одно направление, б — однополюсный ключ на два напра-
вления. Репродукция из книги К. Chang, 1994, Microwave Solid-
state Circuits and Applications, John Wiley, Chichester, UK, с раз-
решения Wiley, ©1994 Wiley
В последовательном ключе (рис. 3.7 a) прямое смещение диода
(открытое состояние) приводит к падению его импеданса, в резуль-
тате чего сигнал почти беспрепятственно проходит от входа к вы-
ходу (ВЧ ключ замкнут). При обратном смещении диода (закры-
тое состояние) его импеданс резко возрастает, и входной сигнал от-
ражается (ВЧ ключ разомкнут). В параллельном ключе (рис. 3.76)
при прямом смещении диод находится в низкоимпедансном состоя-
нии (открытое состояние), что приводит к закорачиванию сигналы
ной линии (ВЧ ключ разомкнут). При обратном смещении диода
(закрытое состояние) влияние его высокого импеданса на линию пе-
3-4- Высокочастотные и сверхвысокочастотные ключи
Рис. 3.9. Схема использования PIN ди-
ода для переключения линий фазовраща-
теля
редачи незначительно, и сигнал проходит от входа к выходу (ВЧ ключ
замкнут). При последовательном способе включения диода ключ
обладает отличной развязкой по входам/выходам, поскольку в вы-
ключенном состоянии импеданс диода увеличивается за счет ин-
дуктивного сопротивления. Индуктивность диода также уменьшает
вносимые потери.
Ключи на PIN диодах при-
меняются для (Bahl, Bhartia,
1988, Chang, 1990, Street, 2000):
- переключения линий фа-
• •: 2 зовращателя внутри фа-
"‘Ч зоуправляемой решетки
" антенны, как показано на
’ рис. 3.9. Изменение фазо-
вого сдвига происходит
‘ при переключении сигна-
ла с одной линии на дру-
s ! гую, при этом каждая ли-
ь ' ния имеет разную длину:
’ li‘ Iq и (Iq + Z), что приводит к появлению дополнительной за-
" " держки /3/, где /3 — постоянная распространения ВЧ сигнала
‘ в определенной среде;
- защиты приемника от передатчика в радарных системах. Здесь
ключ используется в качестве изолятора;
- соединения нескольких узкополосных устройств для создания
*’ широкополосной системы;
- управления прохождением сигнала в цифровых модуляторах.
3.4.3. Полевые транзисторы с МОП структурой
затвора (MOSFET) и монолитные СВЧ
интегральные схемы (MMIC)
До середщгы 80-х годов двадцатого века в быстродействующих СВЧ
системах использовались только ключи на PIN диодах. Далее по-
явились ключи на GaAs-полевых транзисторах, обладающие боль-
шим быстродействием, чем PIN ключи, что объясняется более высо-
кой подвижностью основных носителей в GaAs. В настоящее время
разработаны монолитные СВЧ переключатели на основе MOSFET
транзисторов. По сравнению с PIN диодами GaAs-полевые транзи-
сторы обладают более высоким сопротивлением в открытом состоя-
нии и большей емкостью в закрытом состоянии. Поэтому при разра-
Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле
ботке ключей и фазовращателей на основе GaAs полевых транзисто-
рах необходимо принимать во внимание их конечное сопротивление
в открытом состоянии (Bahl, Bhartia, 1988).
Ключи на полевых транзисторах имеют три вывода. В качест-
ве управляющего входа используется затвор ПТ. Для замыкания
ключа, т. е. получения состояния с низким импедансом, необходи-
мо подать на затвор ПТ напряжение, равное нулю, а для размыка-
ния ключа (высокоимпедансного состояния) — напряжение на за-
творе ПТ должно быть больше напряжения отсечки (Bahl, Bhartia,
1988, Browne, 1989). Ключам на полевых транзисторах не требуется
смещение по постоянному току. Следовательно, при анализе таких
ключей можно ограничиться рассмотрением только пассивного ре-
жима работы (Ayali, 1982). Сопротивление ключа в замкнутом со-
стоянии определяется поперечным сечением токового канала (Ayali,
1982). Ключи на полевых транзисторах являются важной частью мо-
нолитных СВЧ ИС, которые применяются в переключаемых линиях
(Ayali, 1982, Sokolov et al, 1983), в нагруженных линиях(Апбпсо8,
Bahl, Griffin, 1985), в проходных фазовращателях (Schindler, Miller,
1988), в приемниках/передатчиках (Ayali, 1983, Lau et al, 1988) и в
однополюсных двунаправленных переключателях (Schindler, Morris,
1987). На рис. 3.10 и 3.11 показаны варианты некоторых монолит-
ных СВЧ переключателей. Модель SW-229 потребляет 1 мА ток от
источника питания ±5 В и обеспечивает время переключения 175 нс
при длительности переходных процессов 20 нс. Эта модель работает
в частотном диапазоне 0... 2 ГГц.
Рис. 3.10. а — корпус микросхемы, б — монолитная СВЧ ИС однопополюс-
ного двунаправленного переключателя. Репродукция из книги J.
Browne, (1989), «Switches perform high-frequency signal routing»,
Microwaves and RF (July):. 125 132, с разрешения Penton Media,
Adams-Russel Electronics, Anzas Div, Burlington, MA
(б)
3-4- Высокочастотные и сверхвысокочастотные ключи
';ч (а) (б)
Рис. 3.11. а — однофазный двунаправленный переключатель с ТТЛ упра-
" влением фирмы Daico Industries (модель DSO632), монолитная
'г ' СВЧ ИС переключателя SP5T фирмы Tachonics Corporation. Ре-
. s v продукция из книги J. Browne, (1989), «Switches perform high-
frequency signal routing», Microwaves and RF (July): 125-132, c
‘ л разрешения Penton Media, Adams-Russel Electronics, Anzas Div,
Burlington, MA
На рис. 3.3 приведены схемы последовательных и параллельных
ключей на полевых транзисторах. В обоих схемах ключи управля-
ются при помощи напряжения на затворе Vqs- Кремниевые полевые
транзисторы хорошо работают с мощными низкочастотными сигна-
лами, но с повышением частоты их рабочие характеристики резко
ухудшаются. GaAs-полевые транзисторы (MOSFET) и PIN диоды
используются для работы с маломощными ВЧ.
В гибридных СВЧ ИС активные компоненты с сосредоточенны-
ми параметрами и распределенные элементы схем на планарной ли-
нии передач, обычно микрополосковой, соединяются методом пай-
ки или скрутки проводами. Однако монолитные СВЧ ИС получи-
ли более широкое распространение, поскольку в них активные и
пассивные компоненты изготавливаются одновременно на полуизо-
ляционной полупроводниковой подложке (например, GaAs). Такой
подход устраняет необходимость крепления дискретных компонен-
тов и уменьшает потери, связанные с внутренними проводными со-
единениями.
Достоинствами монолитных СВЧ ИС являются низкая стоимость,
миниатюрные размеры, простота корпуса, надежность, возможность
автоматизированного тиражирования и многофункциональность. По
сравнению с ключами на PIN диодах монолитные СВЧ ИС работа-
ют в более широкой полосе частот, имеют более низкое потребление
энергии, большую скорость переключения и меньшую длительность
переходных процессов. Но они обладают большими вносимыми по-
терями.
186 Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле
Для работы с сигналами с частотой выше 1 ГГц такие твердо-
тельные переключающие устройства не очень подходят, поскольку
имеют большие вносимые потери во включенном состоянии (обычно
1... 2 дБ) и плохой коэффициент развязки в выключенном состоянии
—20... —25 дБ. Поэтому для работы с такими сигналами разрабаты-
ваются специальные микросистемы, имеющие в своем составе ВЧ
микропереключатели, рассмотрение которых начнется в следующем
разделе.
3.4.4. Переключатели в ВЧ микросистемах
Прогресс в области технологий обработки кремния во второй поло-
вине двадцатого века привел к значительному улучшению техниче-
ских характеристик современных компьютеров. В состав компью-
теров входят миллион транзисторов, включающихся и выключаю-
щихся в соответствии с управляющими сигналами. Таким образом,
можно сказать, что сам компьютер представляет собой высоко ин-
тегрированный набор ключей. Но для ВЧ систем такие быстродей-
ствующие твердотельные ключи не подходят, поскольку не могут
работать с мощными сигналами и обладают большими резистивны-
ми потерями. Электромеханические ключи, хотя и являются сило-
выми устройствами, но из-за медленной скорости переключения го-
дятся для использования в ВЧ системах только в нижнем диапазоне
частот. Микропереключатели, используемые в ВЧ микросистемах,
объединили в себе достоинства и твердотельных, и электромехани-
ческих ключей, при этом, избежав многих их недостатков.
Почти все микросистемы используют в качестве основного ма-
териала кремний, поэтому и большинство технологий изготовле-
ния микросистем разработаны на базе традиционных технологий
обработки кремния. Всем хорошо известно, что кремний облада-
ет уникальными механическими свойствами, позволяющими изго-
тавливать миниатюрные высокоточные механические устройства и
компоненты. Благодаря прогрессу в области технологий производ-
ства микросистем в конце двадцатого века, стало возможным изго-
товление механических микропереключателей (микропереключате-
лей), которые обладают низкими резистивными потерями, незначи-
тельным потреблением энергии, хорошей развязкой по входам/вы-
ходам и большей коммутируемой мощностью по сравнению с по-
лупроводниковыми ключами. Разработка независимых микропере-
ключателей позволила СВЧ устройствам и компонентам выйти на
потребительский рынок, значительно улучшив технические харак-
теристики систем при снижении их стоимости.
3-4- Высокочастотные и сверхвысокочастотные ключи
С технологической точки зрения главным недостатком тради-
ционных электромеханических ключей является невозможность их
массового производства. Применив для их изготовления нанотехно-
логии, используемые при формировании микросистем, обладающие
хорошей воспроизводимостью, легко наладить тиражирование та-
ких микропереключателей. К тому же при таком подходе их лег-
ко интегрировать с элементами цепей управления, реализованными
традиционными методами обработки кремния. Микропереключа-
тели, построенные с применением нанотехнологий, не только по-
требляют меньше электроэнергии, являются более быстродейству-
ющими и обладают меньшими размерами и весом, они также имеют
высокое отношение импеданса в выключенном и включенном состо-
янии. Первые сообщения об изготовлении микропереключателей по-
явились в 1978 году (Petersen, 1978, 1979). В этой работе описывал-
ся микропереключатель, реализованный на кремниевой подложке,
в котором переключающим элементом была мембрана из диоксида
кремния (SiC>2), деформируемая за счет электростатических сил.
Для ВЧ ключа самым критичным узлом является исполнитель-
ный элемент, что объясняется его повышенной механической слож-
ностью и подверженностью к износу. В микропереключателях ис-
пользуются следующие принципы действия исполнительных меха-
низмов: электростатический, электромагнитный, магнитный, пье-
зоэлектрический и термический. Из-за низкого энергопотребления
самым распространенным является электростатический исполни-
тельный механизм.
По сравнению с ключами на PIN диодах микропереключатели
обладают несколькими преимуществами:
- малым потреблением энергии в режиме переключения (в сред-
нем несколько микроджоулей),
- очень высоким отношением емкостей во включенном и вы-
ключенном состоянии.
Однако у них есть серьезный недостаток: низкая скорость пере-
ключения. В настоящее время возможно изготовления микропере-
ключателей, у которых время переключения составляет 1... 10 мкс,
что значительно хуже, чем у современных твердотельных ключей.
Снижение напряжения срабатывания и повышение коммутационной
мощности ВЧ сигнала также являются для микропереключателей
актуальными проблемами. В таблице 3.1 приведены сравнительные
характеристики некоторых ключей. На рис. 3.12 представлены ги-
стограммы, позволяющие сравнить наиболее распространенные пе-
Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле
реключатели по стоимости, потребляемой мощности и вносимым
потерям.
Таблица 3.1. Сравнение ВЧ ключей и микропереключателей
i Реле Диод Шотки MOSFET PIN диод Монолитная СВЧ ИС Микро- переключатели
Длительность переходных процессов, нс - 5 — 300 5 —
Время перек- лючения, с 210“3 — 3•10“9-10“8 650 10“9 2510“9 « 10~6
Напряжение, В 100-200 — 5-50 3-5 — 3-30
Ток, мкА 1-2 — < 10 10000 — < 10
Сопротивле- ние контактов, Ом 0.005.-0.075 — < 1 1 — 3-5
Показатель качества*, ГГц — — 300-400 1500-2000 — > 3000
Расчетное число пере- ключений 107-108 > ю9 > 109 — — > ю13
Потери на 1 ГГи, дБ 0.25 0.85 0.5-1.0 0.5-1.0 1.1 0.1
Развязка вх/вых на 1ГГи, дБ 70 62 20-40 40 60 > 40
Размеры, мм2 — — 1-5 0.1 — < 0.1
Полный ток, мА «60 180 — 30 0.15 —
Напряжение питания, В +12 +5 — ±5 +5 —
Переходная з.д.с, мВ — 10 — 210 100 —
Полоса про- пускания, МГц 0-1200 2-500 — 20-2000 5-4000 0-40000
Гибкость — — — Да — —
J ‘bit RonC о f f
Микропереключатели можно разделить на 4 группы:
(1) последовательный консольный переключатель,
(2) параллельный консольный переключатель,
3-4- Высокочастотные и сверхвысокочастотные ключи
(3) мембранный переключатель,
(4) переключатель с ртутными контактами.
стоимость, $ мощность, мВт потери , дБ
Рис. 3.12. Сравнение микропереключателей и некоторых популярных ВЧ
ключей по стоимости, потребляемой мощности и потерям
3.4.5. Интеграция ВЧ ключей в устройства связи
и обеспечение изоляции линий
Широкое распространение микропереключателей не может не отра-
зиться на архитектуре современных систем связи. Внедрение тех-
нологии изготовления ВЧ ключей в беспроводные системы связи
значительно улучшает их переключательные и фильтрационные воз-
можности, что позволяет обычному мобильному телефону иметь ко-
эффициент развязки на уровне 60 дБ, а вносимые потери — 0.3 дБ.
К тому же, благодаря использованию ВЧ микропереключателей в
устройствах связи, резко снижается уровень перекрестных искаже-
нии и повышается динамический диапазон.
Для осуществления операции включения/выключения на боль-
шинство переключателей требуется подать управляющее напряже-
ние смещения. При этом линии подачи управляющего напряжения
должны быть хорошо изолированы от линий ВЧ сигнала. На прак-
тике, как правило, напряжение смещения подается на ключ через ВЧ
дроссель, блокирующий ВЧ сигнал. Для ключевых элементов с тре-
мя выводами, таких как полевые транзисторы, вопросы разделения
сигналов не стоят очень остро. Тогда как при разработке электро-
Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле
статических микропереключателей необходимо тщательно проду-
мывать топологию схемы для обеспечения надежной изоляции ВЧ и
управляющих линий друг от друга. Попадание постоянного напря-
жения смещения в ВЧ тракт может привести к выходу из строя ВЧ
устройств и тестирующих систем. В таких устройствах необходи-
мо ставить элементы, блокирующие сигналы постоянного напряже-
ния в ВЧ линиях. Такая блокировка, как правило, предусмотрена во
всех промышленных коммутационных устройствах. Защита от по-
стоянного напряжения может быть также реализована при помощи
спаренных линий.
Практические вопросы объединения и монтажа ВЧ микросистем
и компонентов, изготовленных по традиционной технологии, будут
обсуждаться в девятой главе.
3.5. Исполнительные механизмы микросистем
Прогресс в микро- и нанотехнологиях сказался и на развитии ми-
кросистем. Электромеханическими микросистемами до последне-
го времени считались миниатюрные устройства или комбинирован-
ные наборы электрических и механических компонентов, изгото-
вленные по технологиям производства ИС (Bryzek, Petersen, Mc-
Culley, 1994). Основным преимуществом микросистем является воз-
можность быстрого тиражирования и массового производства. Все
технологии: и самые ранние, такие как объемные технологии обра-
ботки кремния, и более поздние, такие как LIGA, применяемые при
изготовлении микросистем, имеют свои недостатки, и свои досто-
инства. Поскольку ВЧ микросистемы находятся на стадии бурно-
го развития, рано составлять классификацию ВЧ микроустройств.
Инженер-разработчик всегда четко разграничивает функциональ-
ность внутренних элементов ВЧ микросистем. В высокочастотных
схемах микропереключатели могут использоваться либо для замены
ключей на биполярных или полевых транзисторах, либо для перена-
правления ВЧ сигнала между различными линиями .передач. При
разработке ВЧ систем никогда нельзя забывать о реактивных эле-
ментах: индуктивностях и емкостях, поскольку каждый из них игра-
ет важную роль в ВЧ схемах. Исполнительные и управляющие цепи
не должны нагружать основную схему, а сигналы постоянного на-
пряжения необходимо надежно изолировать от ВЧ тракта.
Принцип действия исполнительного механизма ключей может
быть электростатическим, магнитным или электромагнитным, и
каждый из указанных принципов имеет свои достоинства и недо-
статки. Преимущество электростатических исполнительных меха-
низмов заключается в отсутствии потребления тока, а недостаток —
в высоком напряжении срабатывания, обычно 5... 100 В. Достоин-
ство электромагнитных механизмов — более низкое напряжение
срабатывания, но при высоком потреблении тока. Электростатиче-
ские ключи применяются в системах, для которых важным является
низкая потребляемая мощность.
3.5.1. Электростатические исполнительные
механизмы
3.5.1.1. Последовательные контактные переключатели
Впервые мир заговорил о кремнии в начале восьмидесятых годов
двадцатого века, когда благодаря нему произошла настоящая рево-
люция в сфере технологий производства ИС. Позже кремний стал
использоваться для изготовления прецизионных миниатюрных ме-
ханических систем. В конце 1970-ых годов Petersen (1978, 1979) раз-
работал новый класс механических мембранных микропереключа-
телей, реализованных на подложке из кремния. Такие электроста-
тические микропереключатели могли работать с низкочастотным
электрическим сигналом, и их характеристики представляли собой
нечто среднее между параметрами электромагнитных реле и тра-
диционных ключей на кремниевых транзисторах. Электростатиче-
ские микропереключатели — очень маленькие устройства, обычно
не превышающие 100 мкм в длину, управляемые при помощи элек-
тростатических полей. В их состав входит тонкая (0.35 мкм) покры-
тая металлом диэлектрическая мембрана, прикрепленная к кремни-
евой подложке, нависающая над небольшим прямоугольным углу-
блением. Углубление выполняется методом строго контролируемого
вытравливания кремния из-под осажденной диэлектрической пленки.
Совместимость таких ключей с традиционными кремниевыми
ИС привела к дальнейшему их совершенствованию. Современные
последовательные микропереключатели обладают в СВЧ диапазоне
более хорошими характеристиками и бывают консольными (Bozler
et al, 2000, Chang, Chang, 2000, Hyman et al, 1999a, 1999b, Larson,
Hackett, Melendes, 1991, McNie et al, 2000, Pacheco, Nguyen, Katehi,
1998, Park et al, 2000, Randal at al, 1996, Shen, Feng, 1999, Tangonan
et al, 1999, Yao, Chang, 1995, Zavracky, Majumdar, McGruer, 1997, Za-
vracky et al, 1999), емкостными (Brown, 1998, Goldsmith et al, 1998,
Majumdar et al, 1997, Muldavin, Rebeiz, 2000a, 2000b, Pacheto, Katehi,
Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле
Nguyen, 2000, Pacheto, Peroulis, Katehi, 2001, Park et al, 2001, Poltz et
al, 2001, Rizk et al, 2001, Santos et al, 1997, Sovero et al, 1999, Ulm et
al, 2000, Yao et al, 1997) и мембранными (Goldsmith et al, 1995, 1996,
2001, Hiltmann et al, 1997, Muldavin, Rebeiz, 1999, Tan, Rebeiz, 2001,
Yao et al, 1999). Было показано, что наличие во всех перечислен-
ных переключателях подвижного металлического контакта не при-
водит к появлению больших паразитных наводок в СВЧ диапазоне,
и что резистивные ключи обладают низким импедансом в замкну-
том состоянии, а емкостные — высоким емкостным импедансом в
разомкнутом состоянии.
плоскость / плоскость / плоскость
/ /
подложки/ металлической / подложки
/ пластины /
Рис. 3.13. Консольный ключ в линии передач. Репродукция из книги L.E.
Larson, R.H. Hackett, М.А. Melendes, R.F. Lohr, 1991, «Microactu-
ators for GaAs based microwave integrated circuits», IEEE Trans-
ducers on Solid State Sensord and Actuators, IEEE, Piscataway, NJ,
USA: 743-746 с разрешения IEEE©1991 IEEE
Последовательные ключи имеют очень низкий уровень потерь,
низкое напряжение срабатывания, а при работе с небольшими сиг-
налами обладают высокой линейностью рабочих характеристик. Ис-
пользуя такой подход, можно разработать переключатель с изги-
бающейся балкой, обладающий в замкнутом состоянии импедансом
порядка 50 Ом в широком частотном диапазоне, а'в разомкнутом
состоянии — практически бесконечным импедансом. Были пред-
ставлены новые варианты архитектур микропереключателей. Очень
интересен вариант переключателя со структурой воздушного мо-
ста. Существуют две общие формы электростатических переключа-
телей: с резистивным соединением (металл-металл) для получения
омического контакта и с емкостным соединением (металл-диэлек-
трик - металл), в котором используется отношение емкостей во вклю-
3.5. Исполнительные механизмы микросистем
челном и выключенном состоянии. Каждый из этих типов пере-
ключателей имеет свои достоинства и свои недостатки. Подробный
анализ каждой из этих топологий представлен в предыдущих раз-
делах.
Консольная структура состоит из тонкой металлической пласти-
ны, зафиксированной на одном конце и свободно нависающей над
металлической линией передач на расстоянии несколько микрон.
Консоль может быть соединена последовательно с линией передач,
как это показано на рис. 3.13, или металлический контакт может
располагаться сверху линии передач, как на рис. 3.14. Между лини-
ей передач и фиксированным концом консоли находится металличе-
ский электрод, выполняющий роль тянущего вниз механизма.
выходной
сигнал
входной
сигнал
Рис. 3.14. Консольный ключ с включающим электродом. Репродукция из
книги Н. J. De los Santos, Y.-H. Kao, A.L. Caigoy, D.Dirmars,
1997, «Microwave and mechanical considerations in the design of
MEM switches for aerospace applications», Proceedings of the IEEE
Aerospace Conference, Aspen, CO, Volume 3, IEEE, Piscataway, NJ,
-no ; USA:235-254 с разрешения IEEE©1997 IEEE
I A
В обоих вариантах приложенное управляющее напряжение за-
ставляет металлическую пластину опускаться вниз для замыкания
линии передач. В переключателе мостового типа или консольной
конструкции с двумя опорами, показанной на рис. 3.15, тонкая ме-
таллическая мембрана имеет свободное пространство посередине.
Консольные переключатели имеют в своем составе два важных
механических элемента, обеспечивающих работоспособность всего
устройства. Первый — тонкая балка, закрепленная в анкере слева
от нижнего электрода, используемого для подачи управляющего на-
пряжения (рис. 3.16). Второй важный элемент — широкая консоль,
подвешенная над электродом, направленная к ВЧ линии передач.
Силы, действующие на металлические контакты, определяют-
ся условиями на границе электрода и величиной отклонения консо-
ли. Механизм срабатывания микропереключателей может быть опи-
сан уравнениями механики для изгибающейся балки (Timoshenko,
(.лйНЬм иЛЦЛи, -
Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле
Krieger, 1987). Эквивалентная схема, показанная на рис. 3.16 6, по-
могает понять принцип действия электростатических микропере-
ключателей. Металлические части переключателя висят над ниж-
ним металлическим электродом, образуя конденсатор с двумя па-
раллельными пластинами. При подаче напряжения смещения меж-
ду верхним и нижним электродами происходит перераспределение
зарядов, приводящее к появлению электростатических сил между
металлическими поверхностями. Эти силы, вне зависимости от по-
лярности приложенного напряжения, заставляют свободно подве-
шенный контакт двигаться по направлению к нижнему электроду.
Поскольку консоль начинает прогибаться, в ней возникают силы
упругости, направленные в противоположных направлениях.
входной
слой диоксида кремния
и нитрида кремния
р—] 1 -ый и 2-ой слои из
р-легированного поликремния
I. Э 3-ий слой из
р-легированного
поликремния!
область р-типа
область п-типа
алюминий
Si-nitride слой
нитрида кремния
Рис. 3.15. Консольная конструкция переключателя с двумя опорами. Ре-
продукция из книги Н. J. De los Santos, Y.-H. Kao, A.L. Caigoy,
D.Dirmars, 1997, «Microwave and mechanical considerations in the
design of MEM switches for aerospace applications», Proceedings of
the IEEE Aerospace Conference, Aspen, CO, Volume 3, IEEE, Pis-
cataway, NJ, USA:235 254 с разрешения IEEE©1997 IEEE
Как только приложенная сила достигает порогового значения
срабатывания, что происходит, когда электростатические силы ста-
новятся больше сил упругости, консоль резко падает на нижний
электрод, замыкая при этом электрические контакты (рис. 3.16 а).
Консоль возвращается в исходное положение после того, как прило-
женное напряжение станет ниже порогового значения размыкания
контактов, которое обычно бывает много ниже напряжения сраба-
тывания. Такое гистерезисное поведение характерно для всех ми-
кропереключателей (Brown, 1998, Zavracky, Morrison, 1984).
Отклонение конца балки 8 может быть описано уравнением (3.3)
(Hyman et al, 1999а).
3.5. Исполнительные механизмы микросистем
L3
Е Wt3’
(3.3)
где W, L и t — ширина, длина и толщина балки, Е — модуль Юнга,
и — коэффициент Пуассона, a F — электростатическая сила.
устройство для электрод верхнего
верхний электрод крепления контакта контакта
нижний электрод электрод нижнего контакта
Рис. 3.1в. а — Схематичное изображение разомкнутого и замкнутого
ключа. Сила, действующая на контакт, возникает из-за изги-
ба свободного конца балки, определяемого высотой углубления
на контакте. Обычная толщина пленки 1-2 мкм, а ширина зазо-
ра 2 мкм; б — Эквивалентная механическая модель, в которой
д — зазор между электродами, К — модуль упругости, V — на-
” '• ’ ’ i пряжение. Рисунок (а) взят из книги D. Hyman, М. Mehregany,
1999, «Contact physics of gold microcontacts for MEMS switch-
es», IEEE Transactions on Componenets and Packaging Technology
22(3): 357-364 с разрешения IEEE©1999IEEE
M
Эквивалентная схема консольного переключателя, показанная на
рис. 3.16 6, представляет собой ключ в виде конденсатора, у которо-
го одна из параллельных пластин подвешена при помощи идеаль-
ной линейной пружины над второй фиксированной и заземленной
пластиной. Такая система имеет только одну степень свободы —
расстояние между верхней подвижной пластиной и нижней закреп-
Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле
ленной пластиной. Константа упругости К определяется модулем
Юнга и коэффициентом Пуассона верхней пластины и остаточным
напряжением внутри конструкции переключателя. Приложенное на-
пряжение V приводит к Возникновению электростатических сил,
действующих на верхнюю пластину, задаваемых соотношением:
2<72
(3-4)
где £о — диэлектрическая проницаемость внутри зазора между пла-
стинами, А — эффективная площадь пластин конденсатора, д —
расстояние между пластинами. Когда напряжение достигает по-
рогового значения срабатывания, пластины касаются друг друга.
Электростатическим силам противодействуют силы отталкивания,
вызываемые сжатием нижних слоев консоли, которые определяют-
ся следующим выражением: fO(—g), где f — удельная сила сжатия,
0 — единичная функция. Используя закон Гука, силу упругости пру-
жины, направленную вверх, можно записать в виде: К(д$ — <?), <7о —
зазор без сжатия. Размер зазора может быть определен из урав-
нения баланса сил, вызванных приложенным напряжением, которое
можно записать в виде:
£0АУ2
2<72
- f0(—g) - К(д0 - д) = 0.
(3-5)
Коэффициент упругости балки, имеющей две опоры (рис. 3.15), мож-
но записать в виде:
/П3
К = 16EVF ( - ) , ’ (3.6)
. КА*' \L / ’
где Е — модуль Юнга, W, L, t — ширина, длина и толщина балки.
На рис. 3.17 представлены зависимости результирующей силы (сум-
мы электростатических сил и сил сжатия) от величины зазора, по-
считанные при W = 100мкм, t = 0.5мкм, Е = 8 х 1О10 н/м2 (золото),
для разных значений приложенного напряжения (сплошные линии)
при следующих исходных данных А = 4 х Ю4 мкм2, К = 0.25 Н/м.
В рассматриваемом случае предполагается, что исходная величина
зазора составляет 4 мкм, а на верхнюю часть нижнего электрода
нанесен 0.2 мкм слой SisN^ Пунктирная линия соответствует зави-
симости силы упругости от величины зазора.
Без подачи напряжения консольный ключ обладает высоким им-
педансом из-за воздушного зазора между верхней и нижней метал-
3.5. Исполнительные механизмы микросистем
лической пластинами. Поскольку ВЧ переключатели имеют емкост-
ную природу, для работы им не требуется непрерывная подача по-
стоянного тока. Для перевода переключателей во включенное или
отключенное состояние необходима электростатическая энергия,
равная О.бСП2. В общем случае, независимо от типа консольно-
го ключа его переключательные характеристики определяются, в
основном, емкостью и приложенным напряжением. Поэтому рассеи-
ваемую мощность можно оценить при помощи выражения: 0.5CV2 f s,
где fs — скорость переключения. Для переключателя, рассмотрен-
ного выше, нижнее значение емкости равно 13 пФ. При напряжении
смещения ключа в замкнутом состоянии 4 В и частоте переключе-
ния 10 кГц рассеиваемая мощность будет равна « 1мкВт.
Рис. 3.17. График зависимостей результирующей силы от величины зазо-
ра при разных напряжениях для переключателя мостового ти-
па. Репродукция из книги E.R. Brown, 1998, «RF-MEMS switch-
es for reconfigurable internal integrated circuits», lEEETransactions
. . on Microwave Theory and techniques 41: 1323-1328 с разрешения
IEEE©1998 IEEE
Благодаря низкому уровню рассеиваемой энергии и небольшому
току смещения, в ВЧ микропереключателях довольно легко обеспе-
чивается изоляция ВЧ тракта от управляющих цепей. Здесь изоля-
ция может быть выполнена при помощи резисторов, тогда как в тра-
диционных твердотельных ключах, для которых необходим гораздо
J98 Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле
больший ток смещения, для развязки используются индукторы, по-
скольку применение резисторов привело бы к падению напряжения
и повышению потребляемой мощности. По сравнению с индуктора-
ми чип-резисторы имеют гораздо меньшие размеры и стоимость, к
тому же их можно изготавливать на одной кремниевой подложке с
ВЧ микропереключателями, т. е. получать монолитную структуру.
До сих пор рассматривались только физические принципы рабо-
ты микроперключателей и игнорировались практические трудно-
сти, связанные с такими явлениями, как напряжение в материале и
залипание между верхним и нижним электродами. В мостовых пе-
реключателях механическое напряжение определяется, в основном,
растяжением, которое составляет порядка 107 Па. Это напряжение
меняет константу упругости материала и, вследствие этого, уве-
личивает пороговое напряжение. Залипание — это нежелательная
связь между верхним и нижним электродами, возникающая за счет
действия микроскопических сил на поверхности электродов, имею-
щих плоскую форму. Этот эффект сильно зависит от морфологии
поверхности. Проблема залипания стоит особенно остро для ключей
с металлическими контактами.
Одним из критичных моментов электромеханических микропе-
реключателей является их скорость переключения. Механические
ключи всегда имеют меньшее быстродействие, чем электронные,
их скорость переключения лежит в диапазоне от микросекунд до
миллисекунд в зависимости от материала и конструкции. Ключи,
использующие мембрану небольшого веса, являются более быстро-
действующими по сравнению с консольными переключателями.
Когда приложенное напряжение достигает пороговое значение,
консольная конструкция падает на нижний электрод, переводя ключ
во включенное состояние. При уменьшении напряжения консоль воз-
вращается в исходное состояние, что соответствует размыканию
ключа, но это происходит при меньшем напряжении, чем напряже-
ние срабатывания, т. е. в системе появляется гистерезис. На рис. 3.18
показан график изменения зазора в зависимости'от приложенного
напряжения к консольному переключателю (Schiele et al, 1998). Ниж-
ний уровень напряжения срабатывания рассматриваемого консоль-
ного ключа составляет порядка 20 В при токе 50 нА, что объясня-
ется утечками в системе. Следовательно, потребляемая мощность в
этом случае равна 1 мкВт.
В работе (Zavracky, Majumdar, McGruer, 1997) было показано,
что от гистерезиса можно избавиться, если механические микро-
переключатели изготавливать по четырехуровневои поверхностной
технологии с нанесением никеля гальваническим способом. Такие
устройства могут иметь три вывода: исток, сток и затвор с 30 мкм
шириной, 1 мкм толщиной и 65 мкм длиной. Основание балки консо-
ли прикрепляется к истоку, как показано на рис. 3.19. Сама балка
нависает над затвором и истоком. На конце балки, находящейся над
истоком, формируется небольшой контактный выступ. Напряжение
прикладывается к электроду затвора, возникающие при этом элек-
тростатические силы заставляют балку опуститься, замыкая при
этом ключ. При снятии напряжения с затвора восстанавливающая
сила возвращает балку в исходное положение. В случае рассматри-
ваемого ключа, если контакты касаются стока до того, как балка
достигает точки потери стабильности, пороговые напряжения при
включении и выключении будут равны. Если же конструкция ключа
позволяет балке переходить точку потери стабильности, ключ за-
щелкивается и не открывается до тех пор пока приложенное напря-
жение не станет ниже порогового напряжения выключения, т.е. по-
является гистерезис. Такие ключи могут быть почти всегда отрегу-
лированы на работу без гистерезиса, потому что пороговое напря-
жение в них является функцией от геометрических размеров балки
и поэтому легко подстраивается.
Рис. 3.18. Зависимость изменения размеров зазора от приложенного на-
пряжения, измеренная при увеличении и уменьшении напряже-
ния. Репродукция из книги I. Schiele, J. Huber, В. Hillerich,
F.Kozlowsky, 1998, «Surface micromachined electrostatic micro re-
lay», Sensors and Actuators A 66: 345-354 с разрешения Elsevier
Science, ©1998 Elsevier Science
200 Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле
Рис. 3.19. Фотография микропереключателя, сделанная на сканирующем
электронном микроскопе. Репродукция из книги P.M. Zavracky,
J S. Majumdar, N. McGruer, 1997, «Micromechanical switches fabri-
щ; cated using nickel surface micromachining», Journal of Microelec-
tromechanical systems 6(1): 3-9 с разрешения IEEE©1997 IEEE
-71: .,ЩГ
3.5.1.2. Параллельные емкостные переключатели
Последовательные ключи имеют, как правило, металлические кон-
такты и поэтому обладают малыми вносимыми потерями и отлич-
ной линейностью. Для многих практических применений важно, что-
бы у переключателя были минимальные вносимые потери и низкое
рабочее напряжение. Чем выше вносимые потери, тем больше по-
требление энергии, и тем хуже коэффициент шума системы. Ключи
с металлическими мембранами имеют небольшие вносимые потери,
уровни напряжения переключения, совместимые с твердотельными
переключателями, высокую скорость переключения и хорошую ли-
нейность (Goldsmith et al, 1995).
На рис. 3.20 показан мембранный переключатель. Входной ВЧ
сигнал подается через внутренний соединительный элемент на верх-
нюю часть мембраны. Выходная линия, расположенная под мембра-
ной, крепится при помощи тонкой металлической полоски.
На рис. 3.20 б показан вид мембранного переключателя сверху.
Когда на управляющий электрод подается напряжение, электроста-
тические силы заставляют мембрану опускаться вниз. При доста-
точном напряжении мембрана сильно деформируется и входит в
контакт с нижней линией передач, замыкая два полюса, как по-
казано на рис. 3.20 в. Коэффициент развязки ключа в разомкнутом
состоянии определяется величиной паразитной емкости между мем-
браной в верхнем положении и нижней линией передач. Развязка
между входом/выходом может быть улучшена при помощи до пол-
3.5. Исполнительные механизмы микросистем
нительного диэлектрического слоя, нанесенного на линию передач,
который одновременно с этим снижает залипание между контактами.
Рис. 3.20. Простой однофазный однонаправленный мембранный пере-
' ' i ключатель. Репродукция из книги С. Goldsmith, Н.Т. Lin, В.
' Powers, W.R. Wu, В. Norwell, 1995, «Micromachined membrane
switches for microwave applications», Proceedings of IEEE Mi-
crowave Theory and Technology Symposium, 1995, IEEE, Piscat-
awaVj nj, USA: 91-94 с разрешения IEEE, ©1995 IEEE
Как показано на рис. 3.21, в состав модернизированного ключа
входит диэлектрический слой толщиной 1000 А из нитрида крем-
ния илй £ТО (оксида титаната стронция). Без подачи напряжения
ключ обладает высоким импедансом, благодаря воздушному зазору
между нижней и верхней металлическими пластинами. При подаче
напряжения электростатические силы заставляют мембрану откло-
няться вниз, и когда разность потенциалов достигает порогового
значения, мембрана занимает положение, показанное на рис. 3.216.
В этом положении мембрана лежит прямо на диэлектрическом слое,
и между ВЧ сигналом и нижней линией передач образуется емкост-
Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле
ная связь. Эта емкостная связь переводит ключ в состояние с низким
импедансом между верхним и нижним электродами. Отношение им-
педанса в выключенном и включенном состояниях прямо пропорци-
онально отношению емкостей во включенном и отключенном состо-
яниях. Тонкий диэлектрический слой также служит для уменьшения
эффекта залипания между двумя металлическими слоями, который
присутствует во всех ключах с непосредственным соединением ме-
таллических контактов.
Электромеханические характеристики. Модель, изображенную
на рис. 3.16 б, можно использовать для объяснения электромехани-
ки параллельного ключа. Мембранный переключатель, также как
и консольный ключ, может быть представлен в виде конденсатора,
у которого одна из параллельных пластин подвешена при помощи
идеальной пружины над закрепленной заземленной пластиной. Эта
модель имеет одну степень свободы и точно описывает перемещение
мембраны, как функцию от приложенного напряжения. Перемеще-
ние мембраны можно найти из уравнения баланса давлений (Gold-
smith et al, 1996):
iP(g)=Kg(g0-g)-£-^,
(3-7)
диэлектрический слой
(а) ключ разомкнут
(б) ключ замкнут
Рис. 3.21. Мембранный ключ с диэлектриче-
ским слоем. Репродукция из книги С. Goldsmith,
S. Eshelman,'T.H. Lin, D. Denniston, S. Chen, B.
Norvell, 1996, «Characteristics of micromachined
switches at microwave frequencies» Proceedings of
IEEE Microwave Theory and Technology Sympo-
sium, 1996, IEEE, Piscataway, NJ, USA: 1141-1144
с разрешения IEEE, ©1996 IEEE
где P — полное давление
на механическую кон-
струкцию ключа, д —
зазор между мембраной
и нижним электродом,
д$ — первоначальная вы-
сота мембраны при от-
сутствии электрическо-
го поля, V — приложен-
ное напряжение, е?о —
диэлектрическая проница-
емость свободного прост-
ранства. Константа упру-
гости Ks определяется
модулем Юнга и ко-
эффициентом Пуассона
мембраны, а также оста-
точным механическим напряжением. Когда на переключатель пода-
ется напряжение, мембрана начинает отклоняться вниз, при этом за-
uJMMU. „ttMU
3.5. Исполнительные механизмы микросистем
зор уменьшается, а электростатическое давление на мембрану уве-
личивается. При критической величине зазора, равной 2/3<у0, меха-
ническая система становится нестабильной, и мембрана резко па-
дает на нижнюю пластину. Напряжение, при котором происходит
падение мембраны, можно определить при помощи уравнения:
о3 \
Р ~ \ 27£о )
Рис. 3.22. Зависимость вели-
чины зазора от приложенно-
го напряжения. Репродукция
из книги С. Goldsmith, S.
Eshelman, Т.Н. Lin, D. Den-
niston, S. Chen, B. Norvell,
1996, «Characteristics of micro-
machined switches at microwave
frequencies» Proceedings of IEEE
Microwave Theory and Technol-
ogy Symposium, 1996, IEEE,
Piscataway, NJ, USA: 1141-1144
с разрешения IEEE, ©1996
IEEE
радиус мембраны, мм
Рис. 3.23. Зависимость напряжения срабатывания от размера мембраны.
Репродукция из книги С. Goldsmith, S. Eshelman, Т.Н. Lin, D.
Denniston, S. Chen, B. Norvell, 1996, «Characteristics of microma-
chined switches at microwave frequencies» Proceedings of IEEE Mi-
, crowave Theory and Technology Symposium, 1996, IEEE, Piscat-
away, NJ, USA: 1141-1144 с разрешения IEEE, ©1996 IEEE
Как видно из уравнения (3.8), величина зазора зависит от при-
ложенного напряжения. На рис. 3.22 показан график зависимости
изменения величины зазора от приложенного напряжения. Когда
электростатическое поле отключается, силы растяжения возвраща-
ют мембрану в исходное состояние. На рис. 3.23 приведен график
зависимости напряжения срабатывания от размера мембраны.
Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле
Goldsmith (1998) разработал микропереключатель, имеющий бо-
лее высокие рабочую частоту и скорость переключения. Схема клю-
ча формируется на верхней части слоя из диоксида кремния, нане-
сенного на высокорезистивную кремниевую подложку (> ЮкОм см).
В конструкцию переключателя входит копланарный волноводный
тракт шириной 120 мкм, толщиной 4 мкм и зазором 80 мкм, изгото-
вленный из алюминия (рис. 3.24).
(б)
Рис. 3.24. Емкостной микропереключатель: а — поперечный разрез, б —
вид сверху. Репродукция из книги С. Goldsmith, Z. Yao, S. Eshel-
man, D. Denniston, 1998, «Performance of low-loss MEMS capacitive
switches», IEEE Microwave and Guided wave Letters 8(8): 269-271
' * с разрешения IEEE, ©1998 IEEE
Поскольку схема ключа выполнена из толстогб слоя алюминия,
она совместима с КМОП элементами. Такой переключатель обла-
дает низкими потерями, которые на высоких частотах составля-
ют порядка О.бдБ/мм. Хороший физический контакт достигает-
ся полировкой поверхностей между мембраной и нижним электро-
дом, что также уменьшает воздушный зазор. На верхнюю часть
нижнего электрода нанесен тонкий диэлектрический слой из нитри-
да кремния, который предотвращает закорачивание управляющего
3.5. Исполнительные механизмы микросистем 205
сигнала при замыкании ключа, когда между верхней мембраной и
нижним электродом устанавливается низкоимпедансная емкостная
связь, влияющая на прохождение ВЧ сигналов. Мембрана выполня-
ется из тонкого алюминия толщиной менее 0.5 мкм и обладает вы-
сокой проводимостью для ВЧ сигналов, а также имеет хорошие ме-
ханические характеристики. На всей площади мембраны проделаны
отверстия диаметром 2 мкм для уменьшения выдавливания пленки
воздухом и для возможности проведения технологических операций.
После удаления защитного полимерного слоя мембрана становится
свободной и способной двигаться вверх и вниз к нижнему электроду
в ответ на приложенное электростатическое поле.
Когда приложенное напряжение равно нулю, остаточное напря-
жение растяжения удерживает мембрану в подвешенном состоянии
над копланарным волноводным трактом. Между линией ВЧ сиг-
нала и заземленной металлической мембраной существует большое
емкостное сопротивление. Величина емкости ключа в это время со-
ставляет порядка 20... 50 фФ. Когда между мембраной и нижним
электродом появляется электрическое поле, мембрана начинает де-
формироваться из-за образования на металлических поверхностях
положительных и отрицательных зарядов. Эти заряды приводят к
возникновению силы притяжения. Когда значение этой силы стано-
вится достаточно большим, подвешенная металлическая мембрана
падает на нижний электрод, формируя участок с низким импедан-
сом, направляющий ВЧ сигнал на землю. В замкнутом состоянии
емкость обычно составляет 3... 4 пФ. Такой перестраиваемый ми-
кроконденсатор работает как высокопроизводительный ВЧ ключ,
позволяющий эффективно передавать или прерывать ВЧ сигналы
за счет деформации мембраны.
На рис. 3.25 приведены зависимости вносимых потерь и потерь
на отражение от частоты, измеренных в частотном диапазоне 0.13...
40 ГГц. Высокий уровень затухания объясняется паразитными ем-
костями, возникающими между линией передач и подвешенной за-
земленной мембраной. Проведенные исследования показывают, что
такие ключи обеспечивают эффективное переключение ВЧ сигна-
лов. Время переключения таких микропереключателей составляет
менее 5 мкс.
3.5.1.3. Влияние шероховатости поверхности
диэлектрического слоя
Когда мембрана защелкнута в нижнем положении, величину емко-
сти можно, пренебрегая краевыми эффектами, оценить по формуле:
Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле
Рис. 3.25. Зависимость вносимых потерь и потерь на отражение от часто-
ты. Репродукция из книги С. Goldsmith, Z. Yao, S. Eshelman, D.
Denniston, 1998, «Performance of low-loss MEMS capacitive switch-
es», IEEE Microwave and Guided wave Letters 8(8): 269-271 с раз-
решения IEEE, ©1998 IEEE
Когда мембрана находится в верхнем положении, емкость систе-
мы необходимо определять с учетом диэлектрического слоя между
мембраной и нижним электродом. Для этого можно воспользоваться
уравнением:
/ I \ -1
У' Cu=eowW go + -) , ” (3.10)
где w — ширина мембраны, W — ширина центрального проводника
копланарного волноводного тракта, а до — зазор между мембраной
и нижней частью линии передач. В формуле присутствует допол-
нительный член td/£r, учитывающий конечную толщину td диэлек-
трического слоя между мембраной и нижним электродом, где ег —
относительная диэлектрическая проницаемость. Для ключа, в кото-
О
ром ег — 7.6, td = 1500 А, до = 4 мкм, исключение члена td/^r при
оценке емкости может привести к 3% погрешности. Эта погреш-
ность увеличивается до 10%, если до — 1-5 мм [58].
Отношение значений емкости в нижнем и верхнем положении
мембраны можно записать в виде:
Cd
Си
EQ£rA
td
/ t \-1
£(М I до Н—- ) + Се
-1
(3.11)
3.5. Исполнительные механизмы микросистем 207
Для диэлектрического слоя толщиной 1000 А, площадью 80 х 100 мкм
и ег = 7.6, отношение емкостей составляет 60 : 1 для до = 1.5 мкм и
120 : 1 для до = 4 мкм [58].
Из уравнения (3.11) видно, что толщина диэлектрика влияет на
отношение емкостей, поэтому использование очень тонкого слоя по-
зволяет достичь высокого отношения емкостей. Но существующие
технологии не дают возможности получения диэлектрических слоев
менее 1000 А. К тому же диэлектрический слой должен без пробоя
выдерживать напряжения в диапазоне 5... 50 В. К этому можно до-
бавить, что на значение емкости в нижнем положении мембраны
оказывает влияние степень гладкости поверхностей диэлектриче-
ского и металлического слоев. На рис. 3.26 показано, как шерохова-
тость поверхностей сказывается на отношении емкостей. Считает-
ся, что площадь контакта составляет 50% полной площади.
Рис. 3.26. Зависимость
емкости в нижнем положе-
нии мембраны от шерохо-
ватости вышележащего
слоя. Репродукция из
книги J.B. Muldavin, G.
Rebeiz, 2000а, «High iso-
lation CPW MEMS shunt
switches, part 1: Model-
'mg»IEEE Transactions
on Microwave Theory
and Techniques 48(6):
1045-1052 с разрешения
IEEE,©2000 IEEE
шероховатость [A]
Из рис. 3.26 видно, что при шероховатости поверхности в 100 А
происходит уменьшение емкости в нижнем положении мембраны на
65%. Поэтому для получения оптимального соотношения емкостей
необходимо обеспечивать шероховатость поверхностей в микроси-
стеме менее 40 А.
S.5.2. Разработка переключателей с низким
напряжением срабатывания
i
3.5.2.1. Консольные переключатели
Микропереключатели с высоким напряжением срабатывания несо-
вместимы с традиционными технологиями изготовления ИС, по-
скольку для применения в ВЧ и микроэлектронных системах На-
пряжения должны быть не выше 5 В. Из уравнения (3.8) видно, что
напряжение срабатывания (опускания исполнительного механизма)
можно уменьшить тремя способами: i - , ;. :
(1) увеличением площади электродов;
(2) уменьшением зазора между исполнительным механизмом (бал-
кой, мембраной) и нижним электродом;
(3) уменьшением упругости структуры.
Компактность и миниатюрность являются важными показателями
микросистем, поэтому метод увеличения площади электродов прак-
тически никогда не применяется. Во втором случае существуют
ограничения на величину зазора, связанные с потерями на отраже-
ние ВЧ сигнала. Самым гибким является третий подход, поскольку
снижение упругости конструкции не влечет за собой значительного
изменения размеров, веса и ВЧ характеристик микропереключате-
лей. Было показано, что при использовании в ключах очень эластич-
ных складчатых подвесных пружин и увеличении зоны действия
электростатического поля значительно снижается напряжение сра-
батывания. Последние разработки микропереключателей: с исполь-
зованием серпантинных и консольных пружин (Pacheco, Nguyen,
Katehi, 1998), а также подвесных консольных конструкций (Shen,
Feng, 1999), продемонстрировали возможность снижения напряже-
ния срабатывания до уровня 14. .. 16 В.
Рис. 3.27. Микромеханические переключатели с: а — серпантинной и б —
консольной пружинами. Репродукция из книги S. Pacheco, С.Т.-
C. Nguyen, L.P.B. Katehi, 1998, «Micromechanical electrostatic K-
band switch», Proceedings of IEEE MTT-S, Piscataway, NJ, USA:
1569- 1572 с разрешения IEEE, ©1998 IEEE
На рис. 3.27 показаны микрофотографии переключателей, исполь-
зующих серпантинные и консольные пружины. Эти две структуры
3.5. Исполнительные механизмы микросистем
идентичны и отличаются лишь конфигурацией пружин, прикреп-
ленных к консоли. Серпантинная конструкция состоит из двух ме-
андров 220 мкм длиной и балок консоли 250 мкм длиной. Обе пружи-
ны имеют ширину 4 мкм и располагаются на расстоянии 4.2 мкм от
копланарного волноводного трата (Brauchler et al, 1996). Площадь
электродов составляет 220 мкм х 220 мкм. Механические характери-
стики серпантинных и консольных микропереключателей приведе-
ны в таблице 3.2.
Таблица 3.2. Механические характеристики ключей, показанных на рис. 3.26
Серпантинный тип Консольный тип
Масса, кг 1.48 х 10~9 1.19 х ИГ9
Упругость, Н/м 0.478 0.654
Коэффициент демпфирования, Н/м/с 6.76 х НГ 7 6.76 х 10“7
Напряжение срабатывания, В 4.95 5.79
Резонансная частота, кГц 17.97 20.95
Источник: S. Pacheco, С.Т.-С. Nguyen, L.P.B. Katehi, 1998
Из-за низкой упругости таких ключей в условиях высоких давле-
ний и ускорений консоль может двигаться. Для устранения этого
эффекта в однополюсных двунаправленных (ОПДН) ключах свер-
ху конструкции размещают электрод. Напряжение между верхним
электродом и консолью удерживает переключатель в верхнем по-
ложении, предотвращая любое нежелательное перемещение балки.
После отключения этого напряжения балка становится свободной,
и между балкой и заземленной поверхностью может быть подано
напряжение, необходимое для срабатывания ключа.
На рис. 3.28 показаны частотные характеристики рассматрива-
емых ключей. Напряжение срабатывания составляет 14... 16 В, что
выше данных представленных в таблице 3.2. Это расхождение в
основном объясняется напряжением сжатия внутри слоя золота, что
не учитывалось при составлении таблицы.
Низкое напряжение срабатывания также характерно для подвес-
ных ВЧ ключей (Shen, Fen, 1999), которые обладают низкими вно-
симыми потерями (« 0.5 дБ) и хорошей развязкой по входу/выходу
27 дБ) в диапазоне частот 0.25... 40 ГГц. Поперечный разрез та-
кого ключа показан на рис. 3.29.
Для ВЧ сигналов используется копланарный волноводный тракт.
Между верхним и нижним электродами размещена проводящая пла-
стина, подвешенная вдоль сигнальной линии и поверхности заземле-
X ~ 10482
Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле
ния. Движение консоли вверх/вниз направляется при помощи скоб,
как показано на рис. 3.29. Напряжение, приложенное между верх-
ним и нижним электродами, способствует перемещению проводя-
щей пластины в ОПДН ключах. Когда на нижний электрод пода-
ется напряжение, пластина опускается вниз и перекрывает зазем-
ленную площадку и сигнальную линию, что означает закорачивание
на землю ВЧ тракта и перевод ключа в выключенное состояние.
Частота, ГГц
Рис. 3.28. Частот-
ные характеристики:
а — серпантинного
ключа, б — кон-
сольного ключа, во
включенном состо-
янии. Репродукция
из книги S. Pacheco,
С.Т.-С. Nguyen,
L.P.B. Katehi, 1998,
«Micromechanical
electrostatic К-band
switch», Proceedings
of IEEE MTT-S,
Piscataway, NJ, USA:
1569-1572 с разре-
шения IEEE, ©1998
IEEE
При подаче напряжения на верхний электрод проводящая пластина
возвращается в верхнее положение. При этом волноводный тракт
открывается, и ВЧ сигнал поступает на выход ключа, что соот-
ветствует включенному состоянию переключателя. Таким образом,
3.5. Исполнительные механизмы микросистем
операция переключения осуществляется при помощи двух управля-
ющих импульсов, сдвинутых по фазе, один из которых поступает
на верхний электрод, а второй — на нижний. Для срабатывания пе-
реключателя требуется сила, превышающая сумму сил тяжести ба-
лочной конструкции и сил трения с воздухом проводящей пластины
(Fmp\ Минимальное напряжение срабатывания можно определить
по формуле:
Pmin
2 (тд + Fтр)
(3-12)
d
где d — зазор между проводящей пластиной и электродами, тд —
вес проводящей пластины, А — рабочая площадь пластины, а со —
диэлектрическая проницаемость воздуха.
Рис. 3.29. Поперечный разрез
подвесного консольного микро-
переключателя: а — ключ вы-
ключен, б — ключ включен. Ре-
продукция из книги S.-C. Chen,
М. Feng, 1999, «Low actuation
voltage RF MEMS switches with
signal frequencies from 0.25 to 40
GHz», Proceedings of IEEE Inter-
national Devices Meeting, IEEE,
Piscataway, NJ, USA: 689-692 c
разрешения IEEE, © 1999 IEEE
верхний электрод скоба
нижний--------копланарный
электрод волноводный
тракт
(а)
(б)
В идеальном случае, пренебрегая трением с воздухом, для прово-
дящей прокладки размерами 100 х 400 мкм2 и d = 4 мкм, Vmin 1 В.
3.5.2.2. Параллельные переключатели
Разработка складчатых подвесных структур позволила реализовать
микропереключатели с низким напряжением срабатывания, что ста-
ло возможным благодаря способности таких конструкций обеспечи-
вать низкие значения упругости на небольшой площади. Складча-
тые структуры обладают высокой чувствительностью только в од-
ном определенном направлении. Коэффициент упругости для склад-
чатой подвесной структуры kz в направлении оси z можно записать
в виде (Pacheco, Katehi, Nguyen, 2000):
/ \ 3 / Г / \ 2 г "I_1 1 \ х
kz = Ew(^-} /1 + ЬН^) +12(1 + 1/) 1+(у)2 И ,
(3.13)
где Е — модуль Юнга для металла, v — коэффициент Пуассона для
металла, Ls — длина пружины, Lc — длина консоли, w — ширина
8*
Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле
консоли, t — толщина консоли. Значения параметров, используемые
в уравнении (3.13), приведены в таблице 3.3. Полный коэффициент
упругости вдоль оси z, Kz, определяется суммой коэффициентов
упругости всех четырех подвесных структур, прикрепленных к си-
стеме:
Kz = Bi,
JV < h. а 'У.
где N — количество меандров в подвесной структуре. Коэффици-
ент упругости линейно уменьшается при последовательном доба-
влении меандров к подвесу. На рис. 3.30 показаны варианты подвес-
ных креплений, используемых для получения низких коэффициентов
упругости системы.
Таблица 3.3. Физические размеры микропереключателей, используемых в
разработке Pacheco и др.
Размер Значение
Длина пружины, Ls, мкм 250
Длина консоли, ic, мкм 50
Толщина консоли, t, мкм 2
Ширина КОНСОЛИ, W, мкм 5
Количество меандров, N 4
Масса, кг 3,23х10“9
Длина в направлении х, Lx, мкм 250
Длина в направлении у, Ly, мкм 250
Ширина проводника, Wcond, мкм 60
Зазор, до, мкм 3
Полный коэффициент упругости, К., Н/м 0,521
Напряжение срабатывания, Vpi, В 1,94
Источник: Pacheco, Katehi, Nguyen, 2000
I
Рис. 3.30. Варианты креплений, ис-
пользуемых в подвесных ВЧ ми-
кропереключателях. Репродукция из
книги J.Y. Park, G.H. Kim, K.W.
Chung, J.U. Bu, 2001, «Monolithical-
ly integrated micromachined RF MEMS
capacitive switches», Sensors and Actu-
ators A, 89:88-94 с разрешения Elsevi-
er Science, ©2001, Elsevier Science
3.5. Исполнительные механизмы микросистем
В таблице 3.4 приведены расчетные и экспериментально опре-
деленные напряжения срабатывания при использовании подвесной
конструкции с различным количеством меандров. Как видно из та-
блицы, напряжение срабатывания падает при увеличении числа ме-
андров. Однако измеренные значения намного превышают расчет-
ные, что связано с технологическими проблемами изготовления (Pache-
co, Katehi, Nguyen, 2000).
Таблица 3.4. Измеренные и расчетные напряжения срабатывания при раз-
личном количестве меандров
№ Vpi, В
Расчетные значения Измеренные значения
1 3,90 35
2 2,75 28
3 2,24 20
4 1,94 15
5 1,74 9
Источник: Pacheco, Katehi, Nguyen, 2000
Последовательно-параллельные амортизирующие переключатели.
Как правило, последовательные микропереключатели относятся к
типу устройств, использующих для замыкания металлические кон-
такты, тогда как параллельные ключи работают на емкостном фи-
зическом принципе. Для того чтобы параллельный ключ обладал
хорошим коэффициентом развязки на низких СВЧ частотах, его
контакты также должны быть металлическими, поскольку уровень
развязки по входу/выходу зависит от конструкции ключа (Tan, Re-
beiz, 2001). Исходя из этого, были разработаны последовательно-па-
раллельные переключатели, объединяющие в себе два типа ключей.
При этом последовательные и параллельные ключи должны иметь
индивидуальные управляющие напряжения, подведенные через со-
ответствующие сопротивления. На рис. 3.31 показан вариант широ-
кополосного амортизирующего переключателя, состоящего из двух
последсгвательных и одного параллельного ключей со смещением по-
стоянным напряжением. Когда ключ находится в замкнутом состо-
янии, резистор закорачивается, и для ВЧ сигнала открывается путь,
обеспечивающий низкие потери.
Для обеспечения надежного электрического контакта на каждой
контактной площадке мостовой конструкции формируется углубле-
ние размером 6000 А. Когда мост опускается вниз, эти углубления
создают контакт с заземленной площадкой (в параллельном ключе)
Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле
или с линией передач (в последовательном ключе), но при этом пло-
щадь соединения должна быть минимальной, иначе для срабатыва-
ния ключа потребуется напряжение, намного превышающее порого-
вое значение. Углубления на контактах помогают решить проблему
залипания. На рис. 3.32 приведены результаты тестирования такого
переключателя, здесь же показаны данные, полученные при помощи
моделирования с использованием системы Libra (Agilent Technolo-
gies: http://eesof.tm.agilent.com/). Параллельно-последовательный
микропереключатель имеет вносимые потери менее 0.5 дБ в частот-
ном диапазоне 0... 26 ГГц.
микропереключ атель
мостового типа
Рис. 3.31. Последовательно-
параллельный амортизиру-
ющий переключатель. Здесь
I — длина, Zo— импеданс, А
— длина волны. Репродукция
из книги G.L. Tan, G.M.
Rebeiz, 2001, «DC-26 GHz
MEMS series-shunt absorptive
switches», Proceedings of IEEE
Microwave Symposium, Volume
1, IEEE, Piscataway, NJ, USA:
325-328 с разрешения IEEE,
©2001 IEEE
Рис. 3.32. Модельные
данные и результаты те-
стирования параллельно-
последовательного микропе-
реключателя. Репродукция
из книги G.L. Tan, G.M.
Rebeiz, 2001, «DC-26 GHz
MEMS series-shunt absorptive
switches», Proceedings of IEEE
Microwave Symposium, Volume
1, IEEE, Piscataway, NJ, USA:
325-328 с разрешения IEEE,
©2001 IEEE
3.5.3. Переключатели с ртутным контактом
В Центре микроэлектроники в Северной Каролине (MCNC) разра-
ботано электростатическое механическое микрореле, реализованное
на поликремниевой подложке, с микрокаплей ртути на конце кон-
такта (Saffer, Simon, Kim, 1996, 1997). Консоль, сформированная на
поликремнии, имеет следующие параметры: толщину 2 мкм, ширину
3.5. Исполнительные механизмы микросистем
2... Змкм, длину 300... 500 мкм. На рис. 3.33 приведена схема реле,
состоящая из поликремниевой балки и фиксированных управляюще-
го и сигнального электродов.
Рис. 3.33. Схема микрореле с ртутным контактом. Репродукция из книги
S. Saffer, J. Simon, С.J. Kim, 1996, «Mercury contact switching with
gap-closing microcantilever»Procee<fmjs of SPIE, 2882: 204 209 c
разрешения SPIE
Poly 1-
0x2-
Ox 1-
Nit/Ox
—Au/Cr
—Poly 0
Z^0x2
XOx 1
Чип Центра Микроэлектроники
(a)
„ Au/Cr
Р0|У 1—*-0 | ।.......... Poly о
Nit/Ox— 3 2J
удаление защитного слоя и освобождение балки
(б)
Рис. 3.34. Последовательность изго-
товления микрореле с ртутным контак-
том в сечении АА' (рис. 3.33). Репро-
дукция из книги S. Saffer, J. Simon, С. J.
Kim, 1996, «Mercury contact switching
with gap-closing microcantilever», Pro-
ceedings of SPIE, 2882: 204-209 с раз-
решения SPIE
Poly 1—0
ртуть
Poly 0
осаждение ртути
На рис. 3.34 показана последовательность изготовления такого
реле. На рисунке изображено поперечное сечение, обозначенное на
рис. 3.33 как АА'. Балки формируются из поликремния (Poly 1) тол-
щиной 2 мкм, а сигнальный электрод — из поликремния (Poly 0)
ТОЛ1ЦИНОЙ 0.5 мкм. Защитный 2-х микронный оксидный слой вытра-
вливается с помощью HF. Для высвобождения балок используется
один из следующих методов: сушки при помощи СО2, травления в
парах HF или сублимации в р-дихлорбензоле. После этого получен-
ная структура подвергается действию паров ртути. Ртуть строго
оседает в специально выделенных зонах, выполненных из материа-
ла, вступающего в реакцию только с ртутью. Размеры получаемо-
го шарика ртути зависят от времени воздействия паров ртути на
Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле
структуру и температуры ртутного резервуара. Обычно диаметр
ртутного шарика равен 10 мкм. На рис. 3.35 представлена микрофо-
тография готового реле с ртутным контактом.
амортизатор
управляющий
электрод
ртуть
консоль
Рис. 3.35. Микрофотография микрореле с ртутным контактом. Репродук-
ция из книги S. Saffer, J. Simon, С.J. Kim, 1996, «Mercury contact
switching with gap-closing microcantilever», Proceedings of SPIE,
2882: 204-209 с разрешения SPIE
Сопротивление микрореле в разомкнутом состоянии составляет
более 200 Мом, полное сопротивление устройства лежит в диапазоне
1.9... 3.2 кОм при предельно допустимом токе 10 мА. .,
3.5.4. Магнитные переключатели
Включение магнитных приводов может выполняться без подачи внеш-
ней электроэнергии при помощи постоянных магнитов или полу-
твердых ферромагнитных материалов. Высокая плотность магнит-
ной энергии позволяет развивать довольно большие усилия и дли-
тельное время удерживать контакты в замкнутом состоянии. Не-
смотря на то, что при уменьшении размеров происходит ослабление
магнитной силы, при величине зазора более 1 мкм магнитный при-
вод все же превосходит электростатический по величине произво-
димых усилий (Busch-Vishnic, 1992). Поэтому магнитные приводы
являются весьма перспективными устройствами для создания ми-
кроустройств. Высокоэффективные постоянные магниты позволя-
ют создавать электромагнитные двигатели диаметром менее 1 мм
(loth, 1993). Также предпринимаются попытки создания планарных
электромагнитных приводов на основе применения методов гальва-
нического нанесения магнитных материалов (Ahn, Allen, 1993, Ahn,
Kim, Allen, 1993, Guckel et al, 1993, Hosaka, Kuwano, Yanagisawa,
1993, Tilmans et al, 1999). При уменьшении размеров электромаг-
нитных приводов самым сложным является снижение размеров ка-
тушек, что очень трудно сделать с технологической точки зрения.
Детальное рассмотрение микрореле на основе магнитных приводов
будет дано в разделе 3.6.
3.5. Исполнительные механизмы микросистем
3.5.5. Электромагнитные переключатели
В последние годы все более увеличивается спрос на электромагнит-
ные реле (ЭМР), включая реле с подвижным якорем, герконовые и
твердотельные реле, появившиеся в восьмидесятых годах двадцато-
го века, поскольку они обладают высокой надежностью, долговечно-
стью и незначительным механическим износом (Coutrot et al, 2001,
Sadler, Liakopoulos, Ahn, 2000). ЭМР по сравнению с традиционны-
ми твердотельными реле обладают более низкими сопротивлением
в замкнутом состоянии и утечками в разомкнутом состоянии, не-
высокой выходной емкостью и большой электромагнитной защитой.
Однако почти все ЭМР, за исключением современных твердотель-
ных реле, имеют довольно большие размеры и проблемы при инте-
грации с электронными устройствами, подвержены влиянию ударов
и вибрации, обладают большим энергопотреблением и производят
при работе высокий акустический шум. В современных микрореле
устранены практически все перечисленные недостатки при сохра-
нении всех достоинств традиционных ЭМР. Применение микротех-
нологий для изготовления механических реле позволило уменьшить
их размеры, стоимость и время переключения, при одновременном
улучшении их способности к интегрированию с электронными ком-
понентами. Для многих систем связи требуется создание матрич-
ных переключателей, обладающих высокой скоростью переключе-
ния. В то же время такому набору ключей нет необходимости рабо-
тать с высокой электрической нагрузкой. Современные технологи-
ческие методы позволяют изготавливать на одной подложке сразу
множество реле, что значительно снижает стоимость производства
матричных переключателей. При использовании интегрированного
матричного переключателя 8x8 можно уменьшить количество ли-
ний управления с 64 до 16.
Основные ограничения традиционных ЭМР связаны с наличи-
ем в их приводах катушек и ферромагнитных якорей. Микрореле
допускают применение других принципов действия приводов, кото-
рые могут быть электростатическими и электромагнитными. Элек-
тромагнитные приводы предпочтительнее электростатических, по-
скольку могут работать с недорогими и низковольтными устрой-
ствами управления. В то время как электростатическим приводам
требуется низкий ток, но сравнительно высокое напряжение 5... 100 В,
что влечет за собой создание специальных управляющих устройств
и цепей высоковольтной изоляции. Постоянные магниты или полу-
твердые магнитные материалы позволяют создать электромагнит-
ные реле с функцией самозащелкивания.
Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле
В работе (Tilmans et al, 1999) описаны электромагнитные микро-
реле полностью интегрированные в керамических и пластиковых
корпусах. Для управления подвижным NiFe якорем, замыкающим
контакты, используется многослойная медная катушка.
(а)
Рис. 3.36. а — микрофотография микрореле, б — микрофотография верх-
ней части чипа. Репродукция из книги Н. А.С. Tilmans, Е. Fullin,
Н. Ziad, M.D.J. Van de Peer, J. Kesters, E. Van Geffen, 1999, «А
fully packaged electromagnetic micro relay», Proceedings of IEEE
International Conference on MEMS, IEEE, Piscataway, NJ, USA:
25-30 с разрешения IEEE, ©1999 IEEE
(б)
Под разработкой электромагнитного переключателя подразуме-
вается изготовление привода, электрических контактов, корпуса и
сборка всего изделия. Чип электромагнйтного микрореле, показан-
ный на рис. 3.36 а, построен на ферромагнитной подложке, в состав
которой входит U-образный сердечник электромагнита, состоящего
из двухслойной медной катушки с 127 витками площадью 6x8 мкм2,
из NiFe (50/50) полюсов площадью 1 х 0.5мм2, нанесенных гальва-
ническим способом, и нижнего электрического контакта из золота
толщиной 0.5 мкм. На рис. 3.36 6 показана конструкция верхней ча-
сти чипа, выполненная на оксидированной кремниевой подложке.
Она состои’т из нанесенного гальваническим способом NiFe (80/20)
слоя толщиной 20 мм, содержащего якорь (2 х 18 мм2) и две поддер-
живающие балки (1.6 х 0.15 мм2), выполняющие роль пружин. Якорь
и балки подвешены на расстоянии 1 мкм над кремниевой подложкой.
На якорь наностится контакт из золота толщиной 1.5 мкм, как по-
казано на рис. 3.376. Площадь контакта равна 0.20 х 1.5 мм2. Кон-
такты и якорь размещаются в герметично закрытом углублении,
как показано на рис. 3.37 а. Уплотнительное кольцо состоит из слоя
никеля, покрытого SnPb. Зазор между контактами и зазор между
3.5. Исполнительные механизмы микросистем
полюсами отличаются на полную толщину контактов, которая при-
близительно равна 2 мкм. Размеры микрореле приблизительно со-
ставляют 5.3 х 4.1 мм2, а толщина всей сборки — 1 мм (рис. 3.37 б).
(а) ~ ’•• •' (б)
Рис. 3.37. а — микрореле в керамическом корпусе, б — корпус SOIC. Ре-
продукция из книги Н.А.С. Tilmans, Е. Fullin, Н. Ziad, M.D.J.
Van de Peer, J. Kesters, E. Van Geffen, 1999, «А fully packaged elec-
tromagnetic micro relay», Proceedings of IEEE International Confer-
ence on MEMS, IEEE, Piscataway, NJ, USA: 25-30 с разрешения
IEEE, ©1999 IEEE
Аналитическая модель, построенная методом конечных элемен-
тов (Fullin et al, 1998), показывает, что магнитная сила Fm, дей-
ствующая на якорь, ограничивается магнитным насыщением якоря
и/или остаточным зазором между полюсами. Для магнитодвижу-
щей силы 0.8 АТ, магнитной проницаемости /ir = 2000 и индукции
насыщения материала якоря 1 Т, расчетное значение для Fm соста-
вляет « 2 мН. Средняя длина якоря составляет 1.6 мм при остаточ-
ном зазоре 1 мкм. Максимальная сила, действующая на контакт при
его замыкании, Fc меньше максимальной магнитной силы на величи-
ну силы упругости. Очевидно, что Fc будет меньше 1 мН. В таблице
3.5 представлены типичные рабочие характеристики микрореле.
В традиционных ЭМР электрические контакты герметично за-
крыты внутри капсулы, обычно заполненной азотом или вакуумом,
для того, чтобы выдерживать большее напряжение пробоя и повы-
сить продолжительность жизни переключающих контактов. Вари-
ант микрореле в керамическом корпусе с 24-мя выводами показан
на рис. 3.37а.
220 Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле
Таблица 3.5. Типичные рабочие параметры микрореле
Параметр Значение
Сопротивление в замкнутом состоянии, Ом 0,4
Сопротивление в разомкнутом состоянии при постоян- ном напряжении 50 В, Том (Ю120м) > 10
Постоянное напряжение пробоя контактов, кВ 0,2
Емкость при максимальном зазоре на 10 кГц, пФ 4
Рабочее напряжение, В 1,9
Напряжение отпускания, В 0,7
Минимальная мощность возбуждения, мВт 1,6
Минимальный ток возбуждения, мА 8,4
Сопротивление катушки, кОм 0,22
Индуктивность катушки на 1 кГц при разомкнутых контактах, мГн 0,18
Сопротивление изоляции контактов катушки, Том > 10
Переменное напряжение пробоя контактов катушки, кВ 0,4
Емкость контактов катушки, пФ 5
Конструктивный ресурс при 100 Гц > 106
Время включения при 10 Гц, 1 Атм, мс: при 8 В при 4 В
1
2
Время выключения при 10 Гц, 1 атм, 4-8 В, мс 0,2
Скорость переключения, Гц > 500
Источник: Wright, Tai, 1999
3.5.6. Термические переключатели
Наряду с неоспоримыми достоинствами микрореле имеют и недо-
статки. Например, изготовление катушек, входящих в состав элек-
тромагнитных приводов, является довольно сложным технологиче-
ским процессом, поскольку в микрореле они должны быть планар-
ными. Одним из способов упрощения магнитных приводов являет-
ся устранение катушек, т. е. построение бескатущечных магнитных
приводов на кремниевой подложке. Для этого был разработан тер-
мически управляемый магнитный привод, запускаемый изменени-
ем локальной намагниченности структуры методом точечного ра-
зогрева при помощи инфракрасного (ИК) лазерного луча. Устране-
ние катушки не только упрощает магнитный привод, но и позволяет
при его изготовлении использовать микротехнологии.
Принцип действия термического привода показан на рис. 3.38.
Привод состоит из постоянных магнитов, якоря, выполненного из
мягкого магнитного материала, и статоров, изготовленных из тер-
мочувствительных магнитных материалов с низкой точкой Кюри.
При нагреве одного из статоров для уменьшения его намагниченно-
сти возникает градиент магнитного поля, вызывающий изменение
силы, действующей между статорами, в результате этого второй
статор притягивает к себе якорь. Точечный нагрев осуществляется
при помощи ИК лазера и системы линз с микронной фокусировкой.
Рис. 3.38. Принцип
действия термического
микрореле: а — без
нагрева, б — с нагре-
вом. Здесь: N — север,
S — юг. Репродукция
из книги Е. Hashimoto,
Н. Tanaka, Y. Suzuki,
Y. Uensishi, A. Watabe,
1994, «Thermally con-
trolled magnetic actuator
(TCMA) using thermo
sensitive magnetic ma-
x' постоянные магниты
X. \ якорь из мягкого магнитного материала
термочувствительные магнитные статоры
(а)
terials», Proceedings of
IEEE MEMS Workshop,
1994, IEEE, Piscataway,
NJ, USA: 108-113 c
разрешения IEEE,
©1994 IEEE
сила притяжения
s
(6)
3.6. Бистабильные микрореле и микроприводы
Объединение нескольких технологий, таких как микротехнологии
обработку кремния, монтажа методом перевернутого кристалла и
пайки при помощи PbSri, позволяет создавать очень миниатюрные
и многофункциональные СВЧ приборы, что является очень суще-
ственным для современной промышленности, в которой вопросы
стоимости стоят далеко не на последнем месте. Центральное ме-
сто в производстве недорогих, высокоэффективных и экономиче-
ски выгодных СВЧ схем занимают ВЧ микротехнологии, которые
ведут к созданию СВЧ схем, интегрированных на кремниевой под-
ложке. Было доказано, что для увеличения плотности монтажа при
Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле
одновременном снижении размеров и стоимости устройства наибо-
лее подходящим способом является размещение аналоговых и ци-
фровых цепей на одном кристалле. При уменьшении размеров всей
системы самым критичным становится достижение высокой плот-
ности интеграции и монтажа.
На практике бывает очень сложно добиться снижения размеров
электромагнитных реле из-за трудности изготовления маленьких
магнитных катушек. Выходом из этой ситуации является приме-
нение электростатических приводов. В 1993 году было показано,
что электромагнитные приводы — наиболее подходящий выбор с
экономической и практической точек зрения для реле размером по-
рядка 1мм3 (Hosaka, Kuwano, Yanagisawa, 1994). Актуальным также
является разработка электростатических микрореле (Gretillat et al,
1997, Hosaka, Kuwano, Yanagisawa, 1994), термических микрореле
(Hashimoto, Uensishi, Watabe, 1995, Hashimoto et al, 1994), микро-
реле для контроллеров бесщеточных двигателей постоянного тока
(Wright, Tai, 1999), магнитных микроприводов (Fullin et al, 1998,
Tilmans et al, 1999), поликремниевых ключей и микрореле (Drake
et al, 1995), микрореле с ртутными контактами (Saffer, Simon, Kim,
1997). В следующих разделах подробно рассматриваются механиз-
мы приводов.
3.6.1. Микрореле с магнитным приводом
Рис. 3.39. Чип, состоящий из четырех ми-
крореле, может заменить четыре традицион-
ных реле. Фотография напечатана с разреше-
ния www.rnernsrus.corn
Применение микротехно-
логий для производства
механических реле позво-
лило не только уменьшить
их размеры, стоимость и
время переключения, но и
дало возможность созда-
вать интегрированные си-
стемы на основе кремние-
вых технологий. Как вид-
но из рис. 3.39, микроре-
ле размером 1 мм2 мень-
ше традиционных реле в
два раза по ширине и в че-
тыре раза по длине, что
показывает их практиче-
скую и экономическую выгоду. При разработке микрореле важ-
3.6.
Бистабильные микрореле и
ным является подбор материала для изготовления контактов. На
рис. 3.40 приведены зависимости сопротивлений контактов от вели-
чины силы, приложенной к ним, для трех типов материалов, опре-
деленных для традиционных реле. Видно, что при увеличении силы
сопротивление уменьшается, стремясь к значению 2 Ома. Это зна-
чение определяется суммой сопротивлений в месте контакта, свя-
занных с внешними цепями. Высокие значения сопротивлений кон-
тактов из серебра объясняются образованием на их поверхности
непроводящих структур, таких как AgO.
Рис. 3.40. Зависимость
сопротивления контактов
от приложенной к ним
силы для трех разных
материалов. Репродукция
из книги Н. Hosaka, Н.
Kuwano, К. Yanagisawa,
1993, «Electromagnetic
micro relays: concepts
and fundamental char-
acteristics», Proceedings
of IEEE Symposium on
Microelectromechanical
Systems MEMS 93, IEEE,
Piscataway, NJ, USA:
12-15 с разрешения IEEE,
©1993 IEEE
Рис. 3.41. Схемы пружин, исполь-
зуемых в микрореле: а — кресто-
образная пружина, б — спиральная
пружина (размеры приведены в ми-
кронах). Репродукция из книги Н.
Hosaka, Н. Kuwano, К. Yanagisawa,
1993, «Electromagnetic micro relays:
concepts and fundamental character-
istics», Proceedings of IEEE Sympo-
sium on Microelectromechanical Sys-
tems. MEMS 93, IEEE, Piscataway,
NJ, USA:12-15 с разрешения IEEE,
©1993 IEEE
крестообразная пружина спиральная пружина
(а) (б)
На рис. 3.41 показаны варианты плоских симметричных пружин,
используемых в микрореле. Крестообразные и спиральные пружины
изготавливаются методом ионного напыления пермолоя на кремниевую
подложку. Контактное усилие и скорость переключения реле в основ-
ном определяются жесткостью и резонансной частотой пружины.
Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле
На рис. 3.42 показаны экспериментальная и расчетная зависимо-
сти деформации пружины под действием силы, приложенной к ее
центральной части. Для разработки спиральных пружин использо-
валась линейная теория пластин, а для крестообразных пружин на-
ряду с этой теорией применялись нелинейные теории балок, посколь-
ку здесь поперечные отклонения и продольные напряжения влияют
ДРУГ на друга.
Taylor и его коллеги (Taylor, Allen, 1997, Taylor, Brand, Allen,
1998) изготовили и протестировали полностью интегрированное ми-
крореле. Такой чип микрореле обладает минимальными размерами,
и при его производстве не требуется никаких операций по монта-
жу катушек, что дает максимальные преимущества при применении
групповых технологий.
Рис. 3.42. Экспериментальная и
расчетная зависимости деформа-
ции пружины от контактных уси-
лий для: а — крестообразной пру-
жины, б — спиральной пружины.
Репродукция из книги Н. Hosaka,
Н. Kuwano, К. Yanagisawa, 1993,
«Electromagnetic micro relays: con-
cepts and fundamental character-
istics», Proceedings of IEEE Sym-
posium on Microelectromechanical
Systems MEMS 93, IEEE, Piscat-
away, NJ, USA:12-15 с разрешения
IEEE, ©1993 IEEE
Однослойная конструкция катушки упрощает процесс изгото-
вления и устраняет межслойные соединения, необходимые при при-
менении многослойных катушек. Меандровая форма катушки и ис-
ключение промежуточных соединений позволяют получить катуш-
3.6.
Бистабильные микрореле и
ку, обладающую низким сопротивлением. На рис. 3.43 показана схе-
ма микрореле консольного типа с нормально открытыми контак-
тами. В микрореле такого вида магнитный поток распределяется
иначе, чем в большинстве традиционных реле. Здесь реле срабаты-
вает при протекании через катушку тока достаточной амплитуды.
При этом возникает магнитный поток, концентрируемый на ниж-
ней стороне магнитных сердечников, который приводит к возник-
новению силы, действующей на верхнюю магнитную пластину. Эта
сила заставляет верхнюю пластину опуститься вниз к электромаг-
ниту, замыкая при этом контакты А и В, как показано на рис. 3.43,
в результате чего реле переходит во включенное состояние.
Рис. 3.43. Схема микрореле с однослойной катушкой. Репродукция из кни-
ги W.P. Taylor, О. Brand, M.G. Allen, 1998, «Fully integrated
magnetically actuated micromachined relays», Journal of Microelec-
tromechanical systems 7(2): 181-191 с разрешения IEEE, ©1988
IEEE
Поскольку верхняя пластина изготовлена из проводящего мате-
риала, ток через нее может протекать от одного контакта к дру-
гому. Когда по катушке перестает протекать ток, восстанавлива-
ющие силы подвесного крепления верхней пластины возвращают ее
в исходное положение, контакты размыкаются, и реле переходит в
выключенное состояние. Измерения показали, что максимальное со-
226 Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле
противление контактов микрореле равно 38.6 миллиом, а минималь-
ное — 22.4 миллиом. На рис. 3.44 приведена фотография микрореле,
которое может работать с нагрузкой до 1.2 А по постоянному току.
Рис. 3.44. Фотография микрореле консольного типа рядом с 10-ти центо-
вой монетой. Репродукция из книги W.P. Taylor, О. Brand, M.G.
Allen, 1998, «Fully integrated magnetically actuated micromachined
relays», Journal of Microelectromechanical systems 7(2): 181-191 c
разрешения IEEE, ©1988 IEEE
Изготовление микрореле основывается на стандартном методе
формования полиимида электролитическим способом. Сначала из-
готавливаются планарная катушка в форме меандра и контактная
пара реле, размещаемая над катушкой. После этого методом по-
верхностной технологии над контактами формируется подвижная
магнитная пластина.
3.6.2. Контактные усилия и материалы в
микрореле
В традиционных реле для обеспечения надежного электрического
соединения контактные усилия в замкнутом состоянии должны быть
порядка 20мН (Peek, Wager, 1955). Преимущество кремниевых ми-
крореле — всегда чистая среда в зоне электрических контактов,
расположенных внутри микроустройства. Отсутствие диэлектрине-
3.1. Динамика работы переключателей 227
ских пленок на поверхности контактов уменьшает сопротивление в
замкнутом состоянии и позволяет обеспечивать постоянный элек-
трический контакт при очень маленьких контактных усилиях.
Недавние исследования показали, что для надежного контакта
в кремниевых микрореле достаточно приложить усилия в диапазо-
не 0.1.. .0.6 мН, в зависимости от материала контактов (Hosaka et
al, 1994). Если реализовать микрореле с сопротивлением контактов
1 Ом, для его срабатывания будет достаточно силы 10 мкН (Majum-
dar et al, 1997). Однако пока контактные усилия составляют поряд-
ка миллиньютон, характеристики контактов изучать очень сложно
из-за недостатка точных методов измерения. Прецизионная техни-
ка, разработанная Schimakt (1998), позволяет измерять контактные
усилия в диапазоне 0.1... 10 мН. Было обнаружено, что для изгото-
вления контактов микрореле очень хорошо подходит родий (Rh) и
AuNig, в то время как золото годится меньше из-за высокого сцеп-
ления контактов. Усилия порядка 0.6 мН для контактов из таких ма-
териалов достаточны для получения постоянного и надежного кон-
такта. Контактное сопротивление для Rh составляет около 1 Ома,
а для AuNig — 100 миллиом.
В таблице 3.6 приведены экспериментально определенные харак-
теристики контактов из разных материалов. Из таблицы видно, что
чистое золото обладает значительной диспропорцией между силами
замыкания и размыкания контактов, что неминуемо ведет к увели-
чению размеров микрореле.
Таблица 3.6. Экспериментально определенные характеристики контактов
из разных материалов
Параметр Материал
Au AuNis Rh
Fmin, мН < 0.1 0.3 0.6
F,[Fmin), мОм < 30 < 100 < 1000
FcueriAeHUA, мН 2.7 0.3 < 0.1
3д(Ч'ь-''Р,„)п — минимальная сила для стабильного контакта, — со"
противление при Fmin, Рсиепл — минимальная сила расцепления контактов.
Источник: Schimak, 1998
3.7. Динамика работы переключателей
Консольная конструкция состоит из тонкой полоски металла и ди-
электрика, зафиксированных на одном конце и свободно подвешен-
ных на другом. Если тонкий металл и диэлектрик фиксируются на
Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле
двух концах и имеют подвешенное состояние в середине, получа-
ется мостовая структура. В диафрагменных конструкциях тонкая
мембрана из металла и диэлектрика фиксируется по окружности и
имеет подвешенное состояние в центре. Во всех этих конфигурациях
структуры нависают над нижним металлическим электродом, фор-
мируя тем самым конденсатор. Когда к контактам прикладывается
управляющее напряжение, происходит перераспределение зарядов,
приводящее к появлению электростатических сил между ними, не-
зависящих от полярности напряжения. Эти силы заставляют верх-
ний электрод опускаться на нижний, и, поскольку структура из-
гибается, в ней возникают силы растяжения, стремящиеся вернуть
ее в исходное состояние. Когда приложенное напряжение достига-
ет определенное пороговое значение, силы растяжения перестают
уравновешивать электростатические силы, и консоль резко падает
на нижний контакт. На рис. 3.45 показана модель емкостного ВЧ
микропереключателя мостового типа, где он представлен в виде
балки с закрепленными концами. Эта модель позволяет получить
приблизительное решение нелинейного дифференциального уравне-
ния, которое очень трудно решить в общем виде.
Рис. 3.45. Модель емкост-
ного ВЧ микропереключате-
ля мостового типа. Здесь
ре (х) — эквивалент нагрузки
на консоль в результате дей-
ствия приложенного электри-
ческого поля
fl:
<' ’ ЧГ '
>н 3.7.1. Время переключения и время отклика ,
3.7.1.1. Скорость переключения
В электростатическом приводе с параллельными пластинами сра-
батывание устройства происходит резко, что вносит некоторую не-
определенность. Силы растяжения не могут длительное время урав-
новешивать электростатические силы, и переключатель замыкает-
ся, как только будет достигнут уровень порогового напряжения.
3.7. Динамика работы переключателей 229
Время, необходимое для замыкания контактов, зависит от прило-
женного напряжения, эффективной жесткости балки и зазора меж-
ду контактами. Трехмерная модель, построенная на основе метода
конечных элементов, учитывающая геометрические свойства струк-
тур, требует очень много времени для вычислений, поэтому часто
ограничиваются рассмотрением статической модели (Chan, Кап,
Dutton, 1997). Для изучения механических характеристик, таких
как эффективного коэффициента жесткости и статической дефор-
мации контактов, используют статическую модель, а для вычисле-
ния скорости переключений и быстродействия применяют динами-
ческую модель (Huang et al, 2001). Емкостную микроструктуру мо-
стового типа можно смоделировать в виде упругой балки, на ко-
торую действуют электростатическая сила и сила, демпфирующая
давление на пленку, что описывается следующим дифференциаль-
ным уравнением (Huang et al, 2001):
<92z Я2 / - d2z\ d2z
РАДД + 7П\Е17Г1]-Тьдд = ре + Рч, (3.15)
at2 dx2 \ ox2 J dx2
где выражение для электростатической силы имеет вид:
£0V2w А 1 АЛ
Ее =-----73— 1 + 0.65— й -д ж- —
2ftz у w J \ . 1 J \ 2 J
(3.16)
и
h(x, t) = д(х, t) + —, (3.17)
£r
z(x, i) = ho — h(x, i).
(3.18)
Здесь 6(x) — единичная функция, определяемая выражением:
6(х) =
1,
0,
х > 0,
х < 0.
(3.19)
Считается, что демпфирующая сила Erf пропорциональна скорости
балки в соответствующей точке и может быть записана в виде:
Erf = Kswq
L\ dz
g3(x,t) dt
(3.20)
Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле
Вязкость ц описывается следующим выражением:
Т] = 110
1 + 9.638
л \ 1.159'
РоЛр \
Р190 )
(3-21)
где Ks — коэффициент потока (равный 0.085), ро — внешнее давле-
ние (101396.16 Н/м2), до — первоначальный зазор между консолью
и нижней пластиной, г/о — вязкость воздуха (1.82-10-5 кг- м^'-с1),
Ло — средняя длина свободного пробега при стандартных атмо-
сферных условиях (0.064 мкм), а р/ — давление, для которого опре-
деляется вязкость.
Уравнение (3.15) можно упростить до обыкновенного дифферен-
циального уравнения, применив аппроксимационную функцию пер-
вого порядка. Для этого перемещение балки определяется в виде:
z(x, t) = a(t)p(x), (3.22)
где a(i) — масштабный коэффициент, а <р(ж) — модельная функция
формы первой моды. Тогда выражение (3.15) можно записать как:
„,с!2а ,-.dn „
М—у + D— +Ka = F,
dr dt
(3.23)
здесь М, D, К и F определяются следующим образом:
11/2
М = J pA(p2(x)dx, (3.24)
-11/2
11/2
D = I d<p2(x)dx, (3.25)
IBM J
-11/2
Li/2 Li/2
к = • У EIp2xx(x)dx - У Тьр(х)фхх(х) dx, (3.26)
h > -11/2 -Li/2
11/2
F = / -£-^^(l + 0-65-}r>(x)dx, (3.27)
J 2/r \ w)
-11/2
где E — эффективный модуль Юнга балки, w — ширина балки,
а |ж| Т1/2 (х — координата по оси X). I = wl3/12, Tj, = a'wt,
3.1. Динамика работы переключателей
где а' — эффективное остаточное напряжение, t — толщина мосто-
вой структуры, £q — диэлектрическая проницаемость свободного
пространства, а V — приложенное напряжение. Величина зазора
h = h(x) определяется следующим выражением:
< >.*
/фт) = д(х) + —,
(3.28)
где д(х) — зазор между мостовой структурой и диэлектрическим
слоем, gi — толщина диэлектрического слоя с проницаемостью ед.
Эффективный модуль Юнга зависит от ширины балки. Как прави-
ло, считается, что балка широкая, если ее ширина w 5/, и узкая —
если w 5/. Поэтому выражение для эффективного модуля Юнга
можно записать в виде:
Е
1 — ц2 ’
Е,
w > 5t,
w < 5t.
(3.29)
Эффективное остаточное напряжение Ф в рассматриваемом случае
равно <т(1 — v).
Модельная функция формы для колебательной системы, полу-
ченная из уравнения (3.15), имеет вид:
, cos(mLi/2) cosh(nx) — cosh(nLi/2) cos(ma:)
cosh(n£i/2) — cos(m£i/2)
(3.30)
где тип задаются как:
Здесь
а =
Ть
ЕЁ
(3.31)
(3.32)
(3.33)
(3.34)
Ь=^р\
ЕГ
Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле
ар — собственная частота структуры, для которой справедливо
уравнение:
/ mLi
т sin I —-
\ £
nLi\ fmLi\ . , (nLi
— I + п cos ( -у- Isinhf —-
Собственная частота мостовой структуры определяется уравнением:
Р
2%
(3.36)
Время переключения получается при решении уравнения (3.23).
3.7.2. Пороговое напряжение
Эквивалентная нагрузка на консоль при приложенном электриче-
ском поле определяется следующим выражением (Huang et al, 2001):
РДК) = f l + 0.6.5-V (3-37)
2/+ \ w J
Результирующая сила, действующая на мостовую структуру, равна:
F(h) = Keff(h0-h)-Pe, (3.38)
дчдгж - '
здесь
/>o = <7o+f~Y ' (3.39)
I-UV \£r / .
Когда приложенное напряжение практически достигает порогового
значения, мостовая структура находится в статическом равновесии
и F(h) - 0.
При dF/dh < 0, статическое равновесие является устойчивым до
тех пор, пока зазор между электродами не достигнет критической
величины. При увеличении напряжения зазор уменьшается, и мосто-
вая конструкция становится неустойчивой. Выражение для порого-
вого напряжения, зависящего от величины зазора между электро-
дами, материала между ними и эффективного коэффициента жест-
кости балки, имеет следующий вид:
8Keffhl \27eo 1+0.42
(3.40)
(3.41)
3.7. Динамика работы переключателей
Коэффициент Keff может быть оценен при решении уравнения для
эквивалентной системы, состоящей из твердого тела, подвешенного
на сосредоточенной линейной пружине с коэффициентом жесткости
Keff. Однако для мостовой структуры, когда она начинает дефор-
мироваться, зазор в разных точках становится неодинаковым. Для
вычисления эффективного коэффициента жесткости берется вели-
чина зазора в месте максимального отклонения. Для приблизитель-
ного определения Keff рассматривается не вся равномерно распре-
деленная по всей площади нагрузка, а только ее часть Р, действую-
щая на центральную часть структуры: , .
— Л:.. , Keff = 3----
u-max
Для равномерно нагруженной балки
Н V.' < Z--
к . ' Р{х) = Р 5 (х + - S
(3.42)
(3.43)
где Li и L2 — длина мостовой структуры и электрода.
Выражение для коэффициента жесткости балки имеет вид:
_ 32Pi3 8<тЧ
eff ~ L2 (2L3 - 21^2 + L3) + 2L!L2-Ll’
(3.44)
Рассчитать время переключения довольно сложно, поскольку оно
зависит от времени падения мостовой структуры из положения рав-
новесия, определяемого пороговым напряжением, до нижнего кон-
такта под действием электростатических сил. Поскольку электро-
статическая сила увеличивается по мере уменьшения зазора, реаль-
ное время движения вниз будет меньше расчетного. Для типового
микроустройства время движения контакта сверху вниз составля-
ет, как правило, 1мкс, а в обратном направлении — 10 мкс, что
превышает требования на время переключения для ВЧ микропере-
ключателей.
Если на микропереключатель подать переменное напряжение с
частотой, меньшей его собственной частоты, мембрана будет прак-
тически полностью отслеживать переменный сигнал. При больших
частотах мембрана будет отслеживать не сам переменный сигнал
напряжения, а его среднеквадратичное значение. Это делает микро-
переключатели очень линейными при работе с ВЧ сигналами. При
подаче на переключатель сигналов двух разных частот через одну
h
Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле
ВЧ линию, никакие эффекты взаимной модуляции и смешения двух
сигналов наблюдаться практически не будут. Это свойство сильно
отличает микропереключатели от твердотельных ключей, где се-
рьезной проблемой является собственная нелинейность.
Можно предположить, что некоторые микропереключатели мо-
гут срабатывать от индуцированного ВЧ сигнала. Это происходит
тогда, когда среднеквадратичное значение напряжения становится
достаточно большим для замыкания ключа без помощи постоянного
напряжения смещения, что зависит от уровня ВЧ мощности, типа
ключа и физических характеристик. . . ;
- 3.8. Расчет, моделирование и сравнение
микропереключателей
Недостаток программных средств разработки ВЧ систем является
серьезной проблемой, ограничивающей развитие и промышленный
выпуск ВЧ микропереключателей. Цель разработчиков — интегри-
рование на одном кристалле электромеханических микросистем и
разнообразных микроэлектронных блоков, работающих с аналого-
выми и цифровыми сигналами, или размещение их в одном корпу-
се. Построение мостовых структур является более сложным процес-
сом, чем построение кремниевых микросистем. Изготовление ми-
кроструктур, а также их использование, существенно осложняет-
ся их малыми размерами и невозможностью применения многих
традиционных методов диагностики. Хотя в последние годы были
предприняты попытки создания автоматизированных систем раз-
работки однокристалльных микросистем, все же от разработчиков,
по-прежнему, требуется глубокое знание технологий производства
и проведение многочисленных предварительных расчетов. Отсут-
ствие общих платформ, позволяющих объединить информацию о
разных разработках, увеличивает вероятность серьезных недора-
боток проектов и добавляет лишние итерационные шаги. Для повы-
шения эффективности процесса проектирования необходимо стан-
дартизировать всю существенную информацйю и внести ее в авто-
матизированные системы разработки трехмерных микросистем и
традиционных ИС.
Для этого была создана библиотека компонентов MEMSCAP’s
MEMS Comm™ Component Library (www.memscap.com), доступ-
ная для пользователей популярной платформы разработчиков Ag-
ilent Technologies Advanced Design System (ADS). В этой библио-
теке собраны различные аспекты, необходимые при проектирова-
3.8. Расчет, моделирование и сравнение микропереключателей
нии микросистем, такие как характеристики и электронные схе-
мы функциональных микроустройств, созданных при помощи про-
граммы моделирования SPICE (www.pspice.com) в различных CAD
платформах (CAD — системы автоматизированного проектирова-
ния). Разработка компонентов проводилась с использованием элек-
тромагнитного моделирования, построенного на основе метода ко-
нечных элементов (FEM). Этот метод позволяет моделировать за-
конченные структуры, состоящие из нескольких слоев с различными
свойствами материалов, информация о которых хранится в параме-
трическом описании компонентов.
Также были предприняты попытки разработать полностью интег-
рированный пакет программ, построенных методом FEM, для мо-
делирования поведения микросистем и процессов их изготовления,
учитывающий физические принципы работы компонентов, геоме-
трические особенности, связанные с операциями травления, а так-
же свойства используемых материалов. При создании интегриро-
ванных микросистем ключевым моментом является разработка ме-
ханических частей, которые определяют рабочие характеристики
всего устройства, хотя в зависимости от применения меняются ме-
тоды проектирования. Разработка микросистем может заключать-
ся либо в проектировании двухмерной схемы с последующим до-
бавлением функциональных частей для получения трехмерной мо-
дели, либо ЗЭ-модель строится с самого начала при помощи спе-
циальных трехмерных программ, которые должны учитывать осо-
бенности технологических процессов. Программный пакет Conver-
tor’s Desiner (www.convertor. com/rf), объединяющий физические мо-
дели различных устройств, позволяет на основе 2D схемы автома-
тически строить трехмерные микросистемы. Механические харак-
теристики разработанного устройства в дальнейшем могут быть
оптимизированы методом FEM при помощи программы Analyzer
(www.convertor.com/rf). На рис. 3.46 показано влияние искривления
формы отдельных элементов на работу всего микроустройства.
Искривления, показанные затенением разной степени, появляют-
ся из-за наличия остаточных напряжений. Степень влияния искри-
вления на работу ВЧ микросистемы зависит от области ее примене-
ния. Его обязательно надо учитывать при проектировании микро-
переключателей. Convertor’s Desiner позволяет анализировать рабо-
ту искаженных и неискаженных структур. Этот пакет также дает
возможность организовывать процесс проектирования в привычном
для пользователя режиме: сначала разрабатывается системный уро-
вень микросистемы, на котором определяется ее поведение, а потом
236 Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле
проводится оптимизация проекта. Convertor’s Desiner также анали-
зирует взаимное влияние различных микросистем друг на друга,
их взаимодействие с окружающими электронными схемами, рассма-
тривает вопросы согласования сигналов и монтажа устройств. Все
это помогает в отработке как конструкции микросистемы, так и
схемы управления ею.
Рис. 3.46. Модель переключателя: а — без искажения формы, б — с иска-
жением формы. Приведено с разрешения www.convertor.com
3.8.1. Электромеханический анализ методом
конечных элементов
На рис. 3.47а показана геометрия и сетчатая структура элемента,
используемого для разработки микропереключателя консольного ти-
па методом конечных элементов при помощи программного пакета
Ansys (www.ansys.com) (Human et- al, 1999). Он состоит из слоя зо-
лота толщиной 1 мкм, имеющего свободное пространство снизу, на
который нанесены слои из нитрида кремния толщиной 0.8 мкм. Be-
3.8. Расчет, моделирование и сравнение микропереключателей
личина действующего давления определяется приложенным напря-
жением, которое возрастает при движении электрода вниз. Кон-
струкция прочно закреплена с одного конца в фиксированной точке
пространства и не может в ней ни вращаться, ни сдвигаться. На
рис. 3.47 б и 3.47 в показаны положения электрода в исходном состо-
янии и в состоянии полного срабатывания.
Рис. 3.47. а — геометрия, разме-
ры и сетчатая структура микропе-
реключателя, используемая в методе
конечных элементов. Здесь использу-
ется 1 мкм слой золота и 1 мкм слой
нитрида кремния, б — изометриче-
ская проекция FEM модели микропе-
реключателя, в — максимальное от-
клонение микропереключателя при
его срабатывании. Репродукция из
книги D. Hyman, J. Lam, В. Warneke,
A. Schmitz, T.Y. Hsu, J. Brown, J.
Schaffner, A. Waltson, R.Y. Loo, M.
Mehregany, J. Lee, 1999a, «Surface mi-
cromachined RF MEMS switches on
GaAs substrates», International Jour-
nal of RF and Computer Aided Engi-
neering 9: 348-361 с разрешения Wi-
ley, ©1999 Wiley
A . КУЧМ'
Из модели видно, что напряжение срабатывания и быстродей-
ствие переключателя сильно зависит от геометрии электрода, в то
время как заглубление контактов и конструкция балки определяют
механические свойства.
3.8.2. Разработка ВЧ микропереключателей
Основной частью всех ВЧ переключателей является механизм при-
вода. Любой переключатель можно рассматривать как цифровое
238 Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле
двоичное устройство, поскольку он может находиться только в од-
ном из двух возможных положений. Во включенном состоянии пере-
ключатель связывает входной и выходной порты системы, в то вре-
мя как в выключенном состоянии он их рассоединяет. Количество
полюсов определяет число входных терминалов или входных портов
переключателя, а количество направлений — число выходных тер-
миналов или выходных портов. Для любого типа переключателей
важными являются следующие характеристики: вносимые потери
во включенном состоянии, коэффициент развязки в выключенном
состоянии и потери на отражение в обоих состояниях
3.8.2.1. Линии передач
Рассмотрим линию передач с характеристическим импедансом Zq,
подключенную через ключ к другой линии с импедансом Zi, как
показано на рис. 3.48. Предполагается, что в системе отсутствуют
отражения от нагрузки, и выходным импедансом считается Z\. Ко-
эффициент отражения Р, определяемый как отношение амплитуды
напряжения отраженной волны к амплитуде напряжения падающей
волны, можно записать в виде:
г = Ур = ~
(3.45)
Часть падающей волны отражается, а другая часть передается на
выходной порт, амплитуда напряжения результирующей волны опре-
деляется коэффициентом передачи:
Т = 1 - \Г\ = <
1 zi+Zo ’ для ^°’
1 — Z°+Zo’ ДЛЯ < ^°-
(3.46)
Коэффициент передачи между двумя точками цепи часто выра-
жается в дБ и называется вносимыми потерями, IL:
IL = -20 log |Т|, дБ.
(3.47)
При несогласовании линии передач с нагрузкой не вся мощность
сигнала доходит до нагрузки. Эти потери называются потерями на
отражение, RL и выражаются в дБ:
RL = —201og(l - |Г|) , дБ.
(3.48)
При согласованной нагрузке Г = 0, a RL = 0 (нет отраженной
мощности), тогда как полное отражение сигнала (Г = 1) приводит
3.8. Расчет, моделирование и сравнение микропереключателей 239^
к RL — оо (вся падающая мощность отражается). При увеличении
модуля Г отношение амплитуд напряжений Vmax и Vmin также воз-
растает. На практике часто применяют коэффициент стоячей волны
(SWR), показывающий уровень согласования линии и нагрузки:
SWR= !-
Уmin -*• Н I
Рйс. 3 .48. Отражение и передача сигнала при подключении через ключ
двух линий передач с разными характеристическими импедан-
сами. Репродукция из книги D. Hyman, J. Lam, В. Warneke,
A. Schmitz, T.Y. Hsu, J. Brown, J. Schaffner, A. Waltson, R.Y.
Loo, M. Mehregany, J. Lee, 1999a, «Surface micromachined RF
MEMS switches on GaAs substrates», International Journal of RF
, , ; . and Computer Aided Engineering 9: 348-361 с разрешения Wiley,
©1999 Wiley
3.8.2.2. СВЧ параметры *
В любых микропереключателях следует оптимизировать следующие
СВЧ параметры: вносимые потери, коэффициент развязки, часто-
ту переключения и потери на отражение. Вносимые потери объ-
ясняются, в основном, несогласованием характеристических импе-
дансов линии передач и переключателя. Сопротивление контактов
и потери, связанные с металлизацией балки, также сказываются на
вносимых потерях.
Одним из принципиальных требований к СВЧ микропереключа-
телям является то, чтобы линия передач входила в состав СВЧ
ИС в виде ее внутреннего элемента. Структура линии передач сиг-
нального тракта имеет планарную конфигурацию, и ее характери-
стический импеданс определяется ее геометрическими размерами.
Например, величину импеданса линии передач на СВЧ подложке мож-
но регулировать изменением ширины самой линии. На рис. 3.49 по-
казаны варианты планарных линий передач.
Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле
Рис. 3.49. Различные
конфигурации планар-
ных линий передач,
используемых в СВЧ
ИС: а — микропо-
лосковая линия, б —
щелевая линия, в —
копланарный волно-
вод, г — структура с
копланарными полос-
ками, д — полосковая
структура
Наиболее распространенной линией является микрополосковая
линия. Она обладает рядом преимуществ: малыми размерами, низ-
кой стоимостью, отсутствием частоты отсечки, простотой интег-
рации с активными устройствами, возможностью использования фо-
толитографического метода для ее изготовления, хорошей повторя-
емостью и воспроизводимостью, возможностью налаживания мас-
сового производства и совместимостью с монолитными схемами.
Монолитными схемами считаются СВЧ ИС на GaAs подложке, в
которых активные и пассивные устройства располагаются на од-
ном кристалле. Но по сравнению с прямоугольными волноводами
микрополосковые линии имеют большие потери и большую темпе-
ратурную нестабильность и при этом могут работать с меньшими
по мощности ВЧ сигналами.
Рис. 3.50. Схема микрополосковой линии передач
На рис. 3.50 показа-
на схема микрополоско-
вой линии передач, ко-
торая состоит из тон-
кой проводящей полос-
ки шириной W, нанесен-
ной на верхнюю часть за-
земленной диэлектриче-
ской подложки с толщи-
ной h и относительной
диэлектрической прони-
цаемостью ег. Для изго-
товления микрополоско-
вых линий используются
два типа подложек: мягкая и твердая. Мягкие подложки — гиб-
кие, недорогие и легко поддаются обработке. Однако они обладают
высоким коэффициентом температурного расширения. Примерами
3.8. Расчет, моделирование и сравнение микропереключателей 241
мягких подложек являются RT Duroid 5870 (ег = 2.3), RT Duroid
5880 (ег — 2.2), RT Duroid 6010 (ег = 10.5) (RT Duroid — торго-
вая марка Rogers Corporation, Chandler, AZ). Твердые подложки —
кварц (ег = 3.8), окись алюминия (ег = 9.7), сапфир (ег = 11.7)
и GaAs (ег = 12.3). Они имеют большую прочность и более низ-
кие коэффициенты расширения, но меньшую гибкость и большую
стоимость. Для микрополосковых линий передач наиболее важны-
ми характеристиками являются W, h и ег.
3.8.2.3. Расчетные уравнения
Микрополосковые линии передач состоят из двух токопроводящих
дорожек и ведут свое начало от двухпроводных линий передач. Ми-
крополосковые линии значительно отличаются от остальных линий
передач. В отличие от полосковых линий микрополосковые струк-
туры сверху открыты. Такая конфигурация линии очень удобна для
использования в СВЧ ИС, в состав которых входят дискретные со-
средоточенные устройства, как пассивные, так и активные.
К тому же поскольку микрополосковая линия передач является пла-
нарной, в ее конструкции можно предусмотреть подстроечные эле-
менты для осуществления согласования импеданса линии и нагруз-
ки. Однако поверхностные эффекты на границе раздела слоя ди-
электрика и воздуха могут привести к изменению режима распро-
странения сигнала в линии, что усложняет процедуру расчета и
проектирования сигнального тракта. Если в полосковой линии все
электромагнитные поля заключены в однородной диэлектрической
среде, в микрополосковой линии большинство силовых линий в ди-
электрическом слое сконцентрированы между токопроводящей до-
рожкой и слоем заземления, а остальная часть — в слое воздуха
над подложкой. Такое распределение силовых линий не обеспечи-
вает создания чисто поперечного электромагнитного поля (ПЭП),
поскольку фазовые скорости ПЭП полей в зоне воздуха и диэлек-
трике будут различаться, т. е. если скорость в воздухе равна с, то в
диэлектрике — с/д/ё7- Однако в большинстве практических случаев
диэлектрик имеет очень маленькую толщину (h < А), поэтому поля
считаются квази-поперечными. Следовательно, для оценки значе-
ний коэффициента распространения, фазовой скорости и характе-
ристического импеданса можно воспользоваться стационарной или
квази-стационарной моделью. Тогда фазовую скорость и коэффици-
ент распространения можно записать в виде:
с
vp = ~
(3.50)
9 - 10482
Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле
Р = кОл/Ё^,
(3.51)
где £е — эффективная диэлектрическая проницаемость микропо-
лосковой линии. Поскольку силовые линии проходят как в диэлек-
трике, так и в воздухе, для ее справедливо следующее соотношение:
1 < £е < £r. s • -:<• (3 52)
Эффективная диэлектрическая проницаемость зависит от толщины
подложки h и ширины проводящей дорожки W.
Под £е понимается диэлектрическая проницаемость однородной
среды, заменяющей воздушную и диэлектрическую области микро-
полосковой линии. Для нее справедливо следующее соотношение:
£е 2
er-l
2 \ h
(3.53)
12/i\-1 ( ИЛ2 W
— + 0.04 1-— , —
W J \ h / h
12/Л'1
~W~ J
(3.54)
W > 1
h
Характеристический импеданс микрополосковой линии задается сле-
дующим соотношением:
Zq = <
60 , / 8h
----In------h — .
yfTe 4/г/ ’
\W fW
— + 1.393 + 0.667 In — + 1.444
h \ h
12Отг
Ее
(3.55)
Для заданного характеристического импеданса Zo и диэлектри-
ческой проницаемости £г, можно определить отношение W/h:
V>2,
(3.56)
где
_ ^0 / Er + 2 \ 1//2 £r — 1
“ 60 \ 2 J Er + 1
0-11
0.23 +------
(3.57)
\ h
W
h
3.8. Расчет, моделирование и сравнение микропереключателей
и
377тг
2Z0
(3.58)
Из уравнения видно, что величина импеданса уменьшается при
увеличении отношения W/h. Это связано с тем, что при увеличении
W (или уменьшении h) возрастает емкость линии. Описанные вы-
ражения обеспечивают точность оценки менее 1%. В работе (Gupta
et al, 1996) приведено более точное соотношение для характеристи-
ческого импеданса микрополосковой линии при t = 0 и £r = 1:
Zq = 60 In <
/И
---г
21 V2
(3.59)
X
где
f(x) = 6 + (2тг — 6) ехр
30.666 \ 07528
(3.60)
и х = W/h. Точность этого выражения менее 0.01% для х + 1 и
0.03% для х 1000. Эффективную диэлектрическую проницаемость
можно определить по следующей формуле:
(3.61)
i \ 1 1 1 ( х^ + (х/52)i 2 *\ 1 .
а(х) = 1 + — 1ш —v \ ! -I-------------In
v ' 49 \ ж4 +0.432 ) 18.7
(3.62)
Ь(ге) = 0.454
0.053
(3.63)
Вышеприведенные соотношения основываются на предположении,
что тол ши на проводящей дорожки является несущественной. Одна-
ко на практике дорожка обладает конечной толщиной t, что сказы-
вается на реальных значениях рабочих характеристик.
3.8.2.4- Влияние толщины проводящей полоски на СВЧ
характеристики
На практике часто наблюдается ослабление сигнала за счет исполь-
зования неидеальных проводников. Известно, что на высоких часто-
тах ток протекает только через очень тонкий слой на поверхности
9*
244 Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле
проводника, называемый глубиной проникновения поля или толщи-
ной скин-слоя. Предполагается, что толщина проводника намного
превышает глубину проникновения, и поэтому нет отражений от
нижней поверхности проводящего слоя. Другими словами, поверх-
ностное сопротивление плоского проводника на любой частоте рав-
но сопротивлению по постоянному току того же самого проводника
толщиной 5. Однако при толщине металлического проводника, срав-
нимой с глубиной проникновения, происходит отражение волны от
его нижней поверхности, что приводит к значительному увеличе-
нию вносимых потерь в линии передач. Толщину скин-слоя можно
определить как:
/ 2 \1/2
5=( —) , (3.64)
\CJ/J,(T /
где со = 2тг/ — частота излучения, ц — магнитная проницаемость
среды, <т — электропроводность среды. На расстоянии, равном тол-
щине скин-слоя, величина поля в проводнике уменьшается в 1/е раз
или на 36.8%. Для хороших проводников, таких как серебро или зо-
лото, в СВЧ диапазоне глубина проникновения поля очень малень-
кая. Поэтому для изготовления СВЧ компонентов или линий пере-
дач с низкими потерями необходимо использовать тонкие метал-
лизированные слои из проводников с хорошими характеристиками.
В таблице 3.7 приведены расчетные значения толщины скин-слоя
для наиболее распространенных проводников для частоты 1 ГГц.
Из таблицы видно, что хорошие проводники имеют небольшую тол-
щину скин-слоя, поэтому наибольшая плотность тока в них наблю-
дается в очень узкой зоне у поверхности проводника.
Таблица 3.7. Толщина скин-слоя для некоторых проводников
Металл Проводимость, См /м Толщина скин-слоя, м
Алюминий 3.816 х 107 2.57 х 10“в
Медь 5.813 х 107 2.08 х 10“в
Золото 4.098 х 107 2.48 х 10-в
Платина 9.520 х 10е 5.15 х 10”в
Серебро 6.173 х 107 2.02 х 10~в
Многие исследователи указывают на влияние толщины прово-
дящей полоски на величину Zo микрополосковой линии (Gupta et
al, 1996). Были выведены простые и точные формулы для оценки
характеристического импеданса, учитывающие конечную толщину
3.8. Расчет, моделирование и сравнение микропереключателей
дорожки:
7 60 1
Zq = —— In
W
h
8/z
W~e
+ 0.25^
h
(3.65)
< 1
и
ZQ = + 1.393+ 0.6671nf^+ I.444)) , — >1,
n (3.66)
где We я./ ; h W 1.25 t Д , 4тг\ W 1 = ~г + т 1 + Ь— , 3.67) h 7г h у t / h 2тг ' 7
м .... . - We ‘ h W 1.25 t ( , 2h\ W 1 _ 1 1 + ]n — ) , — — (3.68) h к h \ t J h 2тг 7
И £r + 1 — 1 f W \ £e= \ + 9 F \ C' (3-69) Zi \ fl J
где
(er - 1\ (t\ (W\~1/2 . . C= 4.6 Л J ' P-70’
Из этих уравнений видно, что при малых значениях отношения W/h
влияние толщины полоски на Zq и ее значительное. От толщины по-
лоски в микрополосковой линии сильно зависят потери в проводя-
щей дорожке. На низких частотах вносимые потери определяются
резистивными потерями в сигнальной линии, которые складывают-
ся из сопротивления линии и сопротивления контактов. На высоких
частотах вносимые потери формируются из резистивных потерь и
потерь, связанных с влиянием толщины скин-слоя. На частотах ни-
же 4 ГГц влияние глубины проникновения на величину потерь го-
раздо менее значительное, чем влияние резистивных потерь на сиг-
нальной линии. При использовании более толстых сигнальных линий
резистивные потери уменьшаются.
3.8.2.5. Допустимая мощность сигналов
Известно, что микрополосковые линии, в основном, подходят для
работы только с маломощными сигналами. Хотя они не годятся для
применения в силовых устройствах, таких как волноводы коаксиаль-
ных линий, их можно использовать в системах средней мощности.
Например, 50-ти омная микрополосковая линия, реализованная на
Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле
подложке из окиси алюминия 25 мм толщины, может выдерживать
мощность сигналов до нескольких кВт. Ограничения на допустимую
мощность микрополосковой схемы связаны с ее нагревом, вызыва-
емым омическими и диэлектрическими потерями, а также пробоем
диэлектрика. Нагрев диэлектрика и потери в проводнике ограничи-
вают величину средней мощности, в то время как напряжение про-
боя между проводящей дорожкой и поверхностью заземления влияет
на способность выдерживать пиковую мощность.
3.8.2.6. Потери в микрополосковой линии
Ослабление ВЧ сигнала в микрополосковой структуре вызывается
двумя причинами: потерями в проводнике и диэлектрическими по-
терями. Для подложки из магнитного материала сюда прибавятся
магнитные потери. Для проводника с поверхностным импедансом
Zs = R + JX, действительная часть R (поверхностное сопротивле-
ние на единицу длины) равна мнимой части X, т. е.
R = X —
(З.П)
где L — индуктивность на единицу длины. Индуктивность L ми-
крополосковой структуры может быть выражена через характери-
стический импеданс, если подложку заменить на воздух (Chan, Кап,
Dutton, 1997):
,и,- __ XQe03^.yXa
с
(3.72)
здесь с — скорость электромагнитных волн в воздухе. Как правило,
разработчики выполняют требование, устанавливающее, что тол-
щина подложки должна больше глубины проникновения более чем в
четыре раза. Влияние толщины линии передач на параметры всей
системы хорошо изучены (Garg et al, 1975, Gupta et al, 1996, Horton
et al, 1971, Schneider, 1969, Simpson, Tesng, 1976, www.convertor.com/rf).
Установлено, что потери в проводнике уменьшаются на 9% при со-
блюдении условия, при котором толщина проводника выбирается
больше глубины проникновения в л/2 раз.
Выражение для коэффициента ослабления в микрополосковой ли-
нии, вызванного диэлектрическими потерями, имеет следующий вид:
Ег ее — 1 tg5 .
iji я. — 27.3 — , (3.73)
V £е £г ~ 1 Ао
где tg 5 — тангенс потерь диэлектрической подложки. Для микро-
полосковой линии на подложке из окиси алюминия диэлектрические
3.8. Расчет, моделирование и сравнение микропереключателей
потери ad незначительны по сравнению с суммарными потерями
а. Однако для микрополосковых линий на полупроводниковых под-
ложках, таких как кремниевые, эта составляющая потерь становит-
ся основной. Например, для 50-ти омной микрополосковой линии на
кремниевой подложке с диэлектрической проницаемостью ег = 11.7
и удельным сопротивлением 103 Ом см диэлектрические потери со-
ставляют порядка О.ЗбдБ/см, в то время как потери в проводнике
равны « 0.19дБ/см (Chan, Kan, Dutton, 1997). На рис. 3.51 показа-
ны расчетные зависимости потерь в проводнике и диэлектрических
потерь от частоты, отнесенных к единице длины, для 50-ти омных
микрополосковых линий, реализованных на разных типах подложек.
ных на разных подложках. Репродукция из книги К.С. Gupta, R.
Garg, I. Bahl, P. Bhartia «Microstrip Lines and Slot lines», Artech
House Inc., Norwood, MA с разрешения ©1996 Artech House Inc.
3.8.2.1. Секционные линий
Основными блоками любых ВЧ микросистем являются секции ли-
ний передач или микрополосковых линий. Если сделать размеры ми-
Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле
крополосковой секции гораздо меньше длины волны, ее можно ис-
пользовать как состр ед оточенный элемент. Примерами сосредото-
ченных микрополосковых элементов являются встречно-штыревые
конденсаторы, спиральные катушки индуктивности, тонкопленоч-
ные резисторы, МДМ (металл-диэлектрик-металл) конденсаторы,
сквозные отверстия и воздушные мостовые структуры. Микропо-
лосковые секции в распределенной и сосредоточенной форме широ-
ко используются в активных и пассивных микросистемах. Примера-
ми таких микросистем являются микрофильтры (Глава 5), преобра-
зователи импеданса, соединительные элементы, линии задержки и
фазовращатели (Глава 6). Микрокатушки индуктивности и микро-
конденсаторы рассматриваются в четвертой главе.
3.8.2.8. Моделирование вносимых потерь
микропереключателя
Было показано (Hyman et al, 1999), что программное обеспечение,
такое как HP EESof/Touchstone http://eesof.tm.agilent), основанное
на двумерных моделях, не подходит для расчета электромагнитно-
го рассеяния таких сложных пространственных структур, как ми-
кросистемы, поскольку они не учитывают взаимодействия свободно
подвешенных элементов с подложкой. Поэтому для моделирования
вносимых потерь и коэффициента развязки применяется 3D про-
грамма ID3D (Hyman et al, 1999). В эту модель включены компонен-
ты переключателя, расположенные рядом с линией передач. Пере-
ключатель моделируется в замкнутом состоянии, все металлические
детали считаются выполненными из золота толщиной 1 мкм, исполь-
зуется GaAs подложка, диэлектрическая проницаемость слоев ни-
трида кремния не учитывается из-за их маленькой толщины, шири-
на линии передач принимается равной 25 мкм. Входные и выходные
сигнальные линии — 50-ти омные микрополосковые линии шири-
ной 60 мм. На рис. 3.52 показаны зависимости внесенных потерь от
величины сопротивлений контактов, рассчитанные для разных ча-
стот. Коэффициент развязки переключателя вычисляется аналогич-
ным образом, только при этом контакты заменяются воздушным
зазором. На рис. 3.53 представлены зависимости коэффициента раз-
вязки от величины зазора, посчитанные для разных частот.
Из результатов моделирования видно, что величина усилий при
замыкании контактов сильно влияет на уровень вносимых потерь.
Наличие на контактах загрязнений или каких-либо включений так-
же сказывается на вносимых потерях переключателя. Так увели-
чение сопротивления контактов на 0.5 Ом приводит к возрастанию
уровня вносимых потерь на 0.1 дБ.
^^1^
3.8. Расчет, моделирование и сравнение микропереключателей
fil Рис. 3.52. Зависимость вносимых потерь от сопротивления контактов для
•I разных частот. Репродукция из книги D. Hyman, J. Lam, В.
_ ; Warneke, A. Schmitz, T.Y. Hsu, J. Brown, J. Schaffner, A. Waltson,
R.Y. Loo, M. Mehregany, J. Lee, 1999, «Surface micromachined RF
'* * " ' ’ MEMS switches on GaAs Substrates», International Journal of RF
'^e‘‘ ’ and Computer Aided Engineering 9: 348-361 с разрешения Wiley,
©Wiley
Рис. 3.53. Зависимость коэффициента развязки от величины зазора для
разных частот. Репродукция из книги D. Hyman, J. Lam, В.
Warneke, A. Schmitz, T.Y. Hsu, J. Brown, J. Schaffner, A. Waltson,
’’ R.Y. Loo, M. Mehregany, J. Lee, 1999, «Surface micromachined RF
MEMS switches on GaAs Substrates», International Journal of RF
and Computer Aided Engineering 9: 348-361 с разрешения Wiley,
© Wiley
3.8.2.9. Разновидности микрополосковых линий
В микросистемах и СВЧ ИС используются несколько вариантов ми-
крополосковых линий: многослойные микрополосковые линии, тонко-
250 Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле
пленочные микрополосковые линии, перевернутые и подвешенные
микрополосковые линии. Подробную информациию о них можно
найти в работе (Gupta et al, 1996).
3.9. Важные моменты при проектировании
микропереключателей
Для разработчиков микропереключателей часто бывает сложно вы-
полнить требования по коэффициенту развязки. Обычно обеспе-
чение коэффициента развязки < 40 дБ не вызывает больших про-
блем. Однако, когда требуемый уровень изоляции составляет по-
рядка 50... 60 дБ, разработчику необходимо более тщательно под-
ходить к составлению монтажной схемы устройства, особенно при
проектировании углов и изгибов. В этом случае чаще всего приме-
няются копланарные волноводные линии передач (CPW), посколь-
ку их можно изготовить очень узкими, что позволяет облегчить
разводку монтажной схемы и увеличить плотность дорожек. При
этом также уменьшаются эффекты взаимного влияния сигнальных
линий, что объясняется наличием верхнего слоя заземления. Кро-
ме тщательной разводки ВЧ линий необходимо организовать внеш-
нюю развязку управляющих линий кристалла при помощи шунтиру-
ющих конденсаторов, расположенных как можно ближе к выводам
линий управления. В схемах, где требуется разместить большое ко-
личество переключающих элементов в ограниченном пространстве,
предпочтительнее использовать микропереключатели, а не ключи
на основе полевых транзисторов и монолитных СВЧ ИС, поскольку
их применение позволяет уменьшить количество линий постоянного
напряжения.
3.10. Заключение
Ключи на полевых транзисторах и PIN-диодах являются наиболее
распространенными переключающими элементами в современных
ВЧ и СВЧ интегральных схемах. Недостатками многих полупровод-
никовых ключей являются большие вносимые потери во включенном
состоянии и плохой коэффициент развязки в выключенном состоя-
нии. Поэтому в настоящее время активно разрабатываются механи-
ческие микроключи для переключения ВЧ сигналов. Современный
уровень микротехнологий позволяет встраивать такие микропере-
ключатели в ВЧ микросистемы. Микропереключатели с электроста-
тическим приводом обладают низкими вносимыми потерями, незна-
чительным энергопотреблением, хорошим коэффициентом развязки
и высокой линейностью.
Возможность объединения микропереключателей с кремниевы-
ми микроэлектронными элементами позволяет создавать устрой-
ства, которые невозможно изготовить традиционными методами.
Достоинствами микропереключателей являются быстрое срабаты-
вание, небольшая потребляемая мощность, возможность интегра-
ции с микроэлектронными элементами, высокое сопротивление в вы-
ключенном состоянии. В последние годы появилось много публика-
ций, посвященных микропереключателям, которые нашли свое при-
менение и в автоматическом испытательном оборудовании (АТЕ),
где необходимо выполнять строгие требования по токам утечки и
коэффициенту развязки, и в системах связи, где нужны переключа-
ющие устройства с высокой степенью функциональности, и во мно-
гих других системах. Основными элементами микропереключателей
являются консоль, мостовая схема или мембрана, управляемые элек-
тростатическим или магнитными приводами. Электростатические
приводы являются более предпочтительными из-за простоты объ-
единения с традиционными интегральными схемами. Напряжения
срабатывания микропереключателей лежат в диапазоне 5... 100 В.
В таблице 3.8 приведены рабочие характеристики реальных ВЧ ми-
кропереключателей. Очевидно, что вносимые потери и коэффици-
ент развязки зависят от емкости переключателя во включенном и
выключенном состоянии.
Микропереключатели, как правило, изготавливаются методами
поверхностной технологии, при которых происходит вытравлива-
ние защитных слоев, например, оксидных, для получения структуры
ключа. Сложной проблемой является объединение технологий произ-
водства микропереключателей с традиционными методами изгото-
вления ИС, таких как КМОП (комплементарные металло-оксидные
полупроводниковые) и GaAs структуры. Были опубликованы сооб-
щения об успешной интеграции поликремниевых переключателей с
MOSFET транзисторами, при этом контакты выполнялись из леги-
рованного поликремния. Недавние исследования Hyman и Mehregany
(1999) показали, что использование золота для изготовления контак-
тов приводит к уменьшению сопротивления контактов в замкнутом
состоянии и замедляет образование посторонних пленок. Но золото
несовместимо с кремнием, и поскольку оно часто примененяется в
переключателях, необходимо разрабатывать новые технологии для
интегрирования микропереключателей и ИС.
Таблица 3.8. Рабочие характеристики ВЧ микропереключателей
Переключатель Напряжение сра- батывания, В Время пере- ключения, мкс Вносимые поте- ри, дБ Коэффициент развязки, дБ Ссылка
Емкостной: мембрана 70 Petersen, 1979
Электростатический: вращающийся микро- пер еключат ель 80-200 - - - 0.5 при 0-45 ГГц 35 при 0-45 ГГц Larson, Hackett, Ме- lendes, 1991
Электростатический: микропереключатель на GaAs 28 30 0.1 при 4ГГц 50 при 4 ГГц Yao, Chang, 1995
Емкостной: мембрана 30 60 0.3-0.5 при 10 ГГц 15 при 10 ГГц Goldsmith et al, 1996 Randall et al, 1996
Электростатический: мембрана из никеля, нанесенного электро- литически 35-45 0.25 при 20 ГГц 18 при 20 ГГц Yao et al, 1997 Zavaracky, Ma- jumdar, McGruer, 1997
Электростатический: с использованием ма- териалов, нанесенных электролитически 100 • - Zavaracky et al, 1999
Емкостной: серпан- тинные и консольные пружины 14-16 - .. > 30 при 40 ГГц Pacheco, Nguyen, Katehi, 1998
Емкостной: мостовая структура 10-23 - 40 при 21-40 ГГц Barker, Rebeiz, 1998
а
а
&
to
X
£
&
Л
S
S
х
X
X
ей
2
s
£
&
S
ей
X
X
Ь
X
*§
ей
Продолжение таб. 3.8.
Емкостной: структу-- pa из параллельных^ слоев металла и ди- электрика 30-50 80-110 0.25 при 35ГГц 35 при 35 ГГц Goldsmith et al, 1998
Консольный: один ко- нец фиксирован 30 20 < 0.2 при 0-40 ГГц > 50 при < 2 ГГц Hyman et al, 1999a, 1999b
Навесной: консоль- ный 14-17 0.5 при 40 ГГц 27 при 0.25-40 ГГц Shen, Feng, 1999
Емкостной: мембрана 50 < 6 0.14 при 20 ГГц, 0.25 при 35 ГГц 15 при 10 ГГц и 35 при 35 ГГц Yao et al, 1999
Электростатический: узкие балки на много- кристальном модуле 15 2 - ; ‘ Hirata et al, 1999
Кремниевая структу- ра на стекле: одиноч- ный и двойной горбы 56 0.2 при 30 ГГц > 13 при 30 ГГц Suzuki et al, 1999
Электростатический: резонансный пере- ключатель 15-20 0.6 при 22-38 ГГц 50 Muldavin,Rebeiz, 1999
Пружины с меандра- ми 9 48 26 при 40 ГГц Pacheco, Katehi, Nguyen, 2000
Параллельный: одна мембрана, двойное шунтирование 15-25 0.2 35 при 10 ГГц Muldavin,Rebeiz, 2000
&
5
s
х
л
X
X
Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле
Ulm et al, 2000 1 Chang, Chang, 2000 Park et al, 2000, 2001 Plotz et al, 2001 Rizk et al, 2001 Campbell, 2001 Pacheco, Peroulis, Katehi, 2001 Tan, Rebeiz, 2001
17 при 10 ГГц 42 при 10 ГГц 20 при 80- 110 ГГц, 25-40 при 0-12 ГГц 40 40 при 5 ГГц, 35 при 10 ГГц, 25 при 26 ГГц
I 0.3 при 21 ГГц | 0.2 при 10 ГГц 0.8 при 10 ГГц 0.4 ±0.1 при 90 ГГц 0.05-0.4 при 0-12 ГГц 0.95 при 7 ГГц, 0.69 при 20 ГГц 0.5 при 0-26 ГГц
О 10000 600 О О
1 16-33 26 QO о 30 < 5 30-35
| Емкостной Электростатический: полуизолятор GaAs,. микропривод, копла- । нарный волновод Емкостной: структу- ра из оксида титаната стронция, нанесенно- го электролитически Электростатический: торсионная пружина Параллельный: струк- тура из кремния Емкостной: однофаз- ный двунаправленный Последовательно- параллельный с балкой, закрепленной с двух концов, с углублением.
Альтернативным способом решения этой проблемы является при-
менение электролитического метода, при котором соотвествующие
металлы осаждаются на контактах после формирования КМОП струк-
туры и изготовления микропереключателя. Достоинство такого под-
хода — технология, полностью совместимая с изготовлением тра-
диционных ИС, за исключением финальной стадии нанесения ме-
таллических слоев.
Для систем беспроводной связи актуальным является размеще-
ние на кристалле пассивных компонентов. Интеграция пассивных
элементов в кристалл или на подложку позволяет уменьшать разме-
ры устройства и повышать его надежность, что особенно важно для
портативных устройств. Микротехнологии необходимы и для инте-
грации в кристалл магнитных компонентов, таких катушки индук-
тивности и трансформаторы. Для формирования интегрированных
катушек с большой индуктивностью и развязывающих трансфор-
маторов требуется применение методов напыления магнитных ма-
териалов и использование электролитических способов осаждения
проводящих и/или магнитных слоев.
Литература
Agilent Technologies (2002); http://eesof.tm.agilent.com/about/ HP EES
of Design Suite v 61.
Ahn, C.H., Allen, M.G., 1993, «А fully integrated micromagnetic actuator with a mul-
tilevel meander magnetic core», in IEEE Solid State Sensor and Actuators Work-
shop, 1993, IEEE, Piscataway, NJ, USA: 14-18.
Ahn, C.H., Kim, Y.J., Allen, M.G., 1993, «А planar variable reluctance magnetic
micromotor with fully integrated stator and wrapped coils», in Proceedings of IEEE
Microelectromechanical Systems Workshop, 1993, IEEE, Piscataway, NJ, USA: 1-6.
Alekseev, E., Pavlidis, D., 1998, «77 GHz high isolation coplanar transmit-
receive switch using InGaAs/InP PIN diodes», in Proceedings of IEEE GaAs Inte-
grated Circuit Symposium, IEEE, Piscataway, NJ, USA: 177-180.
Andricos, C., Bahl, I.J., Griffin, E.L., 1985, «С-band 6-bit MMIC phase shifter», IEEE
Transactions on Microwave Theory and Techniques 33: 1591-1596.
Ayasli, Y., 1982, «Microwave switching with GaAs FETs», Microwave Journal 25
(November): 61-74.
Ayasli, Y., 1982, «Microwave switching with GaAs FETs», Microwave Journal 25:
61-74.
Ayasli, Y., Platzker, A., Vorhaus, J., Raynolds, L.D., 1982, «А monolithic single-
chip X-band four-bit phase shifter», IEEE Transactions on Microwave Theory and
Techniques 30: 2201-2206.
Ayasli, Y., Mozzi, R., Raynolds, L.D., Tsukii, T., 1983, «6 to 19 GHz GaAs FET
transmit receive switch», in Proceedings of the IEEE Galium Arsenide Integrated
Circuit Symposium, IEEE, Piscataway, NJ, USA: 106-108.
Bahl, I.J., Bhartia, P., 1988, Microwave Solid State Circuit Design, John Wiley, New
York.
„ЛЙИ.;,
Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле
Barker, N.S., Rebeiz, G.M., 1998, «Distributed MEMS true-time delay phase shifter
and wide-band switches», Transactions on IEEE Microwave Theory and Techniques
46( 11): 1881-1890.
Bozler, C., Drangmeister, R., Duffy, S., Gouker, M., Knecht, J., 2000, «MEMS mi-
croswitch arrays for reconfigurable distributed microwave components», in Proceed-
ings of IEEE Microwave Theory and Techniques Symposium, 2000, IEEE, Piscat-
away, NJ, USA: 153-156.
Brauchler, F., Robertson, S., East, J., Katehi, L.P.B., 1996, «W-band finite ground
plane coplanar (FGC) line circuit elements», in Proceedings of the IEEE MTT-S
Symposium 1996, IEEE, Piscataway, NJ, USA: 1845-1848.
Browne, J., 1989, «Switches perform high-frequency signal routing», Microwaves and
RE (July): 125-132.
Brown, E.R., 1998, «RF-MEMS switches for reconfigurable integrated circuits», IEEE
Transactions on Microwave Theory and Techniques 46( 11): 1868-1880.
Bryzek, J., Petersen, K., McCulley, W., 1994, «Micromachines on the march», IEEE
Spectrum: 31(5): 20-31.
Busch-Vishnic, I.J., 1992, «The case for magnetically driven microactuators», Sensors
and Actuators A 33: 207-220.
Campbell, T., 2001, «MEMS switch technology approaches the ideal switch», Journal
of Applied Microwave and Wireless 13(5): 100-107.
Caverly, R.H., 1993, «Distortion in arsenide MESFET switches», IEEE Transactions
on Microwave Theory and Techniques 41: 1323-1328.
Chang, K., 1990, Handbook of Microwave and Optical Components; Volume 2: Mi-
crowave Solid-state Components, John Wiley, Chichester, Sussex.
Chang, K., 1994, Microwave Solid-state Circuits and Applications, John Wiley, Chich-
ester, Sussex.
Chang, C., Chang, P., 2000, «Innovative micromachined microwave switch with very
low insertion loss», Sensors and Actuators A 79: 71-75.
Chan, E.K., Kan, E.G., Dutton, R.W., 1997, «Nonlinear dynamic modeling of micro-
machined microwave switches», in Proceedings of IEEE MTT-S Symposium, 1997,
IEEE, Piscataway, NJ, USA: 1511-1514.
Coutrot, A.L., Defour-Gergam, E., Martincic, E., Gilles, J.P., Grandchamp, J.P.,
Quemper, J.M., Bosseboeuf, A., Alves, F., Ahamada, B., 2001, «Electromagnetic
micro-device realized by electrochemical way», Sensors and Actuators A 91: 80-84.
de los Santos, H.J., Kao, Y.-H., Caigoy, A.L., Dirmars, D., 1997, «Microwave and me-
chanical considerations in the design of MEM switches for aerospace applications»,
Proceedings of IEEE Aerospace Conference Aspen, Co 3: 235-254.
Drake, J., Jerman, H., Lutze, B., Stuber, M., 1995, «An electrostatically actuated
micro-relay», in Proceedings of Transducers ’95 Eurosensors IX, IEEE, Piscataway,
NJ, USA: 380-383.
Fullin, E., Gobert, J;, Tilmans, H.A.C., Bergqvist, J., 1998, «А new basic technology
for magnetic microactuators», in Proceedings of IEEE Symposium on MEMS ’98,
IEEE, Piscataway, NJ, USA: 143-147.
Garg, R., Gupta, K.C., Sharan, R., 1975, «Optimum thickness of metal in waveguiding
structures, ground planes and reflectors», International Journal of Electronics 39:
525-527.
Goldsmith, C., Lin, H.T., Powers, B., Wu, W.R., Norvell, B., 1995, «Micromachined
membrane switches for microwave applications», in Proceedings of IEEE Microwave
Theory and Techniques Symposium 1995, IEEE, Piscataway, NJ, USA: 91-94.
Goldsmith, C., Randall, J., Eshelman, S., Lin, Т.Н., Denniston, D., Chen, S., Norvell,
B., 1996, «Characteristics of micromachined switches at microwave frequencies», in
Литература 257,
Proceedings of IEEE Microwave Theory and Techniques Symposium 1996, IEEE,
Piscataway, NJ, USA: 1141-1144.
Goldsmith, C.L., Yao, Z., Eshelman, S., Denniston, D., 1998, «Performance of low-loss
MEMS capacitive switches», IEEE MW and Guided Wave Letters 8(8): 269-271.
Goldsmith, C., Ehmke, J., Malczewski, A., Pillans, B., Eshelman, S., Yao, Z., Brank,
J., Eberly, M., 2001, «Lifetime characterization of capacitive RF MEMS switches»,
in Proceedings of IEEE MTT-S, 2001, IEEE, Piscataway, NJ, USA: 227-230.
Gopinath, A., Rankin, J.B., 1985, «GaAs FET RF switches», IEEE Transactions on
Electron Devices 32: 1272-1278.
Gretillat, M.A., Yang, Y.J., Hung, E.S., Rabinovich, V., Ananthasuresh, G.K., de
Rooji, N.F., Sen-turia, S.D., 1997, «Nonlinear electromechanical behavior of an
electrostatic microrelay», in Proceedings of Transducers ’97, IEEE, Piscataway, NJ,
USA: 1141-1144.
Guckel, H., Christenson, T.R., Skrobis, K.J., Jung, T.S., Klen, J., Hartojo, K.V.,
Widjaja, I., 1993, «А first functional current excited planar rotational magnetic
micromotor», in Proceedings of IEEE Microelectromechanical Systems Workshop,
1993, IEEE, Piscataway, NJ, USA: 7-11.
Gupta, K.C., Garg, R., Bahl, I., Bhartia, P., 1996, Microstrip Lines and Slot Lines,
Artech House, Boston, MA.
Hashimoto, E., Tanaka, H., Suzuki, Y., Uensishi, Y., Watabe, A., 1994, «Thermally
controlled magnetic actuator (TCMA) using thermo sensitive magnetic materials»,
in Proceedings of IEEE Microelectromechanical Systems Workshop, 1994, IEEE,
Piscataway, NJ, USA: 108-113.
Hashimoto, E., Uensishi, Y., Watabe, A., 1995, «Thermally controlled magnetization
microrelay», in Proceedings of 8th International Conference on Solid State Sen-
sors and Actuators and Eurosensors IX, Transducers, 1995, IEEE, Piscataway,
NJ, USA: 361-364.
Hiltmann, K.M., Schmidt, B., Sandmaier, H., Lang, W., 1997, «Development of mi-
cromachined switches with increased reliability», Proceedings of Transducers ’97 :
1157-1160.
Hirata, A., Machida, K., Kyuragi, H., Maeda, M., 1999, «А micromechanical switch as
the logic element for circuits in multi chip module on Si (MCM-Si)», in Proceedings
of IEEE Symposium, IEEE, Piscataway, NJ, USA: 582-587.
Horton, R., Easter, B., Gopinath, A., 1971, «Variation of microstrip losses with thick-
ness of the strip», Electronics Letters 7: 490-491.
Hosaka, H., Kuwano, H., Yanagisawa, K., 1993, «Electromagnetic microrelays: con-
cepts and fundamental characteristics», in Proceedings of IEEE Svmposium on Mi-
croelectromechanical Systems, MEMS ’93, IEEE, Piscataway, NJ, USA: 12-15.
Hosaka, H., Kuwano, H., Yanagisawa, K., 1994, «Electromagnetic microrelays: con-
cepts and fundamental characteristics», Sensors a,nd Actuators A 40: 41-47.
Huang, J.M., Liew, K.M., Wong, C.H., Rajendran, S., Tan, M.J., Liu, A.Q., 2001,
«Mechanical design and optimization of capacitive micromachined switch», Sensors
and Actuators A 93: 273-285..
Hyman, D., Lam, J., Warneke, B., Schmitz, A., Hsu, T.Y., Brown, J., Schaffner, J.,
Waltson, A., Loo, R.Y., Mehregany, M., Lee, J., 1999a, «Surface micromachined RF
MEMS switches on GaAs Substrates», International Journal of RF and Computer
Aided Engineering 9: 348-361.
Hyman, D., Mehregany, M., 1999, «Contact physics of gold microcontacts for MEMS
switches», IEEE Transactions on Components and Packaging Technology 22(3):
357-364.
Hyman, D., Schmit, A., Warneke, B., Hsu, T.Y., Lam, J.. Brown, J., Schaffner, J.,
Walston, A., Lo, R.Y., Tangonan, G.I., Mehregany, M., Lee, J., 1999b, «GaAs
Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле
Compatible surface micromachined RF switches», Electron Letters 35(3): 224-226.
loth, T., 1993, «Electromagnetic ultra miniature motor», Micro Machine 6(1): 110—
112 [in Japanese].
Kobayashi, K.W., Oki, A.K., Umemoto, O.K., Claxton, S.K.Z., Streit, D.C., 1993,
«Monolithic variable gain amplifiers, attenuators and switches», IEEE Transactions
on Microwave Theory and Techniques 41: 2295-2302.
Larson, L.E., Hackett, R.H., Melendes, M.A., Lohr, R.F., 1991, «Microactuators for
GaAs based microwave integrated circuits», in IEEE Transducers ’91 Conference
on Solid State Sensors and Actuators, 1997, IEEE, Piscataway, NJ, USA: 743-746.
Larson, L.E., Hackett, R.H., Melendes, M.A., 1991, «Micromachined microwave ac-
tuator (MIMAC) technology — A new tuning approach for microwave integrat-
ed circuits», in Proceedings of IEEE Microwave and MM wave Monolithic circuits
Symposium, IEEE, Piscataway, NJ, USA: 27-30.
Lau, G.L., Dunn, D.L., Chen, J.C., Рао, C.K., Wang, W.C., 1988, «А high perfor-
mance V-band monolithic FET transmit/receive switch», in Proceedings of IEEE
Microwave and Millimeter Wave Monolithic Circuits Symposium, IEEE, Piscat-
away, NJ, USA: 99-101.
Losee, F., 1997, RE Systems, Components, and Circuits Handbook, Artech House, Bos-
ton, MA.
Majumdar, S., McGruer, N.E., Zavracky, P.M., Adams, G.G., 1997, «Measurement
and modeling of surface micromachined, electrostatically actuated microswitches»,
Transducers ’97: 1145-1148.
McNie, M.E., King, D.O., Brunson, K.M., Jones, A.R.D., 2000, «Design and modeling
of polysil-icon microswitches», in IEEE Seminar on Microengineering, Modelling
and Design, IEEE, Piscataway, NJ, USA: 6/1-6/4.
Muldavin, J.B., Rebeiz, G.M., 1999, «30GHz tuned MEMS switches», in Proceedings
of IEEE MTT-S Symposium, 1999, IEEE, Piscataway, NJ, USA: 1511-1514.
Muldavin, J.B., Rebeiz, G.M., 2000, «High isolation inductively tuned X-band MEMS
shunt switches», in Proceedings of IEEE MTT-S Symposium, 2000, IEEE, Piscat-
away, NJ, USA: 169-172.
Muldavin, J.B., Rebeiz, G., 2000a, «High isolation CPW MEMS shunt switches, part I:
modeling», IEEE Transactions on Microwave Theorv and Techniques 48(6): 1045-
1052.
Muldavin, J.B., Rebeiz, G., 2000b, «High isolation CPW MEMS shunt switches, part
II: design», IEEE Transactions on Microwave Theorv and Techniques 48(6): 1053-
1056.
Ota, Y., Sakukara, M., Fujimoto, K., Yamamoto, S., Fujimoto, H., 1995, «High isola-
tion and low insertion loss switch IC using GaAs MESFETs», IEEE Transactions
Microwave Theory and Techniques 43: 2175-2177.
Pacheco, S., Nguyen, C.T.-C., Katehi, L.P.B., 1998, «Micromechanical electrostatic
К-band switch»^ in Proceedings of IEEE MTT-S, IEEE, Piscataway, NJ, USA:
1569-1572.
Pacheco, S.P., Katehi, L.P.B., Nguyen, C.T.-C., 2000, «Design of low actuation voltage
RF MEMS switch», in Proceedings of 2000 IEEE MTT-S, IEEE, Piscataway, NJ,
USA: 165-168.
Pacheco, S.P., Peroulis, D., Katehi, L.P.B., 2001, «MEMS single-pole double-throw
(SPDT) X and К-band switching circuits», IEEE MTT-S International Microwave
Symposium Digest, IEEE, Piscataway, NJ, USA, 1, pp. 321-324.
Park, J.Y., Kim, G.H., Chung, K.W., Bu, J.U., 2000, «Electroplated RF MEMS ca-
pacitive switches», in Proceedings of IEEE International Conference on MEMS,
MEMS 2000, IEEE, Piscataway, NJ, USA: 639-644.
Литература
Park, J.Y., Kim, G.H., Chung, K.W., Bu, J.U., 2001, «Monolithically integrated mi-
cromachined RF MEMS capacitive switches», Sensors and Actuators A 89: 88-94.
Peek, R.L., Wager, H.N., 1955, Switching Relay Design, D van Nostand, Princeton, NJ.
Petersen, K.E., 1978, «Dynamic micromechanics on silicon: techniques and devices»,
IEEE Transactions on Electron Devices ED-25(10): 1241-1250.
Petersen, K.E., 1979, «Micromechanical membrane switches on silicon», IBM Journal
of Research and Development 23(4): 376-385.
Poltz, F., Michaelis, S., Aigner, R., Timme, H.J., Binder, C., Noe, R., 2001, «А low
voltage torsional actuator for application in RF microswitches», Sensors and Actu-
ators A 92(1-3), 312-317.
Putnam, J., Fukuda, M., Staecker, P., Yun, Y.H., 1994, «А 94 GHz monolithic switch
with a vertical PIN diode structure», in Proceedings of IEEE GaAs Symposium,
IEEE, Piscataway, NJ, USA: 333-336.
Randall, J.N., Goldsmith, C., Denniston, D., Lin, T.-H., 1996, «Fabrication of mi-
cromechanical switches for routing radio frequency signals», Journal of Vacuum
Science Technology В 14(6): 3692-3696.
Rizk,'J., Tan, G.L., Muldavin, J., Rebeiz, G.M., 2001, «High isolation W-band MEMS
Switches», IEEE Microwave and Wireless Components Letters 11(1): 10-12.
Sadler, D.J., Liakopoulos, T.M., Ahn, C.H., 2000, «А universal electromagnetic mi-
cromotor using magnetic interconnection concepts», Journal of Micromechanical
Systems 9(4): 460-468.
Saffer, S., Simon, J., Kim, C.J., 1996, «Mercury contact switching with gap-closing
microcan-tilever», Proceedings of SPIE 1996 2882: 204-209.
Schiele, I., Huber, J., Hillerich, B., Kozlowski, F., 1998, «Surface micromachined elec-
trostatic microrelay», Sensors and Actuators A 66: 345-354.
Schimakt, J., 1998, «Contact materials for microrelays», in Proceedings of MEMS ’98,
IEEE, Piscataway, NJ, USA: 190-194.
Schindler, M.J., Morris, A., 1987, «DC to 40GHz and 20 to 40GHz MMIC SPDT
switches», IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 35: 1486-1493.
Schindler, M.J., Miller, M.E., 1988, «А 3-bit K/Ka band MMIC phase shifter», in Pro-
ceedings of IEEE Microwave and Millimeter Wave Monolithic Circuits Symposium,
IEEE, Piscataway, NJ, USA: 95-98.
Schneider, M.V., 1969, «Dielectric loss in integrated microwave circuits», Bell System
Technical Journal 48: 2325-2332.
Shen, S.-С., Feng, M., 1999, «Low actuation voltage RF MEMS switches with signal
frequencies from 0.25 to 40 GHz», in Proceedings of IEEE International Electron
Devices Meeting, IEEE, Piscataway, NJ, USA: 689-692.
Simon, J., Safer, S., Kim, C. J., 1997, «А liquid filled microrelay with a moving mercury
drop», Journal of Micromechanical Svstems 6(3): 208-216.
Simpson, T.L., Tesng, B., 1976, «Dielectric losses in microstrip lines», IEEE Transac-
tions on Microwave Theory and Techniques 24: 106-108.
Slobodnik, A.J., Webster, R.T., Roberts, G.A., Scalzie, G.J., 1989, «Millimeter wave
GaAs switch FET modeling», Microwave Journal 32(8), 93-104.
Sokolov, V., Geddes, J.J., Contolatis, A., Bauhahn, P.E., Chao, C., 1983, «А Ka-
band GaAs monolithic phase shifter», IEEE Transactions on Microwave Theory
and Techniques 31: 1077-1082.
Sovero, E.A., Mihailovich, R., Deakin, D.S., Higgins, J.A., Yao, J.J., DeNatale, J.F.,
Hong, J.H., 1999, «Monolithic GaAs PHEMT MMICs integrated with high per-
formance MEMS microrelays», in Proceedings of IEEE MTT-S Symposium, 1999,
IEEE, Piscataway, NJ, USA: 257-260.
Street, A.M., 2000, «RF switch design», IEEE Training Course 2000: How to Design
RE circuits, 2000/027; 4/1—4/7.
Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле
Suzuki, К., Chen, S., Marumoto, Т., Ага, Y., Iwata, R., 1999, «А micromachined RF
microswitch applicable to phased-array antennas», in Proceedings of IEEE MTT-S
Symposium, IEEE, Piscataway, NJ, USA: 1923 1926.
Tangonan, G., Loo, R., Schaffner, J., Lee, J.J., 1999, «Microwave photonic applications
of MEMS technology», in IEEE Proceedings of International Topical Meetings on
Microwave Photonics, MWP ’99, IEEE, Piscataway, NJ, USA: 109-112.
Tan, G.L., Rebeiz, G.M., 2001, «DC-26GHz MEMS series-shunt absorptive switches»,
in Proceedings of IEEE Microwave Symposium, Volume 1, IEEE, Piscataway, NJ,
USA: 325-328.
Taylor, W.P., Allen, M.G., 1997, «Integrated magnetic microrelays: normally open,
normally closed and multi-pole devices», in Proceedings of Transducers ’97, IEEE,
Piscataway, NJ, USA: 1149-1152.
Taylor, W.P., Brand, O., Allen, M.G., 1998, «Fully integrated magnetically actuated
micromachined relays», Journal of Micro electromechanical Systems 7(2): 181-191.
Tilmans, H.A.C., Fullin, E., Ziad, H., Van de Peer, M.D.J., Kesters, J., Van Geffen,
E., 1999, «А fully packaged electromagnetic microrelay», in Proceedings of IEEE
International Conference on Microelectromeehanical Systems, MEMS ’99, IEEE,
Piscataway, NJ, USA: 25-30.
Timoshenko, S., Krieger, S.W., 1987, Theory of Plates and Shells, McGraw Hill, New
York.
Ulm, R.B., Walter, T., Fiedler, R.M., Voigtlender, K., Kasper, E., 2000, «К-band ca-
pacitive MEMS switches», Topical Meeting on Silicon Monolithic Integrated Circuits
in RF Systems 2000, IEEE, Piscataway, NJ, USA: 119-122.
Wright, J.A., Tai, Y.C., 1999, «Magnetostatic MEMS relays for the miniaturization
of brushless DC motor controllers», in Proceedings of IEEE Symposium on MEMS
’99, IEEE, Piscataway, NJ, USA: 594-599.
Yao, J.J., Chang, M.F., 1995, «А surface micromachined miniature switch for telecom-
munications applications with signal frequencies from DC up to 4GHz», Transducers
’95-Eurosensors IX: 384-387.
Yao, J.J., 2000, «RF MEMS from a device perspective», Journal Micromechanics and
Microengineering 10: R9-R38.
Yao, Z.J., Chen, S., Eshelman, S., Denniston, D., Goldsmith, C-, 1999, «Microma-
chined low-loss microwave switches», Journal of Microelectromechanical Systems
8(2): 129-134.
Yao, Z.J., Goldsmith, C., Eshelman, S., Denniston, D., 1997, «Micromachined RF
signal switching devices on high resisitvity silicon substrates», in Proceedings of
Microelectromechanical Systems ASME 1997, ASME, Fairfield, NJ, USA: 69-73.
Zavracky, P.M., Morrison, R.H., 1984, «Electrically actuated micromechanical switch-
es with hysteresis», in Technology Digest IEEE Solid-state Sensors Conference 1984,
IEEE, Piscataway, NJ, USA: 50-51.
Zavracky, P.M., Majumdar, S., McGruer, N., 1997, «Micromechanical switches fab-
ricated using nickel surface micromachining», Journal of Microelectromechanical
Systems 6(1): 3-9. >
Zavracky, P.M., McGruer, N.E., Morrison, R.H., Potter, D., 1999, «Microswitches and
microrelays with a view toward microwave applications», International Journal of RF
and Microwave Computer Aided Engineering 9: 338-347.
ГЛАВА 4
- * Н<3 < ' .h^-
;>Ч;? -М-’ • ?ч'л
I ’ ,£ > > 1 '--;1/л
ч л -‘ •£ л' ’’У ’ ;
КОНДЕНСАТОРЫ
И КАТУШКИ
ИНДУКТИВНОСТИ
В МИКРОСИСТЕМАХ
4.1. Введение ц
Широкое распространение технологий СВЧ ИС, позволяющих из-
готавливать миниатюрные устройства, привело к бурному разви-
тию микросистем, в результате чего появились элементы ВЧ и СВЧ
схем, размеры которых составляют гораздо меньше их длины вол-
ны. Механические микроустройства нашли свое применение в таких
областях техники, как системы беспроводной связи, устройства по-
зиционирования, военная и бытовая электроника, а также датчики
для автомобилей. Высокоэффективные маломощные ВЧ приемопе-
редатчики стали составной частью многих из этих устройств. В на-
стоящее время существует довольно большой круг задач, который
нельзя решить, применяя традиционные технологии изготовления
ИС. Например, невозможно получить компоненты с высокой до-
бротностью (Qs > 30), необходимые для обеспечения высокой изби-
рательности в ВЧ системах связи. Qs планарных спиральных кату-
шек индуктивности и конденсаторов на высоких частотах составля-
ет порядка 10, поэтому для получения требуемых значений доброт-
ности применяют внешние индукторы и перестраиваемые конденса-
торы. Малошумящие генераторы, управляемые напряжением, так-
же требую^ применения компонентов с высокой добротностью, по-
скольку фазовый шум генератора пропорционален 1/Q^, где Qj —
добротность всей системы.
Использование фильтров на объемных и поверхностных акусти-
ческих волнах (ПАВ) и перестраиваемых колебательных контуров
в мобильных устройствах связи приводит к повышению требований
к размерам приемопередатчиков. Актуальной является и задача по-
строения полностью интегрированных планарных катушек индук-
тивности и конденсаторов для микросистем и монолитных СВЧ ИС,
Глава 4- Конденсаторы и катушки индуктивности
что представляет собой довольно сложную проблему, поскольку тра-
диционные индуктивные элементы являются трехмерными. Объеди-
нение технологий изготовления СВЧ ИС и микросистем позволит
создавать новые устройства, обладающие целым рядом достоинств:
миниатюрными размерами, небольшим весом, низким уровнем по-
требляемой мощности, возможностью массового производства, на-
дежностью и воспроизводимостью. Несмотря на то, что пока остал-
ся еще ряд технически неразрешенных проблем, есть уверенность,
что в ближайшем будущем будет создан интегрированный ВЧ мо-
дуль на одном кристалле, включающий в себя приемник, фильтры,
переключатели, антенны, логические блоки и усилители.
В этой главе представлены варианты катушек индуктивности и
конденсаторов, применяемых в микросистемах. Здесь же приведены
их расчетные соотношения и подробно рассмотрены способы улуч-
шения добротности катушек. Выбор технологии для изготовления
катушек индуктивности определяется конкретными условиями при-
кладной задачи, поскольку каждый метод имеет свои достоинства
и недостатки. ;
4.2. Пассивные компоненты микросистем: ч. >
достоинства и недостатки
Пассивные элементы, такие как катушки индуктивности, конденса-
торы и трансформаторы, не удовлетворяют всем требованиям со-
временных устройств беспроводной связи и быстродействующих ци-
фровых систем. Недостатками твердотельных компонентов, таких
как диоды на р-п-переходах и диоды Шотки, являются их небольшой
коэффициент перестройки (обычно менее 30%), низкая добротность
Q (меньше 10), высокие резистивные потери и низкая резонансная
частота. В последние годы в результате бурного развития микро-
электроники и микросистем удалось построить высокоэффектив-
ные пассивные’компоненты для ВЧ применений. Из-за своих миниа-
тюрных размеров, надежности, простоты монтажа и компактности,
эти пассивные компоненты сразу же нашли себе применение в ВЧ
микросистемах. Изготовление пассивных компонентов на проводя-
щей подложке, например, кремниевой, с применением традиционных
технологий обработки значительно снижает стоимость производ-
ства по сравнению с их изготовлением на GaAs подложке, но при
этом при их интеграции в устройства с прямой передачей данных
повышаются их потери и снижается добротность. Для уменьшения
4-3. Индукторы в микросистемах 263^
потерь и повышения добротности было предложено использовать
многослойные структуры и оставлять пространство между подлож-
кой и проводящими ЛИНИЯМИ.
При увеличении рабочей частоты в ВЧ магнитных компонентах
увеличиваются вихревые токи и потери из-за гистерезиса в маг-
нитном сердечнике. Было предложено несколько способов снижения
размеров катушек индуктивности для ВЧ приложений. Применяя
технологию изготовления микросистем, можно сформировать маг-
нитные сердечники и проводники желаемой толщины и ширины.
Проводники в любой ВЧ схеме обладают тремя основными элек-
трическими характеристиками: сопротивлением, емкостью и индук-
тивностью, которые все вместе приводят к задержке сигнала. Из-за
возникновения емкостной или индуктивной связи между проводни-
ками в схеме возможно появление дополнительного шума. Поэтому
при проектировании любого проводника в ВЧ схеме необходимо сле-
довать четко разработанной модели, поскольку каждый виток про-
вода или полоски может радикально изменить поведение всей ВЧ
системы. Поскольку не существует простых моделей для расчета
индуктивности всего кристалла, очень сложно выделить индуктив-
ность отдельного элемента.
Снижение размеров радиоприемников — очень непростая зада-
ча, потому что до сих пор наблюдается недостаток внешних частот-
но-избирательных пассивных миниатюрных компонентов, которые
в традиционных радиоприемниках управляются механическим спо-
собом. Последние разработки пассивных ВЧ компонентов для ми-
кросистем не решают проблем настройки миниатюрных радиопри-
емников. —
4.3. Индукторы в микросистемах
Индуктор (рис. 4.1а) — элемент электрической схемы, на выводах
которого появляется напряжение при изменении тока, протекающе-
го через него. В отличие от конденсаторов, которые запасают элек-
трическую энергию, индукторы накапливают магнитную энергию.
Появление напряжения на выводах индуктора объясняется явлени-
ем магнитной индукции. Изменяющееся во времени магнитное поле,
вызванное протеканием тока в индукторе, приводит к возникнове-
нию электродвижущей силы. В качестве индукторов, как правило,
используются катушки из провода, круглые или спиральные по фор-
ме. Провод накручивается витками для усиления потока индукции
и получения большой индуктивности на малой площади. Катушки
Глава 4- Конденсаторы и катушки индуктивности
индуктивности влияют на электрическую схему следующим образом:
(1) емкость провода увеличивает нагрузку для схемы управления;
(2) из-за сопротивления, емкости и индуктивности провода может
произойти задержка сигнала;
(3) емкостные и индуктивные связи между разными проводами
приводят к появлению дополнительного шума.
Любые изменения тока в цепи приводят к изменению магнитного
поля. Закон Фарадея утверждает, что изменение магнитного поля
приводит к появлению электрического поля, которое по закону Лен-
ца всегда препятствует дальнейшему изменению тока.
Рис. 4.1. Самоиндукция и взаимная индукция вы-
званная изменением тока, б — типичные рабочие зо-
ны индуктора. Здесь: 7д — ток в катушке А, 1в —
ток в катушке В
Идеальный пассив-
ный элемент облада-
ет постоянным но-
минальным значени-
ем во всем диапазо-
не рабочих частот.
Однако для любого
реального элемента
существует зависи-
мость его характери-
стик от частоты, как
это показано на при-
мере катушки индук-
тивности (рис. 4.16).
Рабочей областью рас-
сматриваемого индук-
тора является зона
I. Область II — пе-
реходная зона, в ко-
торой по мере уве-
личения частоты ин-
дуктивность сначала
возрастает, а потом снижается и при какой-то частоте становится
отрицательной.
Эта частота перехода в область отрицательных значений назы-
вается первой резонансной частотой индуктора. Необходимо всегда
следить, чтобы катушка индуктивности не попала в третью зону,
поскольку там она превращается в емкостной элемент, и ее доброт-
ность становится практически равной нулю.
4-3. Индукторы в микросистемах 265^
4.3.1. Собственная индуктивность и взаимная
индуктивность
Как показано на рис. 4.1а, изменение тока в катушке А приводит
к изменению магнитного поля в ней, что индуцирует напряжение в
катушке В. Электродвижущая сила, появившаяся в катушке В при
изменении тока в катушке А, пропорциональна скорости изменения
потока индукции, вызванного изменением тока в катушке А. Прин-
цип действия трансформатора заключен в постоянной генерации
напряжения, препятствующего изменению магнитного поля. Изме-
нение тока или напряжения в одной катушке, вызванное изменением
тока в другой катушке, называется взаимной индукцией. По закону
Фарадея при взаимной индукции возникает электродвижущая си-
ла (эдс), направленная всегда на устранение изменений магнитного
поля, вызванных током в связанной катушке. Изменение тока при-
водит к появлению в каждой катушке эдс, вызванных изменением
потока индукции в витках катушек, связанного с самоиндукцией
магнитного поля.
В случае спирального
индуктора полная индуктив-
ность определяется суммой
собственных индуктивно-
стей прямых сегментов и
взаимной индуктивностью
между сегментами. Напри-
мер для спирального ин-
направление тока
а
d
Ь
Рис. 4.2. Спиральный индуктор и влияние
тока на соседние сегменты
дуктора, показанного на
рис. 4.2, взаимные индук-
тивности между сегмента-
ми а и е, вызванные протеканием в этих сегментах тока одинаковой
частоты и фазы, складываются. То же самое происходит и в парах
сегментов c-g, b-f, d-h. Однако при протекании в сегментах то-
ков разных направлений, например, в сегментах а-д, взаимные ин-
дуктивности вычитаются. Аналогичные соотношения существуют
между парами сегментов а-с, е-д, е-с, d-f, d-b, h-f, h-b. Следова-
тельно, индуктивность катушки или части катушки любой формы
определяется следующим выражением:
Lt — Lq + ^2
(4-1)
где Lt — полная индуктивность, Ао — сумма собственных индуктив-
ностей сегментов, М — сумма взаимных индуктивностей сегментов.
266 Глава Конденсаторы и катушки индуктивности
На рис. 4.3 показаны варианты конфигураций планарных индук-
тивных элементов, применяемых в ВЧ системах. В общем виде их
можно разделить на полосковые и спиральные индукторы. Индукто-
ры с прямыми секциями провода или полосками используются для
получения низких значений индуктивности, обычно меньше 10 нГн,
в то время как спиральные (круговые и прямоугольные) индукто-
ры обладают более высокой добротностью и обеспечивают большие
значения индуктивности (Grover, 1946). Наличие пластин заземле-
ния также влияет на величину индуктивности. Чем ближе пластина
заземления расположена к проводящей линии, тем меньше значение
индуктивности. Планарные индукторы изготавливаются по одно-
слойной схеме металлизации, в которой проводящий слой вытравли-
вается на диэлектрической подложке. Конечное значение удельной
проводимости металлического слоя и потери в диэлектрической под-
ложке могут привести к потерям в индукторе. Металлический слой,
толщина которого должна быть больше глубины проникновения в
3 4 раза, может уменьшить потери проводимости. Поскольку все
сегменты индуктора взаимосвязаны, на маленькой площади возмож-
но получить высокие значения индуктивности. Неизбежная огра-
ниченность пространства в монолитных ИС приводит к тому, что
величину добротности Q можно улучшать только в определенных
пределах, поскольку Q индуктора всегда пропорциональна занима-
емой им площади. Для того чтобы многосегментный элемент схемы
можно было рассматривать как сосредоточенный, общая длина его
сегментов должна составлять небольшую часть от рабочей длины
волны. Выполнение этого условия позволяет не учитывать фазовые
сдвиги.
Добротность индуктора определяется следующим соотношением:
Q = (4-2)
где L — индуктивность, w = 2л/, / — рабочая частота, R — сопро-
тивление. В случае индуктора с формой меандра (рис. 4.3 а) необхо-
димо' учитывать отрицательную взаимную индуктивность между
соседними дорожками. Однако, если ширина линий гораздо меньше
толщины диэлектрического слоя, взаимной связью между соседними
линиями можно пренебречь (Grover, 1946). Индуктивность прямого
сегмента или полоски может быть записана в виде:
L = 21
In
+ 0.22^у1 + ид
(4-3)
4-3. Индукторы в
Рис. 4.3. Вари-
анты планарных
индукторов: а —
меандр, б — пе-
тля, в — круго-
вая спираль, г —
квадратная спи-
раль, д — сим-
метричная спи-
где L — индуктивность сегмента в наногенри, I, w, t — длина, ши-
рина и толщина сегмента в сантиметрах. Для полосковых индукто-
ров хорошими значениями считаются 0.5... 4 наногенри. Более вы-
сокие значения индуктивности достигаются в спиральных индук-
торах. Индуктивность одиночной петли в наногенри определяется
выражением (Bahl, Bhartia, 1998):
L = 4тга
(4-4)
где а — радиус, и> — ширина полоски в сантиметрах. Для большего
количества витков аппроксимационное уравнение имеет вид:
394а2 IV2
8а + 11с’
(4-5)
268 Глава J,. Конденсаторы и катушки индуктивности
Где а = (do + с = (d0 — di)/2, do и di показаны на рис. 4.3 в в
сантиметрах, N — число витков.
При разработке индукторов необходимо учитывать следующие
моменты (Greenhouse, 1974, Konishi, 1991):
- Расстояние между линиями должно быть как можно меньшим.
- Индуктор с круговой спиралью имеет более короткую длину
проводящей линии и Q на 10% выше, чем индуктор с квадрат-
ной спиралью при одинаковом значении do-
- При увеличении числа витков на единицу площади можно по-
лучить более высокое значение добротности. Однако при этом
возрастает и емкость, что может понизить резонансную часто-
ту индуктора.
- Для предотвращения возникновения паразитных эффектов мак-
симальный диаметр индуктора должен быть меньше Л/30.
Спиральные, прямоугольные и круговые индукторы использу-
ются, в основном, как реактивные элементы в фильтрах, устрой-
ствах связи, делителях, а также как согласующие элементы и пре-
образователи импеданса в монолитных ИС. Индукторы встраива-
ются в монолитные ИС при помощи стандартных технологий, при
этом внутренние витки либо прикрепляются проволочными соедине-
ниями, либо формируются методом перевернутых кристаллов. Ино-
гда для внутреннего соединения катушки с монолитной схемой вме-
сто проволочного крепления используют воздушные мостовые кон-
струкции.
4.3.2. Индуктивные элементы микросистем
В монолитных ИС используются два основных типа компонентов:
распределенные и сосредоточенные. Наиболее распространенными
распределенными элементами являются микрополосковые линии, ще-
левые линии и копланарные волноводы. Сосредоточенные элементы,
такие как С и L, не изменяют своих значений при изменении часто-
ты, и на протяжении всей длины элемента не происходит никакого
сдвига фаз. Планарные микроиндукторы и конденсаторы использу-
ются в монолитных ИС в качестве пассивных элементов. Как прави-
ло, такие элементы обладают низкими потерями и широкой полосой
частот до 12 ГГц. Для планарных индукторов серьезной проблемой
является наличие паразитной емкости между индуктором и слоем
заземления (Chi, Rebeiz, 1994, 1995). Наличие паразитной емкости
приводит к снижению добротности индукторов и резонансной ча-
стоты, что ограничивает максимальную рабочую частоту и делает
4-3. Индукторы в микросистемах 269))
устройство непригодным для использования в современных систе-
мах связи. Попытки создать на кремниевой подложке спиральный
индуктор с большой индуктивностью в начале шестидесятых годов
двадцатого века не увенчались успехом (Warner, 1965), поскольку
паразитные емкости в полученных структурах приводили к силь-
ному снижению резонансной частоты, и их невозможно было ис-
пользовать в ВЧ устройствах связи. Большие паразитные емкости
планарных гребенчатых конденсаторов, величина которых напря-
мую зависит от используемого метода изготовления, также привели
к тому, что такие конденсаторы не работали как сосредоточенные
элементы. Однако позднее были созданы индукторы на основе высо-
корезистивной кремниевой подложки (3000... 7000 Ом см), величина
добротности которых в ненагруженном состоянии стала сравнима
с добротностью индуктивных элементов на кварцевой и GaAs под-
ложках (Park et al, 1997а, 1997b, 1997с, Reyes et al, 1995). Также
было показано, что технология кремний-на-сапфире (SoS) позволя-
ет создавать индукторы с высокой частотой резонанса и хорошей
добротностью (Johnson et al, 1996).
4-3.2.1. Индукторы из меандров
Процесс изготовления таких индукторов несложен. Однако из-за от-
рицательных значений взаимной индуктивности между некоторыми
витками они имеют низкую величину индуктивности, что является
их недостатком. Одна из самых больших проблем при построении
магнитных приводов — изготовление трехмерных катушек индук-
тивности соленоидного типа на основе планарных технологий. Для
ее решения были разработаны следующие гибридные технологии,
при которых:
- в планарную катушку помещается конструкция из магнитных
материалов (Wagner, Beneckle, 1991),
- внешнее магнитное поле воздействует на встроенные движу-
щиеся части, изготовленные из материала с высоким коэффи-
циентом магнитной проницаемости (Guckel, 1991),
- метеном сухого травления изготавливается тонкопленочный
индуктор из меандров с шагом 7 мкм (Yamaguchi et al, 1990).
Для построения традиционного индуктивного элемента со-
леноидного типа вокруг магнитного сердечника наматывается про-
вод (рис. 4.4 б). Для реализации такого принципа в микроприводе
в структуру 3D сердечника из магнитного материала, имеющего
форму меандров, вплетается плоский элемент, также сос-
тоящий из меандров, из токопроводящего материала (металла) с
Глава 4- Конденсаторы и катушки индуктивности
низким сопротивлением. На рис. 4.4 а показан микропривод такого
Рис. 4.4. Схема многоуровневого индуктора из
меандров. Репродукция из книги С.Н. Ahn, M.G.
Allen, 1998, «А fully integrated surface microma-
chined microactuator with a multilevel meander
magnetic core», Journal of Microelectromechanical
Systems 2(1): 15-22 с разрешения IEEE, ©1998
IEEE
типа (Ahn, Allen, 1993),
изготовленный с исполь-
зованием методов по-
верхностных технологий.
Индуктор в этой конст-
рукции, состояший из 26
витков размерами 0.9 х
4 мм, обладает индук-
тивностью 0.2мкГн на
частоте 100 кГц. По-
скольку здесь применя-
ется относительно ко-
роткий и плоский про-
водник, общее сопроти-
вление катушки индук-
тивности будет невели-
ко. Такая многоуровне-
вая технология изготов
ления микроприводов поз-
воляет формировать уст-
ройства, в которых магнитные записывающие головки встраивают-
ся на ту же подложку, где находится интегральная схема.
На рис. 4.5 приведена модель индуктора из меандров. В схеме
на рис. 4.5 б показано направление магнитного потока. Плотность
магнитного потока в центре каждого меандра катушки может быть
определена по величине магнитного поля, порожденного током, про-
текающим по всем меандрам проводника (рис. 4.5а). Величина ин-
дуктивности, определяемая как процессами самоиндукции, так и
взаимной индукции, может быть записана в виде (Ahn, Allen, 1998):
.A, I А .
- • - L = ^-, - ' —'А . (4.6)
j - 1 > J < '
где в числителе стоит суммарное потокосцепление. Предполагается,
что материал обладает линейными магнитными свойствами. Здесь
рассматривается потокосцепление между 3D магнитным сердечни-
ком и потоком, порожденным током, протекающим через все эле-
менты проводника.
Выражение для добротности индуктора можно записать в виде:
wL
wfiQ/j,rNAcAw
(4-7)
4-3. Индукторы в
W
18
17
10
ТОК / -|g
16
Номер сегмента проводника
направление магнитного потока номер центра
в центре сердечника
меандра катушки
Рйс. 4.5. Модель индуктора из меандров: а — координаты для вычисле-
' ния магнитного потока по закону Био-Савара; б — направление
* магнитного потока. Репродукция из книги С.Н. Ahn, M.G. Al-
lene, 1998, «Micromachined planar inductors on silicon wafers for
MEMS applications», IEEE Transactions on Industrial Electronics
'< 45(6): 866-876, с разрешения IEEE, ©1998 IEEE
где Ac — площадь поперечного сечения магнитного сердечника,
1С — длина сердечника, ро — магнитная проницаемость свободно-
го пространства, — относительная магнитная проницаемость,
Aw — площадь поперечного сечения проводника, 2(w + Z) — длина
одного меандра витка катушки, р — удельное сопротивление метал-
лического проводника, N — число витков катушки, а ш — рабочая
частота. Из выражения (4.7) видно, что введение тонкопленочно-
го магнитного сердечника в микроиндуктор значительно повышает
его индуктивность и улучшает добротность. На рис. 4.6 показана
фотография индуктора из меандров, полученная на сканирующем
электроном микроскопе.
4-3.2.2. Спиральные индукторы
Спиральные индукторы — это тонкопленочные индукторы, техно-
логически совместимые с ИС, нашедшие свое применение в магнит-
ных микроприводах с внутренней генерацией магнитного поля. По
причине того, что спиральные индукторы обладают сравнительно
Глава 4- Конденсаторы и катушки индуктивности
низкой индуктивностью, на очень высоких частотах они работают
как пассивные компоненты.
Рис. 4.6. Микрофотография тороидально-меандрового индуктора: а — по-
ловина индуктора, б — увеличенное изображение. Репродукция
из книги С.Н. Ahn, M.G. Allene, 1998, <<Micromachined planar in-
ductors on silicon wafers for MEMS applications», IEEE Transactions
on Industrial Electronics 45(6): 866-876, с разрешения IEEE, ©1998
IEEE
Спиральные индукторы изготавливаются либо на изоляционных
(Burghartz et al, 1998, Olivei, 1969), либо’ на магнитных подлож-
ках (Rodrigues et al, 1980). В обоих случаях они имеют геометрию,
позволяющую генерируемому магнитному потоку проходить через
поверхность подложки. Без использования сердечника, обладающе-
го магнитной проницаемостью, практически невозможно направить
магнитный поток в требуемое место. Микромощные индукторы дол-
жны иметь замкнутую магнитную цепь, выполненную из материа-
ла с высокой магнитной проницаемостью. Для уменьшения потре-
бления энергии сопротивление катушек должно быть, как можно,
меньшим. Планарные микроиндукторы, разработанные Ahn и Allen
(1993, 1994), удовлетворяют этим требованиям. На рис. 4.7 показана
схема микроиндуктора с замкнутым магнитным контуром и тол-
стой проводящей линией. Центральный магнитный сердечник пред-
ставляет собой структуру из Ni-Fe, изготовленную гальваническим
методом, внутри которой располагаются спирали. Сердечник слу-
жит для концентрирования магнитного потока. Магнитный поток,
созданный током в спиральной катушке, заключен внутри замкну-
4-3. Индукторы в микросистемах 273
того магнитного контура, что обеспечивает лучшее магнитное по-
токосцепление между спиральными катушками и магнитной цепью.
Все это приводит к получению максимальной индуктивности при
минимальной электромагнитной интерференции.
Рис. 4.7. Схема спирального микроиндуктора. Репродукция из книги С.Н.
Ahn, M.G. Allen, 1993, «А planar micromachined spiral inductor
for integrated magnetic microactuator applications», Journal of mi-
cromechnics Microengineeging 3: 37-44 с разрешения The Institute
of Physics
Если рассматривать упрощенную модель, полную индуктивность
спирального индуктора можно оценить следующим образом:
L = LX + L2 + Li, (4.8)
где Li и L2 — индуктивности от двух спиральных катушек, L, — ин-
дуктивность, вызванная взаимной индукцией. Для спирального индук-
тора со следующими геометрическими размерами: длина а = 1346 мкм;
размеры центрального магнитного сердечника: с = 508 мкм, тол-
щина d = 30 мкм, N = 18.5, tm = 8 мкм; ширина проводника w =
= 12.5мкм, были вычислены значения Гц, L2, Lj и L, которые соот-
ветственно составили 14.5 мкГн, 10.2 мкГн, 0.01 мкГн и 24.71 мкГн.
В расчетах* относительная магнитная проницаемость принималась
равной 800.
Для реального спирального индуктора из 36 витков и размером
3 мм х 3 мм величина индукции на частоте 10 кГц составила 20 мкГн.
На рис. 4.8 показано влияние магнитного сердечника на рабочие ха-
рактеристики индуктора. Из рисунка видно, что при использова-
нии магнитного сердечника индуктивность возрастает в 4-5 раз.
Падение индуктивности в районе 3 МГц объясняется уменьшением
магнитной проницаемости Ni-Fe сплава при повышении частоты.
10 - 104R? кЛМм.
274 Глава f. Конденсаторы и катушки индуктивности
Рис. 4.8. Влияние
магнитного сердеч-
ника на рабочие
характеристики
индуктора. Репро-
дукция из книги
С.Н. Ahn, M.G.
Allen, 1993, «А pla-
nar micromachined
spiral inductor for
integrated magnetic
microactuator ap-
plications», Journal
of micromechnics
Microengineeging 3:
37-44 с разреше-
ния The Institute
of Physics
4-3.2.3. Соленоидные индукторы
Традиционный соленоидальный индуктор изготавливается путем на-
мотки токопроводящего провода вокруг магнитного сердечника.
Однако не все так просто при изготовлении микроиндуктора такого
типа, потому что очень сложно реализовать 3D структуру в планар-
ном виде. Традиционными методами изготовления ИС реализовать
микрокатушку, намотанную вокруг сердечника, даже сложнее, чем
получить меандр или спираль. Хотя индукторы из меандров про-
сты в изготовлении, они обладают низким значением индуктивно-
сти. Для спиральных индукторов необходим дополнительный про-
вод, соединяющий внутренний конец катушки с внешним выводом,
приводящий к возникновению паразитных емкостей. Были попытки
создать гибридный планарный соленоидный индуктор, вручную на-
матывая витки провода вокруг тонкой магнитной пленки (Soohoo,
1979). В работе (Kawahito et al, 1991) дано описание интегрирован-
ного индуктора, в котором катушка намотана вокруг воздушного
сердечника, реализованного на кремниевой подложке. Однако элек-
трические параметры этих индукторов не подходят для магнитных
микроустройств.
На рис. 4.9 показан планарный солиноидный микроиндуктор, из-
готовленный на кремниевой подложке. Индуктор состоит из маг-
нитного сердечника, изготовленного из Ni-Fe пермаллоя, толщиной
25 мкм, вокруг которого сформированы многоуровневые медные про-
4-3. Индукторы в микросистемах
водящие линии толщиной 30 мкм. Размеры индуктора: 4 мм х 1.0 мм
при толщине 110 мкм. Многоуровневая катушка состоит из 33 вит-
ков.
верхний проводник
Рис. 4.9. Схема планарного соленоидного индуктора: а — общий вид, б —
сечение А-А'. Репродукция из книги С.Н. Ahn, M.G. Allen, 1998,
«Micromachined planar inductors on silicon for MEMS applications»,
IEEE Transactions on Industrial Electrnics 45(6): 866-876 с разре-
‘ шения IEEE, ©1998 IEEE
Верхний и нижний проводники катушки соединяются при по-
мощи сквозных контактов. Для получения высоких значений ин-
дуктивности требуется создание соленоида с большим количеством
витков, что приводит к увеличению числа контактов, и, соответ-
ственно, росту сопротивления. Нанесение проводящих линий и кон-
тактов гальваническим методом решает эту проблему, поскольку
в этом случае металлические контакты имеют небольшое сопроти-
вление. В рассматриваемом индукторе ширина проводящих линий
равна 80 мкм, а ширина пластины сердечника — 300 мкм. Экспери-
ментально определенное сопротивление проводящей линии по посто-
янному току составило 0.3 Ома.
Выражение для вычисления индуктивности соленоидного индук-
тора аналогично выражению для тороидального индуктора и может
быть записано в виде:
' Д — РОРг^Ас (4 д)
k
где Ас — площадь поперечного сечения магнитного сердечника,
Д — его длина, цо — магнитная проницаемость свободного про-
странства, а цг — относительная магнитная проницаемость. Для
индуктора с рис. 4.9, имеющего следующие геометрические разме-
ры: Ас = 330 мкм х 20 мкм, 1С = 9000 мкм, N = 33 витка и = 800,
вычисленная индуктивность составила 0.729 мкГн.
10*
((276 Глава 4- Конденсаторы и катушки индуктивности
Выражение для добротности такого индуктора имев®'вид:
л - - wrorrNAcAw
У ~ R 2Wplc ’ 1 j
где Aw — площадь поперечного сечения проводника, 2W — длина
одного витка катушки, р — удельное сопротивление металлического
проводника. Очевидно, что величины индуктивности и добротно-
сти соленоидного индуктора, также как и индуктора из меандров,
пропорциональны р,г.
4.3.3. Влияние топологии
Основными параметрами при разработке индукторов являются внеш-
ние размеры, ширина и шаг металлических дорожек, толщина ме-
талла, число витков и материал подложки. Поскольку здесь идет
речь о микро- и даже нано-величинах, характеристики материалов,
используемых для изготовления микроиндукторов, сильно зависят
от их объемных свойств. При соответствующем подборе вышеопи-
санных параметров можно реализовать точные заданные значения
индуктивности и добротности.
4.3.3.1. Влияние расстояния между проводниками
На рис. 4.10 показаны расчетные и экспериментальные зависимости
индуктивности от величины расстояния между проводниками для
индуктора из меандров и спирального индуктора. При уменьшении
расстояния между линиями наблюдается увеличение индуктивности
в спиральных индукторах и ее снижение в индукторах из меандров.
Это объясняется тем, что для спиральных катушек характерны по-
ложительные значения взаимных индуктивностей, а для катушек из
меандров часть из них — отрицательные.
4-3.3.2. Влияние ширины линии
Последовательное сопротивление планарной катушки определяет-
ся поверхностным сопротивлением металлической полоски, которое
является обратно пропорциональным ее ширине. Поскольку величи-
на магнитного потока определяется током в катушке, ее последова-
тельное сопротивление будет влиять на магнитные потери, которые
зависят от производной по времени от магнитного потока через по-
лоску металла. Эти потери обычно увеличиваются с ростом частоты
и ширины полоски. Поэтому необходимо выбирать такую ширину
линий, чтобы последовательное сопротивление было минимальным,
а добротность максимальной.
4-3. Индукторы в микросистемах
Рис. 4.10. Зависимости индуктивности от расстояния между проводящими
линиями для спирального индуктора и индуктора из меандров.
Репродукция из книги М. Yamaguchi, М. Mastumo, Н. Ohzeki,
K.I. Arai, 1991, «Analysis of the inductance and stray capacitance of
the dry-etched micro inductors», IEEE Transactions on Magnetics,
' 27(6): 5274-5276 с разрешения IEEE, ©1991 IEEE
Известно, что большие значения индуктивности планарных ин-
дукторов можно реализовать при использовании на подложке широ-
ких проводящих полосок. При увеличении индуктивности спираль-
ных индукторов возрастает значение емкости между витками и зем-
лей, что приводит к уменьшению резонансной частоты. Паразитная
емкость между проводящими линиями и меандрами катушки может
быть записана в виде (Yamaguchi et al, 1991):
__ EOerK(l - fc2)1/2
cc /ф)(21У-1)
(4.П)
где
(4.12)
Здесь К (к) — полный эллиптический интеграл первого рода, Wc —
ширина линии, dc — расстояние между линиями, N — число витков.
На рис. 4.11 показана зависимость величины паразитной емкости от
ширины линии для индуктора из меандров.
Глава 4- Конденсаторы и катушки индуктивности
Рис. 4.11. Зависимость величины паразитной емкости от ширины линии.
Репродукция из книги М. Yamaguchi, М. Mastumo, Н. Ohzeki,
K.I. Arai, 1991, «Analysis of the inductance and stray capacitance of
the dry-etched micro inductors», IEEE Transactions on Magnetics,
27(6): 5274-5276 с разрешения IEEE, ©1991 IEEE
Из рисунка видно, что величина паразитной емкости между па-
раллельными проводниками всегда меньше 100 фФ при расстоя-
нии между линиями меньше 1 мкм. В случае спирального индукто-
ра основным источником паразитной емкости является проводник,
соединяющий центр катушки и внешний вывод. На величину ин-
дуктивности также сказываются паразитные емкости между слоем
заземления и проводящими элементами. При разработке планарных
индукторов всегда надо стремиться либо устранить, либо снизить
паразитные емкости. На практике достигается компромисс между
значейиями паразитных емкостей и величиной индуктивности.
4-3.3.3. Влияние магнитного сердечника
В микроиндукторах для получения высокого тока насыщения не-
обходимо использовать сердечники с высоким коэффициентом маг-
нитного насыщения. Для реализации больших величин индуктивно-
сти такие сердечники должны обладать высокой магнитной прони-
цаемостью. Для уменьшения потерь из-за вихревых токов сердеч-
никам надо иметь высокое сопротивление. Были проведены иссле-
дования по изучению влияния двух типов сердечников: из пермал-
лоя (Nio.8oFeo,2) и ортонола (Nio.soFeo.s) на микроиндукторы, выпол-
ненные на кремниевой подложке, при работе на низких частотах.
Они показали, что сердечники из пермаллоя позволяют получить
большие значения индуктивности по сравнению с сердечниками из
ортонола (Park, Allen, 2000). У индуктора с сердечником из ортоно-
ла ток насыщения выше, чем у индуктора с сердечником из пермал-
лоя. Это очень важно для устройств большой мощности, поскольку
ток насыщения пропорционален плотности потока насыщения, а вы-
сокая плотность потока насыщения оказывает большее влияние, чем
величина магнитной проницаемости.
4-3.3-4- Влияние числа витков на индуктивность и
добротность
При увеличении числа витков в спиральном индукторе необходи-
мо искать компромисс между индуктивностью и добротностью. На
рис. 4.12 показаны зависимости индуктивности и добротности от
количества витков и частоты. Измерения проводились для вось-
ми планарных спиральных индукторов одинакового размера, но с
разным количеством витков (Koutsoyannopoulos, Papananos, 2000).
Из рисунка видно, что при изменении числа витков от 3 до 8 ин-
дуктивность растет, а добротность падает. Снижение добротности
объясняется тем, что при увеличении числа витков возрастает пло-
щадь индуктора, и при этом увеличивается емкость между витками.
Таким образом, для реализации индуктора с заданными характе-
ристиками необходимо правильно задавать количество витков, ши-
рину линии, расстояние между линиями и материал подложки.
4.3.4. Уменьшение паразитной емкости планарных
катушек индуктивности
Индуктор с большим значением индуктивности можно получить,
сформировав на кремниевой подложке много металлических спира-
лей. При увеличении индуктивности спиралей емкости между вит-
ками и землей возрастают, что приводит к снижению резонансной
частоты. Уменьшить этот нежелательный эффект пытались при по-
мощи применения высокорезистивного кремния (Koutsoyannopou-
los, Papananos, 2000, Lu et al, 2000). При этом снизились потери, но
емкостная связь осталась той же самой. Проблема уменьшения па-
разитных емкостей решается изготовлением индуктора на диэлек-
трической подложке методом селективного травления кремния, в
результате чего под индуктором остается только оксидный слой
Глава 4- Конденсаторы и катушки индуктивности
Рис. 4.12. Влияние числа витков на: а — индуктивность, б — добротность.
Y.K. Koutsoyannopoulos, Y. Papananos, 2000, «Systematic analysis
and modeling of integrated inductors and transformers in RF IC
desighn», IEEE Transactions on Circuits and Systems II, 47(8):
699-713, с разрешения IEEE, ©2000 IEEE
(Chang, Abidi, Gaitan, 1993, Lopez-Villegas et al, 1997, Ribas et al,
2000). Использование подвешенных мембран (Sun,Tauriz, Baets, 1999,
Sun et al, 1996a, 1996b), изготовление устройств на толстых диэлек-
трических подложках (Dahlmann, Yetman, 2000, Lubecke et al, 2000),
построение самособирающихся переменных индукторов (Case, 1997,
Yoon et al, 1999) и применение многоуровневой металлизации (Ashby
et al, 1996, Burghartz, Soyuer, Jenkins, 1996, Burghartz et al, 1995), —
все это способы снижения паразитных эффектов в планарных ин-
дукторах. Результаты исследования спиральных индукторов на под-
вешенных мембранах показали (Lu et al, 2000, Sun, Tauriz, Baets,
1999), что индукторы с большими размерами, изготовленные мето-
дом глубокого травления, обладают более высокой добротностью.
Отношение внешнего размера d к средней глубине травления h обрат-
но пропорционально добротности.
Изготовление индукторов начинается с нанесения на кремние-
вую подложку слоя из SiO2/Si3N4/SiO2 методами термического оки-
сления или высокотемпературного химического осаждения из газо-
вой фазы. Можно также использовать подложку из GaAs, приме-
няя метод плазменного химического осаждения из газовой фазы.
Нанесенный слой играет роль поддерживающего слоя, поскольку
кремниевая подложка расположена снизу мембраны. На этом слое
строится структура самого индуктора при помощи стандартной
фотолитографии, напыления слоя золота и построения воздушно-
го моста. После чего методом вытравливания подложки вплоть до
диэлектрической мембраны формируется открытая полость. В ка-
честве травильных реагентов используются: для кремниевой под-
ложки — КОН или EDP (этилен-диамин-пирокатехол), для GaAs —
H2SO4/H2O2/H2O в растворах. Эти же реагенты применяются и для
сухого травления методом реактивного ионного травления.
На рис. 4.13 показаны результаты 3D электромагнитного модели-
рования резонансной частоты индуктора с индуктивностью 100 нГн.
Из рисунка видно, что при удалении нижней части подложки резо-
нансная частота увеличивается с 800 МГц до ЗГГц. Внешние раз-
меры индуктора равны 440 мкм, он состоит из квадратной спирали
с 20 витками с шириной линий 4 мкм и расстоянием между ними
4 мкм. Такой индуктор обладает низкими паразитными емкостями,
что позволяет увеличивать резонансную частоту без изменения ве-
личины индуктивности и последовательного сопротивления.
Паразитные емкости планарного индуктора можно уменьшить, ис-
пользуя конструкцию, показанную на рис. 4.14. Здесь индуктор изго-
тавливается на диэлектрической мембране толщиной 1.2... 1.4 мкм.
282 Глава 4- Конденсаторы и катушки индуктивности
Рис. 4.13. Изменение резонансной частоты индуктора: черный график — с
удаленной нижней частью подложки, серый график — без удале-
ния. Репродукция из книги J.Y.-C. Chang, A.A. Abidi, М. Gaitan,
1993, «Large suspended inductors on silicon and their use in a 2 mm
CMOS RF amplifier», IEEE Electron Device Letters 14(5): 246-248
с разрешения IEEE, ©1993 IEEE
Тонкая мембрана должна быть механически устойчивой и не вли-
ять на распространение ВЧ сигналов. Были изготовлены планар-
ные индукторы на диэлектрической мембране толщиной 1.2 мкм.
Микрополосковые линии толщиной 1.0 мкм сформированы гальва-
ническим осаждением золота. Размеры воздушного моста состави-
ли 250 мкм х 40 мкм. На рис. 4.15 показаны расчетные и экспери-
ментальные зависимости реактивного сопротивления разных типов
индукторов от частоты. Исследовались два индуктора на тонкой
диэлектрической мембране (Ьш и Лам), и два — на толстой крем-
ниевой подложке (Lis и L?s)- Из рисунка видно, что для планарных
индукторов на кремниевой подложке с индуктивностями 1.2 нГн и
1.7нГн резонансная частота составляет, соответственно, 22 ГГц и
17 ГГц, в то время как для аналогичных мембранных индукторов
она изменилась с 70 ГГц до 50 ГГц. Поскольку и кремниевые, и мем-
бранные индукторы имеют идентичные геометрические размеры,
индуктивность Ls и сопротивление Rs не меняется в результате сме-
ны подложки.
4-3. Индукторы в микросистемах
DO
DI: внутренний диаметр
DO: внешний диаметр
W: ширина проводника
S: расстояние между линиями
N: число витков
воздушный мост
схема диэлектрической
мембраны
высокорезистивная
подложка мембраны
вытравленная боковая стенка
опорная пластина
Рис. 4.14. Схемы планарного индуктора и мембраны. Репродукция из кни-
ги C.-Y. Chi, G.M. Rebeiz, 1995, «Planar microwave and millimeter
wave lumped elements and coupled line filters using micromachin-
' ing technique», IEEE Transactions on Microwave Theory and Tech-
niques, 43(4): 730-738 с разрешения IEEE, ©1995 IEEE
Развитие объемных технологий и успехи в интеграции дискрет-
ных компонентов на кремниевой подложке привели к прогрессу в
изготовлении микроустройств на кремнии. Однако кремниевые тех-
нологии не очень хороши для создания ВЧ устройств, поэтому в
настоящее время активно разрабатываются альтернативные мате-
риалы длд ВЧ применений. Одним из таких материалов является
GaAs, обладающий многими интересными свойствами. Например,
он может использоваться в качестве подложки в оптоэлектронных
устройствах и монолитных СВЧ ИС. GaAs также обладает высо-
кой подвижностью электронов и более высоким пьезорезистивным
эффектом, чем кремний (Hjort, Solderkvist, Schweitz, 1994). Объ-
емные технологии обработки GaAs, используемые при построении
0.2 мкм ВПЭ-транзистора (транзистора с высокой подвижностью
электронов) в монолитных СВЧ ИС, позволяют создавать свобод-
Глава 4- Конденсаторы и катушки индуктивности
ные структуры, путем удаления стенок GaAs подложки (Ribas et
al, 1997). Применение микротехнологий позволяет снизить потери
и паразитные эффекты при изготовлении подвешенных структур
СВЧ устройств, таких как копланарные волноводы, элементы связи
и индукторы (Chi, Rebeiz, 1997, Milanovic et al, 1997).
Рис. 4.15. Экспериментальные и расчетные зависимости реактивного со-
; противления от частоты для индукторов на диэлектрической
мембране (Ljm и Lqm) и на толстой кремниевой подложке (Lis
г-. и L2s). Репродукция из книги R. Rodrigues, J.M. Dishman, F.D.
|'.й Dickens, E.W. Whelan, 1980, «Modeling of two-dimensional spiral
inductors», IEEE Transactions Components, Hybrids, Manufactur-
ing Technology 5: 535 541 с разрешения IEEE, @1980 IEEE
Подвешенные GaAs/AlGaAs элементы, такие как меза-структу-
ры, структуры в форме треугольных призм и свободные структу-
ры, состоящие только из металлических и интерметаллических сло-
ев, могут быть реализованы на GaAs подложке. Проведенные иссле-
дования показали, что подвешенные микрополосковые линии обла-
дают большими характеристическим импедансом и фазовой скоро-
стью. .Изготовленные на GaAs подложке микроиндукторы имеют
лучшую добротность и более высокие резонансную частоту и вход-
ной импеданс. Достоинством GaAs устройств является возможность
нанесения толстых слоев из золота, что позволяет реализовывать
ВЧ линии передач и другие ВЧ компоненты. Основной недостаток
GaAs структур — паразитная емкость в проводах и воздушных мо-
стах. Уменьшение емкости линии, построенной на основе воздушно-
го моста, повышает резонансную частоту спирального индуктора.
Из рис. 4.16 видно, что при удалении 5 мкм слоя GaAs подложки под
4-3. Индукторы в микросистемах 285
устройством добротность индуктора повышается приблизительно
на 150%, а резонансная частота — на 130%.
Улучшение добротности индуктора с подвешенными микрополосами
частота, ГГц
Рис. 4.16. Изменение добротности подвешенного планарного индуктора
при применении разной глубины травления. Репродукция из
книги R.P. Ribas, N. Bennouri, J.M. Karam, В. Courtois, 1997,
«GaAs MEMS design using 0.2 pm HEMT MMIC technology», Pro-
ceedings of the ltfh Annual IEEE Gallium Arsenide Intefrated Cir-
cuit Symposium, IEEE, Piscataway, NJ, USA: 127-130 с разреше-
ния IEEE, ©1997 IEEE
4.3.5. Способы улучшения добротности
Добротность является одной из основных характеристик индукто-
ров. Для построения ВЧ схем, обладающих низкими вносимыми по-
терями и шумами, высоким коэффициентом усиления и хорошей ча-
стотной избирательностью, необходимы индукторы, имеющие боль-
шие значения индуктивности. Как правило, величина добротности
является обратно пропорциональной конечному сопротивлению ме-
таллического слоя.
Последовательное сопротивление индукторов на высоких часто-
тах становится комплексной функцией, а потери повышаются в ре-
зультате индукционных токов и диэлектрических потерь. Оптими-
зацией разводки схемы можно улучшить добротность спиральных
индукторов. Для этого ширину линии внутренней спирали делают
Q186 Глава 4- Конденсаторы и катушки индуктивности
уже, чем ширину линии внешней спирали (Bahl, 1999, Lopez-Villegas
et al, 2000). Учитывая омические потери при прохождении тока че-
рез проводник, а также магнитные потери из-за вихревых токов
при составлении разводки схемы, можно также снизить последо-
вательное сопротивление катушки. 3D винтообразные индукторы,
изготовленные на многослойном керамическом многокристальном
модуле (МСМ-С) (Sutono et al, 1999), индукторы из спиралей из
двойных прямоугольников (Shin et al, 1999), самособирающиеся ин-
дукторы (Dahlmann, Yeatman, 2000, Fan et al, 1998), планарные спи-
ральные индукторы с раздельно подвешенными полосками (Ribas
et al, 2000), индукторы, подвешенные в воздухе, изготовленные ме-
тодом селективного травления (Chang, Abidi, Gaitan, 1993, Lee et
al, 2000), — примеры структур, обладающих сравнительно высо-
кой добротностью. Исследования показали, что, изменяя разводку
индуктора, можно на 22% увеличить его добротность (ВаЫ, 1999).
Некоторые из приемов описаны в следующих разделах.
4-3.5.1. Влияние воздушного зазора на соленоидный
индуктор
Для изготовления спиральных индукторов и индукторов из меан-
дров подходят традиционные методы производства ИС. Но индук-
торы из меандров обладают низкой индуктивностью, а спиральные
индукторы имеют проблемы с габаритами и управлением магнит-
ным потоком. Этих недостатков лишены соленоидные индукторы.
Однако из-за ограничений методов микрообработки очень слож-
но изготовить вокруг сердечника проводящую катушку. В работе
(Kim, Allen, 1998) описан полностью интегрированный соленоидный
индуктор с воздушным сердечником и медной катушкой, получен-
ной гальваническим методом. Этот индуктор изготовлен традици-
онными методами поверхностной микрообработки с применением
многослойной металл/полимерной технологии. Было показано, что
такой индуктор обладает низкими паразитными емкостями. Так-
же было обнаружено, что при наличии воздушного зазора между
катушкой и подложкой влияние диэлектрической подложки ослабе-
вает. На рис. 4.17 показан соленоидный индуктор с воздушным сер-
дечником и воздушным зазором.
Индуктор изготовлен на подложке из оксида алюминия. Для фор-
мирования воздушного зазора между катушкой и подложкой введен
защитный слой. Опорная структура между подложкой и катушкой
построена методами традиционной фотолитографии и жидкостно-
го травления.
4-3. Индукторы в микросистемах
Рис. 4.17. Соленоидный индуктор с воздушным зазором. Репродукция
из книги Y.J. Kim, M.G. Allen, 1998, «Surface micromachined
solenoid inductors for high frequency applications», IEEE Trans-
actions on Components, Packaging and Manufacturing Technology,
Part C 21(1): 26-33 с разрешения IEEE, ©1998 IEEE
На рис. 4.18 показаны экспериментальные зависимости доброт-
ности и индуктивности от частоты, определенные для перечислен-
ных в таблице 4.1 индукторов. Сопротивление индукторов находи-
лось в пределах 0.32... 1 Ом, а паразитные емкости — 13... 30 фФ.
Таблица 4.1. Характеристики индукторов A-F для рис. 4.18
А В С D Е F
Число витков 6 10 20 10 20 20
Ширина сердеч- ника, мкм 200 200 200 400 300 400
На рис. 4.19 показана эквивалентная схема соленоидного индук-
тора, из которой видно, что его паразитная емкость, в основном,
определяется емкостями между двумя проводниками. На рисунке:
Ct — емкость между верхними проводниками, Сь — емкость между
нижними проводниками, Сы — емкость между верхними и нижними
проводниками, Сх — емкость между двумя диагональными линия-
ми. Пренебрегая краевыми эффектами, выражения для вычисления
емкостей можно записать в виде:
Ct = СЬ =
ль.
Сы =
е (wa)
~ h
(4.13)
(4-14)
ew (a2 + 62)1/2
Cx = '^ + h2f2 ’
(4-15)
где e — диэлектрическая проницаемость воздуха, а и b — ширина
и высота проводящей линии, w — длина проводящей линии, h —
расстояние по вертикали между верхней и нижней проводящей ли-
ниями, аз — расстояние между проводниками.
, n s’ • частота, Гц • : • -
'T.U (б) ' ' ..
Рис. 4.18. Экспериментально определенные зависимости добротности (а) и
индуктивности (б) от частоты для индукторов, перечисленных
в таблице 4.1. Репродукция из книги Y.J. Kim, M.G. Alien, 1998,
«Surface micromachined solenoid inductors for high frequency ap-
plications», IEEE Transactions on Componets, Packaging and Man-
ufacturing Technology, Part C 21(1); 26-33 с разрешения IEEE,
©1998 IEEE
4-3. Индукторы в микросистемах
Рис, 4,19. Эквива-
лентная схема соле-
ноидного индуктора
для вычисления па-
разитной емкости С Т
между проводниками I
катушки h
На рис. 4.20 показано влияние расстояния по вертикали между
верхними и нижними проводниками катушки h на величину па-
разитной емкости. Значение паразитной емкости определяется пу-
тем подстановки Ct, Сь,Сы и Сх, вычисленных по формулам (4.13)-
(4.15), в программу моделирования схемы. На рис. 4.21 показана
зависимость величины паразитной емкости от расстояния между
двумя соседними проводниками. Из рисунка видно, что суммарная
паразитная емкость резко уменьшается при изменении расстояния
между соседними проводниками в диапазоне 10. ..30 мкм. Однако
увеличение расстояния между витками ведет не только к снижению
паразитной емкости, но и росту размеров индуктора и уменьшению
величины индуктивности.
Рис. 4.20. Зависимость паразитной емкости от расстояния между верхни-
ми и нижними проводниками. Репродукция из книги Y.J. Kim,
M.G. Allen, 1998, «Surface micromachined solenoid inductors for
high frequency applications», IEEE Transactions on Componets,
Packaging and Manufacturing Technology, Part C 21(1): 26-33 c
разрешения IEEE, ©1998 IEEE
Глава 4- Конденсаторы и катушки индуктивности
Рис. 4.21. Зависимость паразитной емкости от расстояния между витка-
ми (ft и J остаются постоянными). Репродукция из книги Y.J.
Kim, M.G. Allen, 1998, «Surface micromachined solenoid inductors
, for high frequency applications», IEEE Transactions on Componets,
Packaging and Manufacturing Technology, Part C 21(1): 26-33 c
разрешения IEEE, ©1998 IEEE
На рис. 4.22 показано влияние воздушного зазора на добротность
индуктора. При изменении зазора между катушкой и подложкой
в диапазоне 0...20мкм, паразитная емкость снижается от 25.1 до
17.7фФ. Индукторы с воздушным зазором обладают большей до-
бротностью и резонансной частотой, чем индукторы без зазора.
4-3.5.2. Влияние воздушного зазора на спиральный индуктор
Было показано, что изготовленный методами поверхностных техно-
логий спиральный индуктор с воздушным сердечником, подвешен-
ный над кремниевой подложкой приблизительно на высоте 60 мкм,
обладает более низкими потерями и меньшими паразитными эффек-
тами,- что ведет к повышению добротности и резонансной частоты
(Park, Allen, 1998, Ronkainen et al, 1997). На рис. 4.23 показана схема
спирального индуктора с воздушным сердечником, изготовленного
с большим воздушным зазором между проводящими линиями и под-
ложкой. Здесь, в отличие от традиционного воздушного моста мед-
ные опоры, сформированные электролитическим способом, служат
для образования воздушного зазора. В конструкции используются
толстые проводяшие линии, что увеличивает площадь поперечного
сечения и снижает сопротивление линий.
4-3. Индукторы в микросистемах 29£
частота, Гц
Рис. 4.22. Влияние воздушного зазора на добротность. Репродукция из
книги Y. J. Kim, M.G. Allen, 1998, «Surface micromachined solenoid
inductors for high frequency applications», IEEE Transactions
on Componets, Packaging and Manufacturing Technology, Part C
21(1): 26-33 с разрешения IEEE, ©1998 IEEE
Рис. 4.23. Схема спираль-
ного индуктора с воздуш-
ным сердечником и воздуш-
ным зазором для умень-
шения паразитных емко-
стей. Репродукция из кни-
ги J.Y. Park, M.G. Allen,
1999, «Packaging-compatible
high Q microinductors and
microfilters for wireless ap-
plications», IEEE Transac-
tions on Advanced Packaging
22(2); 207:213 с разрешения
IEEE, ©1999 IEEE
Были изготовлены индукторы с индуктивностями 15... 40нГн и
добротностью 45... 50 в диапазоне частот 0.9... 2.5 ГГц. На рис. 4.24
приведена зависимости индуктивности от частоты для индукторов,
размеры которых даны в таблице 4.2.
292 Глава 4- Конденсаторы и катушки индуктивности
Рис. 4.24. Зависимости ин-
дуктивности от частоты для
спиральных индукторов с воз-
душным сердечником и воз-
душным зазором над подлож-
кой, размеры которых да-
ны в таблице 4.2. Репро-
дукция из книги J.Y. Park,
M.G. Allen, 1999, «Packaging-
compatible high Q microinduc-
tors and microfilters for wire-
less applications», IEEE Trans-
actions on Advanced Packaging
22(2): 207-213 с разрешения
IEEE, ©1999 IEEE
Г 3
Таблица 4.2. Размеры индукторов A-C, рассматриваемых на рис. 4.24
Индуктор Размер । индуктора, мм Линии индуктора, мкм Размеры сердечника, мм Нисло витков
Ширина Толщина Расстояние
А 1.28 х 1.28 40 9 40 0.8 х 0.8 3.5
В 1.3 х 1.3 40 9 40 0.5 х 0.5 3.5
С 1.03 х 1.03 40 9 40 0.5 х 0.5 3.5
4-3.5.3. Влияние удельного сопротивления подложки
Удельное сопротивление подложки сильно влияет на резонансную
частоту и максимальную добротность индуктора. Из-за относитель-
но низкого удельного сопротивления кремниевой подложки основ-
ным фактором ухудшения рабочих характеристик индуктора явля-
ются потери. Потери происходят по двум причинам: первая — ем-
костная связь, приводящая к протеканию тока не только через ме-
таллические полоски, но и через кремниевую подложку; вторая —
индуктивная связь, в результате которой образуются токовые пет-
ли, вызывающие потери, связанные с распространением магнитного
поля сквозь подложку. Эти потери влияют на величину добротности
индуктора. На рис. 4.25 показано влияние удельного сопротивления
подложки на величину добротности индуктора.
4-3. Индукторы в микросистемах
удельное сопротивление подложки, Ом м
Рис. 4.25. Зависимость добротности от удельного сопротивления под-
ложки. Репродукция из книги Y.K. Koutsoyannopoulos, Y. Ра-
pananos, 2000, «Systematic analysis and modeling of integrated in-
ductors and transformers in RF IC design», IEEE Transactions on
Circuits and Systems II 47(8): 699-713 с разрешения IEEE, ©2000
IEEE
4.3.5.4. Влияние ширины полоски
На рис. 4.26 показана зависимость добротности от ширины метал-
лической полоски для разных типов индукторов с индуктивностью
20 нГн. Все результаты получены при помощи программного обеспе-
чения HP Momentum planar solver (Lopez-Villegas et al, 2000). Из ри-
сунка видно, что хотя для заданной частоты и ширины можно по-
добрать оптимальное значение добротности, наилучшие результаты
получаются тогда, когда каждый виток катушки обладает разной
шириной. Поскольку внутри индуктора наблюдается максимальное
поле, потери во внутренних витках могут быть уменьшены при сни-
жении ширины полосок. А омические потери, которые являются зна-
чимыми для внешних витков, могут быть снижены при использова-
нии более широких полосок. В результате изменения ширины поло-
сок будет меняться и распределение магнитного поля, что приведет
к оптимизации схемы индуктора и получению улучшенных рабочих
характеристик.
4-3.5.5. Влияние толщины металлизации
Добротность спирального индуктора может быть улучшена уве-
личением толщины проводящего слоя, что объясняется снижением
последовательного сопротивления. Последовательное сопротивление
является наиболее значимым фактором, влияющим на параметры
индуктора на частотах менее ЗГГц (Park, Allen, 1999, Parisot et al,
(294 Глава 4- Конденсаторы и катушки индуктивности
1984, Ronkainen et al, 1997). Поскольку изготовление толстых слоев
металлизации невозможно стандартными методами производства
ИС, их формируют по окончании основных технологических про-
цессов.
Рис. 4.26. Изменение добротно-
сти в результате применения раз-
ной ширины полосок для индук-
торов с индуктивностью 20 Гн,
работающих на частотах (сни-
зу вверх): 0.7 ГГц, 1 ГГц, 1.5 ГГц,
2.5 ГГц, 3.5 ГГц. Репродукция из л
книги I.J. ВаЫ, 1999, «Improved о
quality factor spiral inductors on g
GaAs substrates», IEEE Microwave 'S
and Guided Wave Letters 9(10):
398 -400 с разрешения IEEE, ©
1999 IEEE
ширина полоски, мкм
20
15
О 10
5
О
(a)
Рис. 4.27. а — схема индуктора с двойным слоем металлизации, б — экспе-
риментальные зависимости добротности от частоты для тради-
ционного индуктора и индуктора с улучшенной добротностью.
Репродукция из книги Y. Sun, J.L. Tauritz, R.G.F. Baets, 1999,
«Micromachined RF passive components and their applications in
MMlCs», International Journal of RF and Microwave CAE 9: 310
325, © Wiley (1999) с разрешения Wiley
4-3. Индукторы в микросистемах
Для этого применяют гальванический метод, позволяющий нано-
сить металлические слои толщиной до 6 мкм. Было эксперименталь-
но показано, что добротность индукторов, размещенных на десяти-
микронном слое с металлическим проводником толщиной 4.5... 9 мкм,
улучшается на 93% по сравнению с индукторами, изготовленными
на кремниевой подложке (ВаЫ, 2001). На рис. 4.27 показан способ
увеличения толщины металлизации для улучшения добротности ин-
дуктора, который заключается в формировании двойного слоя ме-
таллизации. Такой индуктор обладает более низким сопротивлени-
ем по постоянному току по сравнению с аналогичным традицион-
ным индуктором.
Рис. 4.28. Эксперимен-
тальные зависимости
добротности и сопроти-
влений по постоянному и
переменному току от тол-
щины слоя металлизации.
Репродукция из книги J.N.
Burghartz, М. Soyuer, К.А.
Jenkins, 1996, «Microwave
inductors and capacitors
in standard multilevel
interconnect silicon tech-
nology», IEEE Transactions
on Microwave Theory and
Techniques 44(1): 100-104 c
разрешения IEEE, @1996
IEEE
полная толщина металлического слоя, мкм
На рис. 4.28 показано влияние толщины металлизации в индук-
торах на максимальное значение добротности и сопротивление по
постоянному и переменному току. Толстые металлические струк-
туры были изготовлены стандартными методами обработки крем-
ния, соединением несколько металлических слоев (Burghartz, Soyuer,
Jenkins,' 1996). Индукторы изготавливались из одного (М3), двух
(М2/МЗ или МЗ/М4) или трех (М2/МЗ/М4) металлических слоев.
Толщина металлических слоев Ml, М2, М3 составляла около 1мкм,
а слоя М4 — около 2 мкм. Из рисунка видно, что желаемого значе-
ния добротности получить не удалось. Это связано с трудностями
изготовления многослойных металлических структур. На рис. 4.29а
показаны экспериментально определенные зависимости добротно-
сти от частоты для круговых спиральных индукторов, изготовлен-
ных на кремниевой подложке с удельным сопротивлением 2 кОм см с
разной толщиной проводников (Park et al, 1997b). Из рисунка видно,
что при изменении толщины металлизации от 1.1 мкм до 4.1 мкм до-
бротность увеличивается до 20.1 при частоте 3.25 ГГц. На рис. 4.296
показаны зависимости добротности от частоты для прямоугольных
и спиральных индукторов, состоящих из 8 витков, изготовленных
на различных кремниевых подложках.
Ширина Расстояние между витками Внутренний диаметр
10 мкм 2 мкм 100 мкмк
0 2 4 6
частота, ГГц
(а)
частота, ГГц
(б)
Рис. 4.29. Зависимость добротности: а — от толщины металлизации, б —
от удельного сопротивления подложки. Репродукция из книги
М. Park, C.S. Kin, J.M. Park, H.K. Yu, K.S. Nam, 1997b, <<High
Q microwave inductors in CMOS double metal technology and its
substrate bias effects for 2 GHz RF IC application», Proceedings
of IEDM 97, IEEE, Washington, DC: 59-62 с разрешения IEEE,
... .... ©1997 IEEE , . .
' 1. s'.. ' ‘ ©i
»n mr • - i:-
4.3.6. Поворачивающиеся индукторы
•> ЛсИ ** * '
Из данных раздела 4.3.5 видно, что паразитная емкость уменьша-
ется, тогда, когда катушка отделена от подложки. Э.то может быть
выполнено удалением подложки снизу индуктора или введением воз-
душного зазора между катушкой и подложкой. Серьезным недо-
статком такого подхода является ограничение максимально дости-
жимого расстояния между индуктором и подложкой. Способы тра-
вления и механическая прочность подложки после вытравливания в
ней больших углублений также влияют на максимальную величину
зазора. Необходимость применения различных технологических ме-
тодов приводит к сложности интеграции ВЧ компонентов на одной
4-3. Индукторы в микросистемах
подложке. Поэтому существует потребность в разработке унифици-
рованных методов изготовления пассивных микрокомпонентов.
Рис. 4.30. а — Трехвитковый спиральный индуктор, повернутый после
процесса самосборки; б - изменение добротности от частоты
для разных углов поворота катушки относительно подложки.
Во всех случаях применялись индукторы из меандров с 4х/г пе-
риодами и индуктивностью ЗнГн. Репродукция из книги G.W.
Dahlmann, Е.М. Yeatman, 2000, «High Q microwave inductors on
silicon by surface tension self-assembly», Electronics Letters 36(20):
1707-1708 с разрешения IEEE, @2000 IEEE
(б)
В работе (Dahlmann, Yeatman, 2000) предложена технология са-
мосборки индукторов методом плавления. Эта технология позволя-
ет создавать индукторы, в которых катушка не только отделена
от подложки, но и имеет возможность поворачиваться в плоскости,
перпендикулярной подложке. Спиральные индукторы и индукторы
из меандров, изготовленные по такой технологии на подложке с низ-
ким удельным сопротивлением, продемонстрировали повышение до-
бротности с 4 до 20. Планарные медные индукторы изготавлива-
ются с расплавляющимися прокладками, размещаемыми между за-
крепленными и свободными частями устройства. При нагревании
подложки прокладки расплавляются, и за счет сил поверхностного
натяжения структура поворачивается. При охлаждении подложки
прокладки вновь затвердевают. На рис. 4.30 а показан спиральный
индуктор по окончании процесса самосборки. На рис. 4.30 6 пока-
зано влияние угла отклонения катушки от подложки на величину
добротности. Из рисунка видно, что при увеличении угла доброт-
ность и частота, соответствующая максимальной добротности, зна-
чительно возрастают, что связано с уменьшением емкости между
Глава 4- Конденсаторы и катушки индуктивности
катушкой и подложкой. Также видно, что неповернутый, но отде-
ленный от подложки индуктор, имеет на частоте 0.5 ГГц максималь-
ную добротность, равную 4, в то время как у индуктора, перпенди-
кулярного подложке, добротность на частоте 3 ГГц составляет 21.
Другой подход для отделения катушки от подложки — построе-
ние поднимающегося самособирающегося микроиндуктора (MESA-
индуктора), предложенного в работе (Fan et al, 1998). Было показа-
но, что для изготовления пассивных элементов, таких как индукто-
ры и переменные конденсаторы, подходит MESA-платформа высо-
той 250 мкм и площадью 5 мм х 5 мм. Из рис. 4.31 видно, что высота
MESA-структуры определяется длиной боковой опоры. 3D MESA-
структуры изготавливаются по поверхностной технологии из трех сло-
ев поликремния в Microelectronics Center of North Carolina (MCNC).
Спиральный индуктор формируется в центре платформы. Микро-
приводы начинают двигаться друг к другу, поднимая индуктор вер-
тикально и подвешивая его над подложкой. Для изменения высоты
вертикального зазора микроприводы могут либо толкать, либо тя-
нуть микроструктуру с двух концов, преобразуя поперечное движе-
ние в вертикальное перемещение.
Рис. 4.31. а — MESA-индуктор, б — центр платформы может опускать-
ся или подниматься. Репродукция из книги L. Fan, R.T. Chen,
A. Nepolsa, М.С. Wu, 1998, «Universal MEMS platforms for pas-
sive RF componenets: syspended inductors and variable capacitors»,
Proceedings of 11th Annual International Workshop on MEMS”98
IEEE, Washington, DC:29-33 с разрешения IEEE, @1998 IEEE
4.3.7. Моделирование и расчет планарных
катушек индуктивности
Ключевыми параметрами при проектировании индукторов являют-
ся внешние размеры, ширина и расстояние между металлическими
дорожками, толщина слоя металлизации, количество витков спира-
4-3. Индукторы в микросистемах 299
ли и материал подложки. Характеристики материалов, используе-
мых для изготовления микро- и нано-структур микроиндукторов,
сильно зависят от их объемных свойств. Поэтому для их проекти-
рования необходимо применять 2D и 3D методы моделирования, на-
пример, такие как метод конечных элементов. Можно очень точно
рассчитать микроиндуктор при помощи программного обеспечения
MagNet, основанного на 3D методе конечных элементов, (Mohan et
al, 1999), однако, это очень трудоемкий процесс, требующий боль-
ших затрат времени. Этот программный пакет лучше использовать
не для разработки микроустройств, а для проверки их работоспо-
собности. Для проектирования предпочтительнее применять комби-
нацию 2D и 3D моделирования (Driesen et al, 1999), расчета темпера-
турных и механических характеристик (Ribas et al, 2000), полного
описания геометрии микроустройства (Sieiro et al, 2001), моделиро-
вания параллельных двойных и одиночных линий передач (Cahana,
1983, Koutsoyannopoulos, Papananos, 2000, Long, Copeland, 1997), ме-
тодов анализа линий (Schmuckle, 1993), классических методов ана-
лиза схем и цепей (Nickneijad, Meyes, 1998), расчетных уравнений
Брайена (Li, 1996) и физического моделирования (Yue, Wong, 2000).
В работе (Mohan et al, 1999) приведены простые уравнения для рас-
чета индуктивности квадратных, гексагональных, октогональных
и круговых спиральных форм, а также проведено сравнение вычи-
сленных и экспериментально определенных данных.
Планарные индукторы из меандров можно изготовить при помо-
щи стандартных методов изготовления ИС. Но из-за отрицательных
значений взаимной индуктивности они имеют очень низкие значе-
ния индуктивности. Спиральные индукторы обладают более высо-
кими значениями индуктивности, что связано с их планарной приро-
дой. Однако для них требуются дополнительные соединения между
внутренним концом катушки и внешними выводами, что приводит
к возникновению больших паразитных емкостей. К тому же маг-
нитный поток планарной спиральной катушки, направленный пер-
пендикуляфно, может интерферировать с нижележащими схемами в
многомодульной микросистеме. Индукторы соленоидного типа ли-
шены этих недостатков, но они очень сложны в изготовлении.
Планарный индуктор может быть представлен в виде эквива-
лентной схемы, состоящей из сосредоточенных элементов, как пока-
зано на рис. 4.32. Здесь Ls — индуктивность спирали, Cs — краевая
емкость, Rs — последовательное сопротивление спирали, Coxide —
емкость оксида между металлической спиралью и кремниевой под-
300 Глава 4- Конденсаторы и катушки индуктивности
ложкой, Csi — емкость кремния, a Rsi — сопротивление кремния.
Величина Ls определяется суммой индуктивностей Li каждого пря-
мого сегмента и взаимных индуктивностей между г-м и у-м
элементами. Уравнение (4.1) в данном случае может быть записано
в виде (Ribas et al, 2000):
f' ' ' Г-
. р' N N N
Ls — Lj + Mjj. . , (4-16)
г~| i=l j=l
Величина Mij зависит от длины полосок I и расстояния между ними d:
Mij —
Mol
2л
(4-17)
где
ln(.D) =s ln(d) —
w\2 1 /w\4 1 /w\6
~d) +60\dJ +168 W
(4-18)
Рис. 4.32. Эквивалентная схема
планарного индуктора
В литературе, для планарного
индуктора используются несколь-
ко различных определений доброт-
ности. Чаще всего под добротно-
стью понимают отношение запасен-
ной энергии к рассеиваемой мощно-
сти за один цикл. При частоте, го-
раздо меньшей резонансной часто-
ты, реактивное сопротивление ин-
дуктора является индуктивным. В
таких случаях добротность можно
определить как:
е = ' (4.19)
ft
где R — последовательное сопротивление. Когда индуктор исполь-
зуется в качестве резонансного компонента, добротность определя-
ется как отношение резонансной частоты fresonance к ширине полосы
ЗдБ (3-dB BW):
гл fresonance , .
Q “ 3-dBBIT 1 ’ (4'20>
4-3. Индукторы в микросистемах ЗСН
Однако в ВЧ и СВЧ схемах индукторы чаще всего работают на ча-
стотах ниже частоты их собственного резонанса. В таких случаях
добротность называется эффективной Qeff, которая определяется
как отношение мнимой части входного импеданса к его действи-
тельной части при заземлении одного из входных портов. Выраже-
ние для Qeff имеет вид:
wLs Г R2s(Cs + Co) ,Ат1г<г\
Qeff ~~ ~Б~~ 1-----т------ш 3js{Cs + Со)
-гС5 LiS
(4-21)
На резонансной частоте добротность становится равной 0, по-
скольку Im (Zjn) = 0, a Re (Zin) = max. При этом индуктивное сопро-
тивление становится равным сопротивлению паразитной емкости.
При частотах выше частоты резонанса реактивное сопротивление
индуктора становится емкостным.
Величина последовательного сопротивления Rs может быть по-
лучена из выражения для свободной микрополосковой линии шири-
ной w, толщиной t, проводимостью а и магнитной проводимостью р:
0.431a:w 1.1147 + 1.2868^ /w _ \ 1-8'
X [1 + 0.041 (w/t)1'19 + 1-2296 + 1.2874, ’ ' J’
xw > 2.5
T- ... s..< . г (4.22)
и
Rs = — [1 + 0.01224+0-01^l , xw < 2.5. (4.23)
wta L J
Последовательная емкость Cs определяется как емкость между
проводами спирали и проводами внешних подсоединений. Со — ем-
кость подложки, определяемая емкостью между полосками и слоем
заземленид.
Показатель эффективности индуктора (FMI) определяется как
(ВаЫ, 2001):
FMI = Qef f fresonance (4.24)
площадь индуктора
Цель разработчика — построение индуктора с наибольшим значе-
нием FMI.
и катушки индуктивности
4.3.8. Переменные катушки индуктивности
Программируемый индуктор — это индуктор с переключаемым ко-
личеством витков. Цепи управления могут быть реализованы на
основе микрореле с цифровым запуском, интегрированных с ин-
дукторами в одном модуле при помощи методов поверхностных и
объемных технологий. В работе (Zhou, Sun, Carr, 1997, 1999) пока-
зано, как, используя четыре микрореле, можно получить 16 значе-
ний индуктивности в диапазоне 2.5... 324.8 нГн. А в работе (Pehlke,
Burstein, Chang, 1997) описано, как при помощи фазовращателя и
спаренных ВЧ и управляющей катушек реализовать электрически
перестраиваемый индуктор, обладающий 100% настройкой и до-
бротностью, равной 2000. В работе (Lubecke et al, 2000) рассмотре-
ны индукторы с переменной индуктивностью, построенные на осно-
ве 3D самособирающихся структур. Такие переменные индукторы
используют напряжение внутри слоя для отклонения от плоскости
подложки, на которой они изготавливаются. Индукторы отделены
от подложки для минимизации потерь из-за паразитных эффектов,
а для изменения индуктивности в них применяется температурно-
управляемый элемент. Были изготовлены индукторы с непрерывной
регулировкой индуктивности в диапазоне 18%, при этом доброт-
ность составляла более 13, а для значений добротности более 20
удалось получить индукторы с возможностью изменения индуктив-
ности больше, чем на 30%.
4.3.9. Катушки индуктивности на основе
полимеров
При изготовления 3D микроиндукторов с воздушным сердечником,
встроенных в кристалл, для построения вспомогательного сердеч-
ника были использованы свойства деформации полимеров (Chomn-
qwang, Lee, 2000). Индуктор формируется на кремниевой подложке
электролитическим методом. Для изготовления нижнего проводни-
ка с гальванически нанесенным покрытием из меди применяется по-
лимерная форма из резиста SU-8 толщиной 15 мкм. Для получения
вспомогательного сердечника в форме колокола толщиной 40 мкм
используется метод УФ литографии. На верхнюю часть этого поли-
мерного колокола напыляется пленка из золота. Готовый индуктор
состоит из нижних проводников, сформированных на подложке, и
верхних проводников, имеющих форму арки с воздушным мостом.
/
4-4- Микроконденсаторы 303^
4.4. Микроконденсаторы
Существует много практических схем, где для регулирования неко-
торых электрических параметров должны использоваться конден-
саторы. Среди них: малошумящие усилители, генераторы гармони-
ческих сигналов и преобразователи частоты. Многие современные
беспроводные системы предъявляют очень строгие требования к
широкополосным генераторам, управляемым напряжением (ГУН),
которые должны быть стабильными, иметь высокую добротность
и низкий фазовый шум. Диапазон настройки ГУН должен быть
достаточным для перекрытия всей интересующей полосы частот.
Ключевыми элементами ГУН являются электрически перестраива-
емые конденсаторы. Во многих схемах применяются внешние пере-
менные конденсаторы, что связано с трудностями в изготовлении
встроенных микроконденсаторов, обладающих высокой добротно-
стью. Компоненты ГУН, используемые для выбора частотного диа-
пазона, выбора канала, и другие подстроечные элементы, до сих
пор остаются вне кристалла, поскольку традиционными методами
микрообработки кремния не удается реализовать индукторы и ва-
ракторы, имеющие высокую добротность. Обычные варакторы, вы-
полненные на подложке из кремния или арсенида галлия, а так-
же перестраиваемые конденсаторы, использующие барьер Шотки,
не подходят для применения в устройствах, где требуется высокая
добротность и низкий уровень фазового шума. Однако в послед-
ние годы удалось создать микроконденсаторы на основе кремния
с улучшенными характеристиками, что дает уверенность в том,
что в ближайшем будущем появятся микроустройства и однокри-
стальные электронные схемы со встроенными регулируемыми кон-
денсаторами. Это позволит при помощи очень низких напряжений
управлять подвешенными мембранами и консолями, встроенными в
ВЧ микросистемы, и тем самым производить операции настройки
и переключения. По сравнению с твердотельными варакторами пе-
рестраиваемые микроконденсаторы обладают низкими потерями и
большим диапазоном перенастройки.
Перед проектированием емкостного элемента для широкополос-
ного устройства разработчик должен внимательно изучить его ра-
бочие характеристики: импеданс, вносимые потери, величину пара-
зитных емкостей, эквивалентное последовательное сопротивление
(ЭПС), линейность и добротность во всем интересующем диапа-
зоне частот. Мнимая и действительная части импеданса конденса-
тора определяются из круговой диаграммы полных сопротивлений.
На частоте последовательного резонанса реактивное сопротивление
Глава 4- Конденсаторы и катушки индуктивности
конденсатора равно нулю. При этом импеданс устройства опреде-
ляется ЭПС, которое для керамического конденсатора с высокой
добротностью на частоте 1 ГГц обычно равно 100 мОм.
Как правило, для широкополосных устройств используются кон-
денсаторы с большим значением емкости для выполнения требова-
ний при работе в низкочастотном диапазоне. При этом на низких
частотах импеданс конденсатора будет достаточно мал, что обеспе-
чит беспрепятственный проход ВЧ сигнала. Диапазон работы кон-
денсатора определяется при измерении его вносимых потерь (S21)-
Если измеренная величина S21 превышает требуемое значение, этот
конденсатор не подходит для рассматриваемого применения. Вели-
чину добротности можно определить, используя выражение:
0= . (4.25)
где \Хс — — реактивное сопротивление. ЭПС конденсатора
необходимо учитывать во всем интересующем диапазоне частот.
Из уравнения (4.25) видно, что чем больше сопротивление, тем мень-
ше добротность и тем выше резистивные потери устройства. Для
каждого конденсатора существует резонансная частота, выше кото-
рой его использовать нельзя, поскольку в его суммарном импедансе
начинает превалировать индуктивная составляющая. Поэтому все-
гда надо стремиться к тому, чтобы величина индуктивности кон-
денсатора была, как можно, меньше, при этом резонансная часто-
та должна значительно превышать максимальную рабочую частоту
сигнала.
В регулируемых микроконденсаторах для настройки величины
емкости применяются электромеханические способы изменения фи-
зических и геометрических параметров конденсаторов, например,
электростатические и термическе методы. Емкость конденсатора
с двумя электродами площадью А, разделенных зазором d, может
быть определена по формуле:
- -а ’ С=^, ; (4.26)
d
где е — диэлектрическая проницаемость среды. Здесь не учитыва-
ются краевые эффекты. Из уравнения видно, что для построения
регулируемого конденсатора можно варьировать тремя параметра-
ми. Поэтому и существуют три группы регулируемых конденсато-
ров: с переменным зазором, с переменной площадью электродов и с
переменной диэлектрической проницаемостью.
4-4- Микроконденсаторы
4.4.1. Микроконденсаторы с регулируемым
зазором
4-4-1-1- Электростатическая регулировка
В таком переменном конденсаторе нижний электрод закреплен, а
верхний подвешен над ним. Подвешенный электрод, поддерживае-
мый микропружинами, может перемещаться в вертикальном напра-
влении, перпендикулярном подложке. Зазор между фиксированным
и подвижным электродами, определяющий величину емкости кон-
денсатора, регулируется за счет электростатических сил, возника-
ющих при подаче управляющего напряжения. Основное достоинство
электростатического механизма регулировки — низкая потребляе-
мая мощность. В работах (Young, Boser, 1996, Young et al, 2001)
приведено описание переменного микроконденсатора с регулируе-
мым зазором. На рис. 4.33 показан вид сверху такого конденсатора,
выполненного на кремниевой подложке. Он состоит из алюминие-
вой пластины толщиной 1 мкм, подвешенной в воздухе при помощи
четырех подвесов в форме балок, выполняющих роль пружин. Элек-
троды имеют квадратную форму со стороной 200 мкм с квадратны-
ми отверстиями 2 мкм х 2 мкм, расположенными через 10 мкм, кото-
рые необходимы для полного удаления защитного материала. Пер-
воначальный зазор равен 1.5 мкм, при этом экспериментално опре-
деленная добротность составляет 62. При изменении напряжения от
0 до 5.5 В значение емкости регулируется в пределах 2.11... 2.46 пФ,
что соответствует диапазону настройки 16%.
Рис. 4.33. Вид сверху на перемен-
ный микроконденсатор. Репродукция из
книги D.J. Young, В.Е. Bover, 1996,
«А micromachined variable capacitor for
monolithic low-noise VCOs», Proceedings
of the International conference on Solid-
state sensors and Actuators, IEEE, Wash-
ington, DC:86-89 с разрешения IEEE,
©1996 IEEE
200 мкм
. Когда к системе из параллельных пластин прикладывается элек-
трическое поле, под действием электростатических сил подвижная
11 - 10482
____
и катушки индуктивности
II
пластина начинает двигаться по направлению к закрепленному элек-
троду. Силы распределены вдоль всей длины подвижной пластины.
Когда приложенное напряжение достигает порогового значения, эта
пластина быстро схлопывается с нижней пластиной, и напряжение
настройки уже никак не влияет. Равновесие между электростатиче-
скими силами притяжения и силами упругости подвесов действует
только при отклонениях, меньших 1/3 от первоначального зазора
между электродами. Отсюда появляется ограничение по регулиров-
ке микроконденсаторов — 2/3 от исходного зазора, что теорети-
чески составляет 50% диапазон настройки для любого электроста-
тического переменного конденсатора с параллельными пластинами.
Максимальный диапазон регулировки может быть найден из выра-
жения:
^тах
еА
еА ( еА\ 1
— * — )
Хо \хо )
7
(4.27)
В работах (Zou, Liu, Schutt-Aine, 2001, Zou et al, 2000) показа-
но, как можно преодолеть это ограничение по регулировке в двух-
электродной микросистеме. Для этого была переделана конструк-
ция подвижного электрода. Принцип действия усовершенствованно-
го двухэлектродного варактора представлен на рис. 4.34а. Верхняя
пластина подвешивается на пружине с коэффициентом упругости /с,
нижняя пластина фиксируется. Постоянное напряжение, приклады-
ваемое к верхней пластине, приводит к появлению электростатиче-
ской силы, заставляющей перемещаться подвешенную пластину по
направлению к нижней пластине, в результате чего емкость кон-
денсатора увеличивается. Был изготовлен варактор такого типа,
в котором подвешенная пластина, изготовленная из Poly 2 и золо-
та, имела массу 0.8 мг и площадь 230 мкм х 230 мкм. В ней было
проделано 141 отверстие для вытравливания оксидного слоя, распо-
лагавшегося между пластинами. Нижняя пластина была выполне-
на из Poly 1. Б исходном состоянии при зазоре между пластинами
0.75 мкм конденсатор имел емкость 0.57 пФ, максимальная емкость
0.85 пФ была достигнута при напряжении 3.3 В.
В работах (Dec, Suyama, 1997, 1998а, 1998b, 2000) был продемон-
стрирован способ увеличения диапазона настройки с 50 до 100%.
Для этого был построен трехэлектродный переменный конденса-
тор, показанный на рис. 4.346. Он состоит из трех поликремниевых
пластин: одной подвешенной при помощи пружин (средней) и двух
фиксированных (верхней и нижней) (рис. 4.35).
Микроконденсаторы
подвешенная
пластина
пружина
k/2
фиксированная пластина
(а)
подвешенная
пластина dj-xff)
фиксированная пластина
V, (Л
tf, t x[t)
V,W
фиксированная пластина
(б)
Рис. 4.34. Принцип действия электромеханического переменного конден-
сатора с параллельными пластинами: а — с двумя пластина-
ми, б — с тремя пластинами. Репродукция из книги A. Dec,
К. Suyama, 1998b, «Micromachined electromechanically tunable ca-
pacitors and their applications to RF ICs», IEEE Transactions on
Microwave Theory and Techniques 46(12): 2587-2596 с разрешения
IEEE, ©1998 IEEE
пружина
k/2
□
Ha Cd и Ср подаются два разных напряжения V) и 1-2 • Если
приложено напряжение Vj, емкость Ср увеличивается, при подаче
напряжения V?, емкость Ср уменьшается. Максимальный диапазон
настройки конденсатора Ср по отношению к напряжению Vi и Ср
по отношению к V? равен по прежнему 50%. Однако напряжение V?
позволяет повысить теоретический диапазон настройки конденса-
тора Ср до 100%. Несмотря на то, что проводимость поликремния
хуже, чем алюминия, из-за своих механических свойств для построе-
ния микроконденсаторов он используется чаще. Был изготовлен пе-
ременный микроконденсатор с исходной емкостью 1.9 пФ и воздуш-
ным зазором 0.75 мкм. Площадь его пластин составила 398 мкм X
398 мкм. При Vi = 3.3 В и Vz = 0 было достигнуто максимальное
значение емкости, равное 2.84 пФ. Добротность такого конденса-
тора на частоте 1ГГц равнялась 15.4, а коэффициент перестройки
составил 1.87 :1.
Переменные микроконденсаторы с регулируемым зазором могут
быть также реализованы методом самосборки (MESA) (Fan et al,
1998). На рис. 4.36 показана микрофотография такого MESA-koh-
денсатора. Поликремниевая пластина площадью 250 мкм х 250 мкм
поднимается над подложкой при помощи четырех боковых опор дли-
ной 300 мкм, управляемых микроприводами. Емкость такого микро-
конденсатора в исходном состоянии составляет 500 фФ, при подня-
тии пластины на высоту 250 мкм она снижается до 20 фФ. Главный
недостаток такой системы — нелинейность изменения емкости от
и*
Глава 4- Конденсаторы и катушки индуктивности
величины перемещения верхней пластины, что приводит к невоз-
можности точной регулировки конденсатора.
пластина
Рис. 4.Зв. Вид сверху и поперечное сечение трехпластинного варактора.
Репродукция из книги A. Dec, К. Suyama, 1998b, «Microma-
chined electromechanically tunable capacitors and their applications
to RF ICs», IEEE Transactions on Microwave Theory and Tech-
niques 46(12): 2587-2596 с разрешения IEEE, ©1998 IEEE
Установлено, что селективное удаление кремниевой подложки
из-под пассивного элемента методом травления — эффективный
способ улучшения его рабочих характеристик. Например, МДМ-
конденсатор (МДМ — структура металл-диэлектрик-металл), из-
готовленный на подвешенной мембране, при емкости 2.6 пФ на ча-
стоте 2 ГГц обладает добротностью более 100, тогда как аналогич-
ный конденсатор, сформированный непосредственно на кремниевой
подложке, при тех же условиях показал добротность меньше 10 (Sun, Тап-
ritz, Baets, 1999). На рис. 4.37 представлена фотография подвешен-
ного МДМ-конденсатора, управляемого электростатическим способом.
Микроконденсаторы
Рис. 4.36. Фотография со скани-
рующего микроскопа поднятой пла-
стины MESA-конденсатора. Репро-
дукция из книги L. Fan, R.T. Chen,
A. Nepolsa, М.С. Wu, 1998, «Uni-
versal MEMS platforms for passive
RF components: suspended inductors
and variable capacitors», Proceedings
of 11th Annual International Work-
shop on MEMS 98, IEEE, Washing-
ton, DC: 29-33 с разрешения IEEE,
©1998 IEEE
Конденсаторы изготавливаются на стандартной кремниевой под-
ложке p-типа с ориентацией кристаллов (100) и удельным сопроти-
влением 3.5 Ом см, на которую наносятся два слоя металла: Ml —
толщиной 0.6 мкм и М2 — толщиной 1.4 мкм. Слой SiaN4 наносит-
ся методом химического осаждения из газовой фазы при низком
давлении. Для получения МДМ-конденсаторов с большими значени-
ями емкости при маленькой площади пластин между двумя метал-
лическими слоями наносится слой AI2O3. После нанесения слоев ме-
таллизации наносится шаблон пассивного элемента и производится
селективное удаление нижележащего кремния методом жидкостно-
го травления при помощи КОН.
Рис. 4.37. Фотография подве-
шенного МДМ-конденсатора. Ре-
продукция из книги Y. Sun, J.L.
Tauritz, R.G.F. Baets, 1999, «Mi-
cromachined RF passive compo-
nents and their applications in
MMICs», International Journal of
RF and Microwave CAE 9: 310-
325, ©Wiley (1999) с разрешения
Wiley
Был реализован электростатический переменный микроконден-
сатор с цифровым управлением (Hoivic et al, 2001), имеющий ко-
эффициент перестройки 4 : 1 и добротность на частоте 750 МГц,
310 Глава 4- Конденсаторы и катушки индуктивности
равную 140. Для регулируемых конденсаторов электростатический
способ управления предпочтительнее термического, поскольку при
этом достигается быстрая настройка при более высокой стабильно-
сти отклонения пластин. В рассматриваемом переменном конденса-
торе (рис. 4.38) за счет особой организации верхней пластины уда-
лось достичь линейности изменения емкости в ответ на изменение
напряжения. Верхняя пластина здесь состоит из 30 пластин равной
площади, каждая из которых имеет собственное балочное крепле-
ние разной ширины. При подаче управляющего напряжения верхние
пластинки двигаются по направлению к нижней пластине каскад-
ным образом, их передвижение определяется жесткостью индиви-
дуальных креплений.
; (. индивидуальное падение пластин . ' ’ ' . и
нижний электрод
Рис. 4.38. Схема переменного конденсатора с наборной верхней пластиной.
Репродукция из книги N. Hoivic, М.А. Michalicek, Y.C. Lee, К.С.
Gupta, V.M. Bright, 2001, «Digitally controllable variable high-Q
MEMS capacitor for RF applications», Proceedings of IEEE MTT-S
Symposium, May 2001, Volume 3, IEEE, Washington, DC: 2115-
2118 с разрешения IEEE, ©2001’IEEE
Для расширения диапазона настройки переменные микроконден-
саторы могут использовать двойные согласующие шлейфы (Lang et
al, 2001) и регулируемые преобразователи импеданса (Jung et al,
2001).
4-4-1.2. Электротермические переменные
микроконденсаторы
Как указывалось в предыдущем разделе, диапазон настройки элек-
тростатических микроконденсаторов ограничивается 2/3 первона-
чального зазора между параллельными пластинами, что приводит
к теоретическому 50% пределу регулировки. Это ограничение по
настройке можно преодолеть, используя термический способ упра-
вления (Feng et al, 2000а, 2000b, Harsh et al, 1999, Wu et al, 1998).
Термический принцип регулирования величины зазора основан на
разности теплового расширения толстой и тонкой пластин привода,
4-4- Микроконденсаторы
выполненных из поликремния (рис. 4.39), Был изготовлен перемен-
ный конденсатор, управляемый вертикальным электротермическим
приводом (Feng et al, 2001, Harsh et al, 2000, Young, Boser, 1996), ко-
торый продемонстрировал при величине емкости 0.1 пФ на часто-
те 10 ГГц добротность, равную 300. При этом электротермический
привод управлял верхней пластиной конденсатора.
: Si
Кремний является проводником
и для улучшения добротности должен быть удален после сборки
Рис. 4.39. Сборка кремниевого микроконденсатора методом перевернуто-
го кристалла. Репродукция из книги K.F. Harsh, В. Su, W. Zhang,
V.M. Bright, Y.C. Lee, 2000, «The realization and design considera-
tions of flip-chip integrated MEMS tunable capacitor», Sensors and
Actuators A: Physical 80: 108-118 с разрешения Elsevier Science,
©2000 Elsevier Science
Вертикальное перемещение электротермического привода осу-
ществляется за счет теплового рассогласования, вызванного разным
распределением температур. Электротермический привод управля-
ется за счет разного расширения широкого и узкого плечей, изго-
товленных из поликремния. Узкое плечо расширяется сильнее, за-
ставляя привод складываться, что вызывает изменение зазора и,
соответственно, емкости. Такой микроконденсатор хорошо работа-
ет на частотах миллиметрового диапазона, благодаря тому, что он
собран методом перевернутого кристалла и перенесен с кремниевой
подложки, обладающей большими потерями, на подложку из окиси
алюминия с низкими потерями.
Кремниевая подложка, используемая для построения многих ми-
кроструктур, не подходит для изготовления ВЧ устройств без моди-
фикации традиционной технологии. Одной из таких модификаций
является монтаж методом перевернутого кристалла и закрепление
микроустройства на керамической подложке, описанный в работе
(Harsh et al, 1999). Этот метод используется для оптимальной ин-
теграции микроструктур в существующие схемы или изготовления
микроструктур на новой поверхности. На рис. 4.39 показана схема
изготовления микроконденсатора на GaAs или керамической под-
Глава 4- Конденсаторы и катушки индуктивности
ложке методом перевернутого кристалла. По окончании процесса
изготовления микроструктуры кремниевая подложка удаляется.
Рис. 4.40. Схема электротермического переменного микроконденсатора.
Репродукция из книги Z. Feng, Н. Zhang, К.С. Gupta, W. Zhang,
V.M. Bright, Y.C. Lee, 2001, «MEMS-based series and shunt variable
i • capacitors for microwave and millimeter-wave frequencies», Sensors
. and Actuators A: 91 256-265 с разрешения Elsevier Science, ©2000
Elsevier Science
На рис. 4.40 представлена схема переменного электротермиче-
ского конденсатора, а на рис. 4.41 — фотография такого микрокон-
денсатора, изготовленного на керамической подложке. Проведенные
исследования показали, что при изменении напряжения смещения
в диапазоне 0... 2.5 В коэффициент регулирования емкости такого
микроконденстора составляет 2.7 : 1. На рис. 4.42 и 4.43 приведе-
ны экспериментально полученные характеристики рассматриваемо-
го конденсатора.
Использование электротермического привода для регулирования
емкости является довольно перспективным методом построения пе-
ременных конденсаторов, поскольку он снимает 50% ограничение
по настройке, характерное для всех электростатических микрокон-
денсаторов. Однако электротермические приводы имеют низкое бы-
стродействие и сравнительно большую потребляемую мощность: по-
рядка 10мА при ЗВ.
-4.-4. Микроконденсаторы
Рис. 4.41. Микрофотография
электротермического пере-
менного микроконденсатора.
Репродукция из книги K.F.
Harsh, В. Su, W. Zhang, V.M.
Bright, Y.C. Lee, 2000, «The real-
ization and design considerations
of flip-chip integrated MEMS
tunable capacitor», Sensors and
Actuators A: Physical 80: 108-118
с разрешения Elsevier Science,
©2000 Elsevier Science
перемещение пластины конденсатора термического
привода
Рис. 4.42. Зависимость емкости
микроконденсатора от напряжения
смещения. Репродукция из книги
K.F. Harsh, В. Su, W. Zhang, V.M.
Bright, Y.C. Lee, 2000, «The realiza-
tion and design considerations of flip-
chip integrated MEMS tunable capac-
itor», Sensors and Actuators A: Physi-
cal 80: 108-118 с разрешения Elsevier
Science, © 2000 Elsevier Science
.1
‘ ' > ' ' .PM"
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0
0
Недостаток всех микроконденсаторов с регулируемым зазором —
невозможность работы с мощными ВЧ сигналами, что объясняется
малой величиной зазора между пластинами. При настройке конден-
сатора на большие значения емкости пластины сближаются ближе и
Глава Jf. Конденсаторы и катушки индуктивности
ближе, что при мощных сигналах может привести к электрическому
пробою через воздушный зазор.
частота, ГГц
Рис. 4.43. Зависимость добротно-
сти от частоты при значении емко-
сти 0.1 пФ. Измерения проводились
при помощи HP 8519С Network An-
alyzer. Репродукция из книги K.F.
Harsh, В. Su, W. Zhang, V.M. Bright,
Y.C. Lee, 2000, «The realization and
design considerations of flip-chip in-
tegrated MEMS tunable capacitor»,
Sensors and Actuators A: Physical
80: 108-118 с разрешения Elsevier
Science, ©2000 Elsevier Science
4-4-1-3- Пьезоэлектрические переменные конденсаторы
Для регулирования зазора между электродами переменного конден-
сатора можно использовать пьезоэлектрический привод. В работе
(Park et al, 2001) описан регулируемый микроконденсатор, управля-
емый приводом на основе титаната цирконата свинца (PZT), встро-
енный в схему линии передач с копланарным волноводом. У такого
конденсатора отношение Cmax/Cmin при напряжении смещения 6 В
равно 3.1/1.
Достоинствами описанного пьезоэлектрического конденсатора
являются низкое управляющее напряжение и линейность регулиров-
ки. PZT приводы изготавливаются на кремниевой подложке, наре-
заются в форме кубиков и методом перевернутых кристаллов кре-
пятся к линии передач на кварцевой подложке (рис. 4.44). Напря-
жение смещения, подаваемое на управляющий контакт, заставляет
PZT привод вертикально опускаться на диэлектрический слой, рас-
положенный на верхней части фиксированных электродов.
Изменение величины зазора между верхним и нижним электро-
дами приводит к изменению емкости устройства. Линия передач
и управляющие электроды изготавливаются из металлов Pt/Cu/Ar
на кварцевой подложке по технологии «lift-off». Далее методом селек-
тивного жидкостного травления формируется структура конденса-
тора с параллельными пластинами и осаждается слой диэлектрика.
После чего на верхнюю часть линии передач, пластину заземления
и управляющие электроды электролитическим способом наносит-
ся покрытие из золота. На рис. 4.44 показан изготовленный PZT
Микроконденсаторы
привод, используемый в качестве подвижного верхнего электрода
переменного микроконденсатора. Такой конденсатор обладает до-
бротностью 210 на частоте 1 ГГц.
Рис. 4.44. Фотографии со ска-
нирующего микроскопа: а —
PZT-привода, изготовленного на
кремниевой подложке методами
объемной технологии; б — увели-
ченного вида PZT-привода. Ре-
продукция из книги J.Y. Park,
Y.J. Lee, H.J. Nam, J.U. Bu, 2001,
«Micromachined RF MEMS tun-
able capacitors using piezoelectric
actuators», Proceedings of IEEE
MTT-S Symposium, May 2001,
Volume 3, IEEE, Washington, DC:
2111-2114 с разрешения IEEE,
©2001 IEEE
(6)
4.4.2. Микроконденсаторы с регулируемой
площадью пластин
Для конденсаторов с переменной площадью пластин не существует
пределов по настройке, что является их преимуществом перед кон-
денсаторами с переменным зазором. Гребенчатый микроконденса-
тор — один из самых простых конденсаторов с регулируемой пло-
щадью пластин. Его диапазон регулирования ограничивается толь-
ко конструктивными особенностями поддерживающей пружины и
длиной гребенки. В работе (Larson et al, 1991) рассмотрена схе-
ма электростатической микросистемы позиционирования гребенча-
той структуры с металлическими проводниками. В этой системе
316 Глава 4- Конденсаторы и катушки индуктивности
для изменения зоны перекрытия между электродами используется
электростатический микродвигатель, плавно перемещающий гре-
бенки. Такая структура идеально подходит для построения емкост-
ных микропереключателей, переменных конденсаторов и подстро-
ечных шлейфов, работающих в ВЧ диапазоне 2... 45 ГГц. В реализо-
ванном по такой схеме переменном микроконденсаторе при измене-
нии напряжения смещения в диапазоне 80... 200 В значение емкости
меняется от 0.035 до 0.1 пФ.
В гребенчатой структуре одна из гребенок обычно является ста-
ционарной, а вторая — подвижной. Когда к гребенкам приклады-
вается управляющее напряжение, между зубцами появляются элек-
тростатические силы, действующие на боковые стороны и заста-
вляющие подвижную гребенку перемещаться относительно непо-
движной, меняя площадь перекрытия и оставляя неизменным зазор
между ними. Из рис. 4.45, на котором показана микрофотография
гребенчатого микроконденсатора, видно что его диапазон непре-
рывной регулировки превышает 200%, при этом коэффициент пере-
стройки равен 3 : 1 (Yao, Park, DeNatale, 1998).
На рис. 4.46 (стр. 318) показаны положения гребенок при разных
управляющих напряжениях. На рис. 4.47 (стр. 319) представлена за-
висимость емкости гребенчатого микроконденсатора от управляю-
щего напряжения, из которой видно, что площадь перекрытия вли-
яет на величину емкости. Полная емкость рассматриваемого кон-
денсатора при нулевом напряжении смещения равна 5.19 пФ, а при
напряжении 5 В — 2.48 пФ. Его добротность на частоте 500 МГц
составляла 34, а коэффициент перестройки при изменении напря-
жении смещения в диапазоне 2... 14 В был равен 3:1.
4.4.3. Микроконденсаторы с регулируемой
диэлектрической проницаемостью
Из уравнения (4.26) видно, что изменение диэлектрической прони-
цаемости приводит к пропорциональному изменению величины ем-
кости конденсатора с параллельными пластинами. Поэтому, изме-
няя свойства материала между проводящими пластинами, можно
реализовать переменный микроконденсатор, обладающий высокой
добротностью. Этот принцип может быть применен в гребенчатых
(Jose et al, 2001, Kirchoefer et al, 1998) и двойных (Lu et al, 2000,
Van Keuls et al, 1999, Varadan et al, 1995) структурах, где посто-
янное напряжение смещения приводит к изменению электрических
свойств. Для построения таких микроконденсаторов на подложку
из ЬаАЮз или MgO методом лазерного осаждения из газовой фа-
зы наносятся тонкие пленки ферроэлектрического материала, на-
пример, BaxSrj_ xTi(),3. меняющего свою диэлектрическую проница-
емость при изменении управляющего напряжения.
Рис. 4.45. Фотографии гребенчатого переменного микроконденсатора со
сканирующего микроскопа с тремя различными коэффициента-
. ми увеличения. Репродукция из книги J.J. Yao, S. Park, J. DeNa-
tale, 1998, «High tuning ratio MEMS based tunable capacitors for
RF communications applications», Proceedings of solid-state sensors
and Actuators Workshop, IEEE, Washington, DC: 124-127 с разре-
шения IEEE, ©1998 IEEE
Толщина пленки зависит от выбранного стехиометрического со-
отношения. На верхней части этих пленок методами фотолитогра-
фии и «lift-off» формируется гребенчатый конденсатор (рис. 4.48 на
Jk*. -м-.
w катушки индуктивности
16 мкм
ВЧ регулировка
Рис. 4.46. Микрофотогра-
фии переменного гребенчато-
го конденсатора при разных
управляющих напряжениях.
О В Репродукция из книги J. J.
Yao, S. Park, J. DeNatale,
1998, «High tuning ratio MEMS
based tunable capacitors for RF
communications applications»,
Proceedings of solid-state
sensors and Actuators Work-
shop, IEEE, Washington, DC:
124-127 с разрешения IEEE,
©1998 IEEE
2B
4B .
5 В 'V'
стр. 320). Рассматриваемый конденсатор в частотном диапазоне
50 МГц... 20 ГГц при изменении напряжения смещения от 1 до 40 В
имел коэффициент перестройки 3.4 : 1. Регулирующее напряжение
можно понизить при изготовлении гребенчатой структуры на крем-
ниевой подложке и нанесении сверху нее тонкой ферроэлектриче-
ской пленки (Jose et al, 2001).
Рис. 4.47. Зависимость емко-
сти от управляющего напряже-
ния для микроконденсатора, по-
казанного на рис. 4.46. Репро-
дукция из книги J.J. Yao, S.
Park, J. DeNatale, 1998, «High
tuning ratio MEMS based tunable
capacitors for RF communications
applications», Proceedings of solid-
state sensors and Actuators Work-
shop, IEEE, Washington, DC: 124-
127 с разрешения IEEE, ©1998
IEEE
регулирующее напряжение, В
Переменные конденсаторы с регулируемой диэлектрической про-
ницаемостью нашли свое применение в микрофазовращателях (Lu
et al, 2000, Van Keuls et al, 1999, Varadan et al, 1995)
4.5. Заключение
Несмотря на то, что современные кремниевые ИС работают в гига-
герцовом диапазоне, и технологии построения КМОП, биполярных
КМОП структур позволяют изготавливать кремниевые ВЧ-ИС на
GaAs подложках, рабочие частоты которых также лежат в ниж-
нем гигагерцовом диапазоне, при построении ВЧ и СВЧ схем на-
блюдается острая нехватка пассивных элементов, обладающих вы-
сокой добротностью. Поскольку кремниевые подложки имеют высо-
кий уровень потерь, на их основе очень трудно строить реактивные
компоненты с высокой добротностью. Однако низкая стоимость из-
готовления кремниевых ИС по сравнению с ИС на GaAs подложках
оставляет их конкурентноспособными, и кремниевые элементы бу-
дут и далее использоваться при разработке интегрированных ВЧ
схем.
ы и катушки индуктивности
115 мкм
Рис. 4.48. Схема с
размерами гребенча-
того микроконденса-
тора с регулируемой
диэлектрической прони-
цаемостью. Репро-
дукция из книги
S.W. Kirchoefer,
J.M. Pond, А.С. Carter,
W. Change, К.К. Agar-
wal, J.S. Horwitz,
D.B. Chrisey, 1998,
200 мкм «Microwave properties
of BaxSri-xTiO3 thin
film interdigitated
capacitors», Microwave
and Optical Technology
Letters 18(3): 168-171
с разрешения IEEE, ©
1998 IEEE
Многим разработчикам удалось улучшить рабочие характери-
стики микросистем на кремниевой подложке, применив микроин-
дукторы и микроконденсаторы, реализованные с использованием
современных технологических приемов, таких как:
- удаление подложки из-под компонентов и формирование изоли-
рованных индукторов для отделения элементов от подложки,
л - применение металлических слоев с высокой удельной проводи-
мостью для уменьшения потерь в индукторе,
1 использование многослойной металлизации либо для шунтиро-
вания индукторов для уменьшения потерь, либо для снижения
площади индукторов,
. - применение подложек с малыми потерями для снижения по-
терь на высоких частотах.
При рассмотрении разработки пассивных компонентов было пока-
зано, что нет линейной зависимости между количеством витков и
площадью индукторов и их добротностью, и что всегда приходится
выбирать компромисс между величиной индуктивности и доброт-
ности. Таблица 4.3 была составлена для помощи разработчикам при
выборе способа оптимизации индукторов. На низких частотах при
увеличении индуктивности индукторов их добротность возраста-
ет, за счет того, что на частотах меньше 1 ГГц одновременно с
этим падает последовательное сопротивление. На высоких частотах
возрастает влияние подложки, закономерность переворачивается и
становится следующей: чем меньше индуктивность индуктора, тем
выше его добротность.
Добротность индуктора можно улучшить, отделив индуктор от
кремниевой подложки при помощи толстого слоя оксида. Поскольку
при увеличении толщины оксидного слоя влияние подложки будет
уменьшаться, это приведет к повышению добротности. Однако при
возрастании частоты емкость оксидного слоя может вызвать его
шунтирование, что опять повысит влияние подложки и уменьшит
добротность индуктора.
Значительное повышение добротности происходит при увеличе-
нии толщины металлических проводников, но только до определен-
ного предела. Это объясняется тем, что при большой толщине про-
водника ток течет только по нижней его части и поэтому, чем толще
металл, тем менее эффективно снижается последовательное сопро-
тивление.
Таблица 4.3. Тенденции изменения рабочих характеристик интегрирован-
ных индукторов
Qmaa? L free
Толщина проводника т => т — —
Поверхностное сопротивление проводника т => —
Толщина диэлектрика т => т — т
Удельное сопротивление под- ложки т => и — т
Площа д ь т => 1 т 1
Число витков т => 1 т 1
Ширина тракта т => т
Многослойный индуктор, до- полнительный слой т => 1 т 1
Здесь: f — увеличение, J. — уменьшение, Ц — минимум, Q max максимальная
добротность, L — индуктивность, fres — резонансная частота, => в результате.
Источник: Koutsoyannopoulos, Papananos, 2000
Глава 4- Конденсаторы и катушки индуктивности
Паразитная емкость индуктора определяет его собственную ре-
зонансную частоту и рабочий частотный диапазон. Поэтому при
разработке микроиндукторов очень важно контролировать величи-
ну паразитных емкостей.
В этой главе были затронуты вопросы моделирования, анализа
и оптимизации микроструктур. Это очень сложные вопросы, по-
скольку характеристики материалов, используемых для построения
нано- и микро- структур сильно зависят от их объемных свойств.
В недавнем прошлом разработчики для проектирования новых мо-
делей использовали результаты исследований предыдущих моделей.
Но такой подход не дает ни возможности оптимизации, ни свободы
разработчикам при выборе таких параметров, как индуктивность,
сопротивление, емкость и добротность. В этой главе приведены не-
сколько простых и точных методик для разработки пассивных ком-
понентов.
И, наконец, в таблицах 4.4 и 4.5 представлена эволюция развития
микроиндукторов и микроконденсаторов.
1
Таблица 4.4. Эволюция микроиндукторов
^.5. Заключение
Ссылки Ahn, Allen, 1993 Chang, Abidi, Gaitan, 1993 Ahn, Allen, 1994 Chi, Rebeiz, 1994, 1995 Reyes et al, 1995 Chi, Rebeiz, 1995 1 Park, Allen, 2000, Johnson et al, 1996, Ashby et al, 1996
Примечание Ni/Fe сердечник 2 мкм КМОП Pr = 500 Сравним с высо- корезистивным кремнием Пермалой, Ортонол
Частота 0,00001 ГГц 3,0 ГГц 0,01 ГГц 73 и 54 ГГц 70 ГГц, 50 ГГц < 10 МГц 13,9 ГГц < 10 ГГц
Максимальная добротность 11,9 сч 1—1
Индуктивность 20000 нГн £ д о о 200 нГн 1,2 нГн и 1,7 нГн 1,2 нГн, 1,7 нГн 1 | 6700 нГн, 5700 нГн ! 4,0 нГн 34нГн
Описание устройства Планарная спираль с магнит- ным сердечником Подвешенные индукторы на кремнии Тороидальный меандр с магнит- ным сердечником, 30 витков Микроспираль, подвешенная на мембране Спираль и меандр на разных подложках Микроиндуктор на высокоре- зистивной кремниевой подлож- ке, подвешенный на мембране Индукторы на сердечниках с 30 витками Спирали на кремниевой и крем- ниево-сапфировой подложках Прямоугольная спираль с ис- пользованием быстродействую- щих биполярных КМОП эле- ментов
В
Продолжение таблицы 4.4.
Описание устройства Индукти вность Максимальная добротность Частота Примечание Ссылки
Спиральные индуктору с ис- пользованием стандартных 0.8 мкм биполярных КМОП элементов 4,5 нГн 10 < 20 ГГц Многослойный металл Burghartz, Soyuer, Jenk- ins, 1996
Спираль с использованием мед- ных внутренних соединений на высокорезистивном кремнии 1,4 нГн 30 5,8 ГГц Burghartz et al, 1997
Переменный микроиндуктор 2,5-324,8 нГн 1,7 1,9 ГГц Напряжение управления 20 В Zhou, Sun, Carr, 1997, 1999
Планарные спиральные ин- дукторы, изготовленные по 0.8 мкм биполярной КМОП технологии 16 4 ГГц 4 мкм металл 4 мкм оксид Ronkainen et al, 1997
Спиральные КМОП индукторы 12,98 нГн 11,5 ЗГГц Park et al, 1997c
Полузакрытые микроиндукторы 1600 нГн < 1МГц Ni-Fe сердечник Sadler et al, 1997
Микроспираль на кремнии 0,5-100 нГн 4,88 нГн 40 < 15 ГГц Burghartz et al, 1998 Niknejad, Meyer, 1998
Индуктор по Si/SiGe НВТ (транзистор с гереропереходом) технологии на толстом диэлек- трическом слое из полиимида 0,5-15 нГн 22 10 ГГц Laney et al, 1998
Спираль из 36 витков 20 мкГн 0,25 10 кГц Ahn, Allen, 1998
Соленоид из 33 витков 0,4 мкГн 1,5 10 кГц
Глава 4- Конденсаторы и катушки индуктивности
Продолжение таблицы 4.4.
Описание устройства Индуктивность Максимальная добротность Частота Примечание Ссылки
Меандр из 30 витков 0,2 мкГн 1,0 10 кГц
Спираль из 12.5 витков, изго- товленная по MESA технологии 24 нГн 6,6 ГГц Изменение соб- ственной часто- ты резонанса Fan et al, 1998
Свободная спираль на GaAs, со- зданная по НЕМТ (транзистор с высокой подвижностью элек- тронов) технологии 4,8 нГн 16 15 ГГц : — - у Ribas et al, 1998
Микросоленоид с воздушным сердечником и воздушным за- зором 1-20 нГн 7-60 Kim, Allen, 1998
Тороидальный планарный индук- тор с магнитным сердечником 10000 нГн 0,001 ГГц Liakopoulos, Ahn, 1999
Подвешенная спираль, создан- ная по поверхностной техноло- гии, с воздушным сердечником 15-40 нГн 40-50 0,9-2,5 ГГц Park, Allen, 1999
Соленоид, созданный по по- верхностной технологии на кремнии со слоем диэлектрика Кремний: 2,67нГн Стекло: 2,3 нГн 16,7 25,1 2,4 ГГц 8,4 ГГц Yoon et al, 1999
3D спиральный многослойный многомодульный индуктор на керамике 9,6 нГн 93 1,15 ГГц Sutono et al, 1999
Подвешенная спираль с улуч- шенными Q и L 1-3нГн 6-25 6-18 ГГц Sun, Tauritz, Baets, 1999
й
5
s
«б
Л
S
е
Окончание таблицы 4.4.
Описание устройства Индуктивность Макс имальная добротность Частота Примечание Ссылки ^лава
Планарная микроспираль,, опи- рающаяся на мембрану 12нГн 20 7ГГц Ribas et al, 2000 <3
Само собирающийся микроин- дуктор 0,67-0,82 нГн 13 15 ГГц Lubecke et al, 2000 s ft s ft
Спиральные индукторы по КМОП технологии, подвешен- ные в воздухе 9нГн 5,88 1,5 ГГц Lee et al, 2000 аторы и
Спираль на кремнии с удель- ным сопротивлением 10 Ом см с 4.5 мкм слоем оксида 8нГн 5 2 ГГц Физическая мо- дель Yue, Wong, 2000 катуш1.
Микроспираль с вытравленны- ми 20 мкм углублениями 1,8 нГн 20,2 2-40 ГГц Lu et al, 2000 ft ft s
3D индуктор с воздушным сердеч- ником и защитным полимером 1,6-1,8мкГн 40 0,Ol- IO МГц Форма колокола Chomanwang, Lee, 2001 e
Медный меандр с использова- нием технологии самосборки 1,5-2,5 нГн 20 0,5-3 ГГц Dahlmann, Yeatman, 2000 a s ft ft
Микросоленоид с 6 витками по КМОП 0.24 мкм технологии 2,6 нГн 21 4,5 ГГц Chen et al, 2001
Спираль на GaAs подложке из 9 мкм металла на 10 мкм слое полиимида 0,3-4,5 нГн 41,5 > 40 ГГц Bahl, 2001
Примечание: р,г — относительная магнитная проницаемость, Q — добротность, L - индуктивность
Таблица 4.5. Эволюция .микроконденсаторов
Описание устройства ' Емкость, пФ Максимальная Добротность Частота, ГГц Примечание Ссылки
Переменное микроустройство позиционировния 0,035-0,1 80-200 В Larson et al, 1991
Переменный микроконденсатор с электростатическим приводом 2,11 62 1 Параллельные емкости Young, Boser, 1996
Гребенчатый микроконденсатор 5,19 34 0,5 200% Yao, Park, DeNatale, 1998
Двухпластинный и трехплас- тинный микроконденсатор 4,0-4,4 2,05 1,9 20 1 1 0-0,8 В Dec, Suyama, 1998a, 1998b
Гребенчатый конденсатор на ферроэлектрической тонкой пленке 4 0,05-20 3,4 : 1, 1-40 В Kirchoefer et al, 1998
Электротермии екий переменный микроконденсатор 256 1 90% Wu et al, 1998
МДМ-конденсатор на подвешенной мембране 2,6 ОД 100 300 2 10 Регулируемый Sun, Tauritz, Baets, 1999 Feng et al, 2000a
Микроконденсатор, изготовлен- ный методом перевернутого кристалла ОД 100 1050 10 1 Harsh et al, 2000
Переменный микроконденсатор с интегрированным PZT при- водом 210 1 3,1 : 1; 0-6 В Park et al, 2001
Глава 4- Конденсаторы и катушки индуктивности
Окончание таблицы 4.5.
Ссылки Hoivic et al, 2001 Zhou, Liu, Schutt-Aine, 2001 Jose et al, 2001
Примечание 4 : 1; 0 30 В 69,8% при 1 МГц 80% при 6 В
Частота, ГГц 0,75 СО о
Максимальная Добротность 140 30
1 Емкость, пФ i 40
Описание устройства Электростатический микрокон- денсатор с цифровым управле- нием Микроконденсатор с подвешен- ной верхней пластиной и двумя нижними пластинами Переменный конденсатор с ферроэлектрической тонкой пленкой на гребенке
Литература
Ahn, С.Н., Allen, M.G., 1993, «А fully integrated surface micromachined microactu-
ator with a multilevel meander magnetic core», Journal of Microelectromechanical
Systems 2(1): 15-22.
Ahn, C.H., Allen, M.G., 1993, «А planar micromachined spiral inductor for integrated
magnetic microactuator applications», Journal of Micromechanics and Microengi-
neering 3: 37—44.
Ahn, C.H., Allen, M.G., 1994, «А new toroidal-meander type integrated inductor with
a multilevel meander magnetic core», IEEE Transactions on Magnetics 30(1): 73-79.
Ahn, C.H., Allen, M.G., 1998, «Micromachined planar inductors on silicon wafers for
MEMS applications», IEEE Transactions on Industrial Electronics 45(6): 866-876.
Ashby. K.B., Koullias, LA., Finley, W.C., Bastek, J.J., Moinian, S., 1996, «High
(Jinductors for wireless applications in a complementary silicon bipolar process»,
IEEE Journal of Solid State Circuits 31(1): 4-9.
Bahl, I.J., Bhartia, P., 1998, Microwave Solid-state Circuit Design, John Wiley, New
York.
Bahl, I.J., 1999, «Improved quality factor spiral inductors on GaAs substrates», IEEE
Microwave and Guided Wave Letters 9(10): 398-400.
Bahl, I.J., 2001, «High performance inductors», IEEE Transactions on Microwave
Theory and Techniques 49(4): 654-664.
Burghartz, J.N., Soyeur. M., Jenkins. K.A., Hulvey. M.D., 1995. «High Q inductors
in standard silicon interconnect technology and its application to an integrated RF
power amplifier», in Proceedings of IEDM ’95, IEEE, Washington, DC: 1015-1017.
Burghartz, J.N., Soyuer. M., Jenkins. K.A., 1996. «Microwave inductors and capaci-
tors in standard multilevel interconnect silicon technology», IEEE Transactions on
Microwave Theory and Techniques 44(1): 100-104.
Burghartz, J.N., Edelstein. D.C., Jenkins, K.A., Kwark, Y.H., 1997, «Spiral inductors
and transmission lines in silicon technology using copper-damascene interconnects
and low-loss substrates», IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques
45(10): 1961-1968.
Burghartz., J.N., Edelstein. D.C., Soyuer, M., Ainspan, H.A., Jenkins, K.A., 1998,
«RF circuit design aspects of spiral inductors on silicon», IEEE Journal of Solid-
state Circuits 33(12): 2028-2034.
Cahana, D., 1983, «А new transmission line approach for designing spiral microstrip
inductors for microwave integrated circuits», in Proceedings of IEEE MTT-S Sym-
posium, 1983, IEEE, Washington, DC: 245-247.
Case, M., 1997, «SiGe MMICs and flip-chip MICs for low cost microwave systems»,
Microwave. Journal 40: 264-276.
Chang, J.Y.-C., Abidi, A. A., Gaitan, M., 1993. «Large suspended inductors on silicon
and their use in a 2fim CMOS RF amplifier», IEEE Electron Device Letters 14(5):
246-248.
Chen, E.Y., Yoon, Y.K., Laskar, J., Allen, M.G., 2001, «А 2.4 GHz integrated CMOS
power amplifier with micromachined inductors», in Proceedings of IEEE MTTS
Symposium 2001, IEEE, Washington, DC: Vol. 1. pp. 523-526.
Chi, C.-Y., Rebeiz, G.M., 1994, «Planar millimeter wave microstrip, lumped elements
using micro-machining techniques», in Proceedings of IEEE MTT-S Symposium,
IEEE, Washington, DC: 657-660.
Chi, C.-Y., Rebeiz, G.M., 1995, «Planar microwave and millimeter wave lumped el-
ements and coupled line filters using micromachining technique», Transactions on
IEEE Microwave Theory and Techniques 43(4): 730-738.
Chi, C.-Y., Rebeiz, G.M., 1997, «Design of Lange-couplers and single sideband mixers
using micro-machining techniques», IEEE Transactions on Microwave Theory and
Techniques 45: 291-294.
Chomnawang, N., Lee, J.-B., 2001, «On-chip 3D air core micro-inductor for high fre-
quency applications using deformation of sacrificial polymer», Proceedings of SPIE
Smart Electronics and MEMS 4334: 54-62.
Dahlmann, G.W., Yeatman, E.M., 2000, «High (Jmicrowave inductors on silicon by
surface tension self-assembly», Electronics Letters 36(20): 1707-1708.
Dec, A., Suyarna, K., 1997, «RF micromachined varactors with wide tuning range»,
Electronics Letters 33(11): 922-924.
Dec, A., Suyama, K., 1998a, «RF micromachined varactors with wide tuning range», in
Proceedings of IEEE Radio Frequency Integrated Circuit Symposium, IEEE, Wash-
ington. DC: 309-312.
Dec, A., Suyama, K., 1998b, «Micromachined electro-mechanically tunable capacitors
and their applications to RF ICs», IEEE Transactions on Microwave Theory and
Techniques 46(12): 2587-2596.
Dec, A., Suyama, K., 2000, «Microwave MEMS-based voltage controlled oscillators»,
IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 48(11): 1943-1949.
Driesen, J., Ruythooren, W., Belmans, R., DeBoeck, J., Cells, J.-P., Hameyer. K.,
1999, «Electric and magnetic FEM modeling strategies for microinductors», IEEE
Transactions on Magnetics 35(5): 3577-3579.
Fan, L., Chen, R.T., Nespola, A., Wu, M.C., 1998, «Universal MEMS platforms for
passive RF components: suspended inductors and variable capacitors», in Proceed-
ings of 11th Annual International Workshop on MEMS ’98, IEEE, Washington,
DC: 29-33.
Feng, Z., Zhang, W., Su, B., Harsh, K.F., Gupta,. КХГ., Bright, V.M., Lee. Y.C.,
2000a. «Design and modeling of RF MEMS tunable capacitors using electro-thermal
actuators», in Proceedings of 1999 IEEE MTT-S Symposium, IEEE, Washington,
DC: 1507-1510.
Feng, Z., Zhang, H., Zhang, W., Su, B., Gupta, K.C., Bright, V.M., Lee, Y.C., 2000b.
«MEMS based variable capacitors for millimeter wave applications», in Proceedings
of Solid-state Sensors and Actuators Workshop, South Carolina, June 2000, IEEE,
Washington, DC: 255-258.
Feng, Z., Zhang, H., Gupta, K.C., Zhang, W., Bright, V.M., Lee, Y.C., 2001. «MEMS-
based series and shunt variable capacitors for microwave and millimeter-wave fre-
quencies», Sensors and Actuators A: Physical 91: 256-265. ’
Greenhouse, H.M., 1974, «Design of planar rectangular microelectronic inductors»,
IEEE Transactions on Parts, Hybrids and Packaging 10(2): 101-109.
Grover, F.W., 1946, Inductance Calculations, Van Nostrand, New York.
Guckel, H., Skrobis, K., 1992, «Metal micromechanisms via deep X-ray lithography,
electroplating and assembly», Journal of Micromechanics and Microengineering
2(4): 225-228.
Harsh, K.F., Zhang, W., Bright, V.M., Lee, Y.B., 1999, «Flip-chip assembly for Si-
based RF MEMS», in Proceedings of 20th IEEE International Symposium on Mi-
croelectromechanical Systems, IEEE, Washington, DC: 273-278.
Harsh, K.F., Su, В., Zhang, W., Bright, V.M., Lee, Y.C., 2000, «The realization and
design considerations of flip-chip integrated MEMS tunable capacitor», Sensors and
Actuators A: Physical 80: 108-118.
Hjort, K., Solderkvist, J., Schweitz, J.-A., 1994, «Gallium arsenide as a mechanical
material», Journal of Micromechanics and Microengineering 4: 1-13.
Hoivik, N., Michalicek, M.A., Lee, Y.C., Gupta, K.C., Bright, V.M., 2001, «Digitally
controllable variable high-Q MEMS capacitor for RF applications», in Proceedings
of IEEE MTT-S Symposium, May 2001, Volume 3, IEEE, Washington, DC: 2115-
2118.
Johnson, R.A., Chang, C.E., Asbeck, P.M., Wood, M.E., Garcia, G.A., Lagnado. L,
1996, «Comparison of microwave inductors fabricated on silicon-on-sapphire and
bulk silicon», IEEE Microwave and Guided Wave Letters 6(9): 323-325.
Jose, K.A., Yoon, H., Vinoy, K.J., Sharma, P., Varadan, V.K., Varadan, V.V., 2001,
«Low voltage tunable capacitors for RF MEM filters and antenna applications», in
Proceedings of IEEE Antennae and Propagation Society International Symposium,
July 2001, Boston MA, IEEE, Washington, DC: 670-673.
Jung, S., Kang, K., Park. J.Y., Chung, K.W., Kim, Y.K., Kwon, Y., 2001, «Microma-
chined frequency variable impedance tuners using resonant unit cell», in Proceedings
of IEEE MTT-S Symposium, May 2001, Volume 1, IEEE, Washington, DC: 333-
336.
Kawahito, S., Sasaki, Y., Ashiki, M., Nakamura, T., 1991, «Micromachined solenoid
for high sensitive magnetic sensors», in Proceedings of Transducers 1991: IEEE,
Piscataway, NJ, USA: 1077-1080.
Kim, Y.J., Allen, M.G., 1998, «Surface micromachined solenoid inductors for high
frequency applications», IEEE Transactions on Components, Packaging and Man-
ufacturing Technology, Part C 21(1): 26-33.
Kirchoefer, S.W., Pond, J.M., Carter, A.C., Change, W., Agarwal, K.K., Horwitz,
J.S., Chrisey, D.B., 1998, «Microwave properties of SrosBaosTiCh thin film inter-
digitated capacitors», Microwave and Optical Technology Letters 18(3): 168-171.
Konishi, Y., (Ed.).1991, Microwave Integrated Circuits, Marcel Dekker, New York.
Koutsoyannopoulos, Y.K., Papananos, Y., 2000, «Systematic analysis and modeling
of integrated inductors and transformers in RF 1C design», IEEE Transactions on
Circuits and Systems II 47(8): 699-713.
Laney, D.C., Larson, L.E., Malinowski, J., Harame, D., Subbanna, S., Volant, R.,
Case, M., Chan, P., 1998, «Low-loss microwave transmission lines and inductors
implemented in a Si/SiGe HBT process», in Proceedings of IEEE BCTM 1998,
IEEE, Washington, DC: 101-104.
Lang, K.L., Papapolymerou, J., Goldsmith, C.L., Malezewski, A., Kleber, J., 2001,
«А reconfig-urable double-stub tuner using MEMS devices», in Proceedings of IEEE
MTT-S Symposium, May 2001, Volume 1, IEEE, Washington, DC: 337-340.
Larson, L.E., Hackett, R.H., Lelendes, M.A., Lohr, R.S., 1991, «Micromachined mi-
crowave actuator (MIMAC) technology — a new tuning approach for microwave
integrated circuits», in Proceedings of IEEE Microwave and Millimeter Wave Mono-
lithic Circuits Symposium, IEEE, Washington, DC: 27-30.
Lee, C.-Y., Kao, Y.-H., Luo, J.-Y., Chang, K.-M., 2000, «The enhanced Q spiral in-
ductors with MEMS technology for RF applications», in Proceedings of Asia Pacific
Microwave Conference IEEE, Piscataway, NJ, USA: 2000: 1326-1329.
Li, P., 1996, «А new closed form formula for inductance calculation in microstrip line
spiral inductor design», in Proceedings of IEEE 5th Topical Meeting on Electrical
Performance of Electronic Packaging, 1996, IEEE, Washington, DC: 58-60.
Liakopoulos, T.M., Ahn, C.H., 1999, «З-D microfabricated toroidal planar inductors
with different magnetic core schemes for MEMS and power electronic applications»,
IEEE Transactions on Magnetics 35(5): 3679-3681.
Long, J.R., Copeland, M.A., 1997, «The modeling, characterization and design of
monolithic inductors for silicon RF ICs», IEEE Journal of Solid-state Circuits
32(3): 357-369.
Lopez-Villegas, J.M., Samitier, J., Bausells, J., Merlos, A., Cane, C. Knochel, R.,
1997, «Study of integrated RF passive components performed using CMOS and Si
micromachining technologies», Journal of Micromechanics and Microengineering 7:
162-164.
Lopez-Villegas, J.M., Samitier, J., Cane, C., Losantos, P., Bausells. J., 2000, «Im-
provement of quality factor of RF integrated inductors by layout optimization»,
IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 48( 1): 76-83.
Lu, L.-H., Ponchak, G.E., Bhattacharya, P., Katehi, L.P.B., 2000. «High Q X-band
and К-band micromachined spiral inductors for use in S-based integrated circuits»,
in Proceedings of the Symposium on Silicon MICs in RE Systems, IEEE. Piscat-
away. NJ, USA: 108-112.
Lu, Y., Nagra, A.S., Erker, E.G., Periaswamy, P., Taylor, T.R., Speck, J., York, R.A.,
2000. «BaSrTiO.3 interdigitated capacitors for distributed phase shifter applica-
tions», IEEE Microwave and Guided Wave Letters 10(11): 448-450.
Lubecke, V.M., Barber, B., Chan, E., Lopez, D., Garnmel, P., 2000, «Self-assembling
MEMS variable and fixed RF inductors», in Proceedings of 12th Asia Pacific Mi-
crowave Conference December 2000, IEEE, Piscataway, NJ, USA: 7-10.
Milanovic, V., Gaitan, M., Bowen, E.D., Zaghloul, M.E., 1997, «Micromachined mi-
crowave transmission lines in CMOS technology», IEEE Transactions on Microwave
Theory and Techniques 45: 630-635.
Mohan, S.S., Hershenson, M., Boyd, S.P., Lee, Т.Н., 1999, «Simple accurate expres-
sions for planar spiral inductors», IEEE Journal of Solid-state Circuits 34(10):
1419-1424.
Niknejad, A.M., Meyer, R.G., 1998, «Analysis, design and optimization of spiral induc-
tors and transformers for Si RF ICs», IEEE Journal of Solid-state Circuits 33(10):
1470-1481.
Niknejad, A.M., 2000, Inductors and Transformers for Si RF ICs, Kluwer Academic.
Boston, MA.
Olivei, A., 1969, «Optimized miniature thin film planar inductors compatible with
integrated circuits», IEEE Transactions Part, Material Packaging 5: 71-88.
Parisot, M., Archamnault, Y., Pavlidis, D., Magarshack, J., 1984, «Highly accurate
design of spiral inductors for MMICs with small size and high cut-off frequency
characteristics», in Proceedings of IEEE MTT-S symposium, 1984, IEEE, Washing-
ton, DC: 106-1 10.
Park, J.Y., Allen, M.G., 1996, «А comparison of micromachined inductors with dif-
ferent magnetic core materials», Proceedings of IEEE Electronic Components and
Technology Conference, IEEE, Washington,. DC: 375-381.
Park, M., Kin, C.S., Park, J.M., Yu, H.K., Nam, K.S., 1997, «High Q microwave
inductors in CMOS double metal technology and its substrate bias effects for 2GHz
RF 1C application», in Proceedings of IEDM 97, IEEE, Washington, DC: 59 62.
Park, M., Lee, S., Yu, H.K., Koo, J.G., Nam, K.S., 1997c. «High Q CMOS compatible
microwave inductors using double metal interconnection silicon technology», IEEE
Microwave and Guided Wave Letters 7(2): 45-47.
Park, M., Lee, S., Yu, H.K., Nam, K.S., 1997, «Optimization of high Q CMOS compatible
microwave inductors using silicon CMOS technology», in Proceedings of 1997 IEEE
Radio frequency Integrated Circuit Symposium, IEEE, Washington, DC: 181-184.
Park, J.Y., Allen, M.G., 1999, «Packaging-compatible high Q microinductors and
microfilters for wireless applications», IEEE Transactions on Advanced Packaging
22(2): 207-213.
Park, J.Y., Allen, M.G., 2000, «Integrated electroplated micromachined magnetic de-
vices using low temperature fabrication process», IEEE Transactions on Electronics
Packaging and Manufacturing 23(1): 48-55.
Park, J.Y., Yee, Y.J., Nam, H.J., Bu, J.U., 2001, «Micromachined RF MEMS tunable
capacitors using piezoelectric actuators», in Proceedings of IEEE MTT-S Sympo-
sium, May 2001. Volume 3. IEEE, Washington, DC: 2111-2114.
Pehlke, D.R., Burstein, A., Chang, M.F., 1997, «Extremely high Q tunable inductors
for Si-based RF integrated circuit applications», in Proceedings of International
Electronics Devices Meeting IEDM, 1997, IEEE, Washington, DC: 63-66.
Reyes, A.C., El-Ghazaly, S.M., Dorn, S.J., Dydyk, M., Schroder, D.K., Patterson, H.,
1995, «Copla-nar waveguides and microwave inductors on silicon substrate», IEEE
Transactions on Microwave Theory and Techniques 43(9): 2016-2022.
Ribas, R.P., Bennouri, N., Karam, J.M., Courtois, B., 1997, «GaAs MEMS design using
0.2 gm HEMT MMIC technology», in Proceedings of the 19th Annual IEEE Gallium
Arsenide Integrated Circuit Symposium, IEEE, Piscataway, NJ, USA: 127-130.
Ribas, R.P., Lescot, J., Leclercq, J.L., Bennouri, N., Karam, J.M., Courtois, B., 1998,
«Micromachined planar spiral inductor in standard GaAs HEMT MMIC technolo-
gy», Transactions on IEEE Electron Device Letters 19(8): 285-287.
Ribas, R.P., Lescot, J., Leclercq, J.-L., Karam, J.M., Ndagijimana, F., 2000. «Micro-
machined microwave planar spiral inductors and transformers», IEEE Transactions
on Microwave Theory and Techniques 48(8): 1326-1335.
Rodrigues, R., Dishman, J.M., Dickens, F.D., Whelan, E.W., 1980, «Modeling of two-
dimensional spiral inductors», IEEE Transactions on Components, Hybrids, and
Manufacturing Technology 5: 535-541.
Ronkainen, H., Kattelus, H., Tarvainen, E., Riihisaari, T., Andersson, M, Kuivalainen,
P., 1997, «1С compatible planar inductors on silicon», IEE Proceedings on Circuits,
Devices and Systems 144(1): 29-35.
Sadler, D.J., Zhang, W., Ahn, C.H., Kim. H.J., Han. S.H., 1997, «Micromachined
semi-eneapsulated spiral inductors for microelectromechanical systems (MEMS)
applications», IEEE Transactions on Magnetics 33(5): 3319-3321.
Schmuckle, F.J., 1993, The method of lines for the analysis of rectangular spiral in-
ductors», IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 41(6/7): 1183—
1186.
Shin, D.-H., Kim, C.S., Jeong, J.-H., Nam, S.-E., Kim, H.J., 1999, «Fabrication of
double rectangular type ReTaN film inductors», IEEE Transactions on Magnetics
35(5): 3511-3513.
Sieiro, J., Lopez-Villegas, J.M., Cabanillas, J., Osorio, J.A., Samitier, J., 2001, «А
complete physical frequency dependent lumped model for RF integrated inductors»,
Глава 4- Конденсаторы и катушки индуктивности
in Proceedings of 2001 IEEE Radio Frequency Integrated Circuit Symposium, IEEE,
Washington, DC: 121-124.
Soohoo, R.F., 1979, «Magnetic thin film inductors for integrated circuit applications»,
IEEE Transactions on Magnetics 15: 1803-1805.
Sun Y., van Vliet, F.E., Tauritz, J.L., Baets. R.G.F., 1996, «Monolithic narrow band
active inductors using suspended membrane passive components on silicon sub-
strate», High Performance Electron Devices for Microwave and Optoelectronic Ap-
plications Workshop, EDMO, IEEE, Piscataway, NJ, USA, 127-130.
Sun, Y., van Zeji, H., Tauntz, J.L., Baets, R.G.F., 1996a, «Suspended membrane
inductors capacitors for applications on silicon MMICs», in Proceedings of IEEE
Microwave and Millimeter Wave Monolithic Circuits Symposium, IEEE. Washing-
ton, DC: 99-102.
Sun, Y., Tauritz, J.L., Baets, R.G.F., 1999, «Micromachined RF passive components
and their applications in MMICs», International Journal of RE and Microwave
CAE 9: 310-325.
Sutono, A., Pham, A., Lasker, J., Smith, W.R., 1999, «Development of three-dimen-
sional ceramic-based MCM inductors for hybrid RF/microwave applications», in
Proceedings of 1999 IEEE Radio Frequency Integrated Circuit Symposium, IEEE,
Washington, DC: 175-178.
Van Keuls, F.W., Romanofsky, R.R., Varaljay, N.D., Miranda, F.A., Canedy, C.L.,
Aggarwal, S., Venkatesan, T., Ramesh, R., 1999, «А Ku-band Gold/Ba^Sri-xTiOa/
ЬааАЮз conductor thin film ferrielectric microstrip line phase shifter for room-
temperature communications applications», Microwave and Optical Technology Let-
ters 20(1): 53-56.
Varadan, V.K., Jose, K.A., Varadan, V.V., Hughes, R., Kelly, J.F., 1995, «А novel
microwave planar phase shifter», Microwave Journal (April): 244-254.
Wanger, B., Beneckle, W., 1991, «Microfabricated actuator with moving permanent
magnet», IEEE Microelectro Mechanical Systems Workshop, IEEE, Washington,
DC: 27-32.
Warner, R.M. (Ed.), 1965, Integrated Circuits: Design Principles and Fabrication,
McGraw-Hill, New York.
Wu, H.D., Harsh, K.F., Irwin, R.S., Zhang, W., Mickelson, A.R., Lee, Y.C., 1998,
«MEMS designed for tunable capacitors», in Proceedings of IEEE MTT-S Sympo-
sium, IEEE, Washington, DC: 127-129.
Yamaguchi, M., Mastumo, M., Ohzeki, H., Arai, K.I., 1990, «Fabrication and basic
characteristics of dry-etched micro inductors», IEEE Transactions on Magnetics
26(5): 2014-2016.
Yamaguchi, M., Mastumo, M., Ohzeki, H., Arai, K.I., 1991, «Analysis of the induc-
tance and the stray capacitance of the dry-etched micro inductors», IEEE Trans-
actions on Magnetics 27(6): 5274-5275.
Yao, J.J., Park, S., DeNatale, J., 1998, «High tuning ratio MEMS based tunable ca-
pacitors for RF communications applications», in Proceedings of Solid-state Sensors
and Actuators Workshop, IEEE, Washington, DC: 124-127.
Yoon, J.-B., Kim, B.-K., Han, С.-H., Yoon, E., Kim, C.-K., 1999, «Surface microma-
chined solenoid on Si and on-glass inductors for RF applications», IEEE Electron
Device Letters 20(9): 487-489.
Young, D.J., Boser, B.E., 1996, «А micromachined variable capacitor for monolithic
low-noise VCOs», in Proceedings of International Conference on Solid-state Sensors
and Actuators, IEEE, Washington, DC: 86-89.
Young, D.J., Boser, B.E., Malba, V., Bernhardt, A.F., 2001, «А micromachined RF
low noise voltage controlled oscillator for wireless communications», International
Journal of RF and Microwave CAE 11: 285-300.
Yue, C.P., Wong, S.S., 2000, «Physical modeling of spiral inductors on silicon», IEEE
Transactions on Electron Devices 47(3): 560-568.
Zhou, S., Sun, X.-Q., Carr, W.N., 1997, «А micro variable inductor chip using MEMS
relays», in Proceedings of Transducers ’97, International Conference on Sensors and
Actuators, Chicago, June 1997, IEEE, Piscataway, NJ, USA: 1137-1140.
Zhou, S., Sun, X.-Q., Carr, W.N., 1999, «А monolithic variable inductor network
using microrelays with combined thermal and electrostatic actuation», Journal of
Microniechanics and Microengineering 9: 45-50.
Zou, J., Liu, C, Schutt-Aine, J., Chen, J., Kang, S.M., 2000, «Development of a wide
tuning range MEMS tunable capacitor for wireless communication systems», in
Proceedings of IEDM-00, IEEE, Washington, DC: 403-406.
Zou, J., Liu, C., Schutt-Aine, J.E., 2001, «Development of a wide tuning range two
parallel plate tunable capacitor for integrated wireless communication systems»,
International Journal of RF and Microwave CAE 11: 322-329.
; -• к,- л - <-> ан.;
ГЛАВА 5
ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ
МИКРОФИЛЬТРЫ
; - ,аз'
.о h -U - ' '
5.1. Введение
Миниатюризация фильтров является технически сложной задачей,
которой в последние годы уделяется большое внимание. Фильтры
оказывают влияние на распространение механических волн при их
прохождении между входными и выходными портами. Колебания —
пример таких механических волн. К этому классу устройств от-
носятся и фильтры, работающие с акустическими волнами, кото-
рые могут рассматриваться, как разновидность механических волн.
В составе некоторых фильтров нет механических компонентов, но
если они изготавливаются методами микротехнологий, они также
относятся к микрофильтрам. Объединяющим элементом всех ми-
крофильтров является технология их производства.
В устройствах связи используются несколько типов фильтров.
В зависимости от полосы частот, которую.они пропускают, их мож-
но разделить на:
- фильтры высоких частот,
- фильтры нижних частот,
- полосовые фильтры,
режекторные.
Однако в большинстве случаев в устройствах связи используются
полосовые фи’льтры с очень узкой полосой пропускания и резким
спадом частотной характеристики. Далее будут приведены некото-
рые рабочие параметры фильтров.
Самая важная характеристика фильтра — вносимые потери, ко-
торые определяются в виде отношения сигнала на выходе фильтра
к сигналу на его входе. Разработчики стремятся к минимизации
этого параметра внутри полосы пропускания. Добротность филь-
тра Q является характеристикой его полосы пропускания, которая
выражается через отношение энергий, накопленной и рассеянной в
течение одного периода. Ее часто определяют в следующем виде:
/о
Л/’
(5-1)
где /о — центральная частота, а А/ = /2 —/1 (рис. 5.1). Отсюда вид-
но, что добротность показывает эффективность работы фильтра в
терминах его частотных характеристик. Существует еще несколько
характеристик, используемых для описания фильтров:
- Спад частотной характеристики — скорость перехода пе-
редаточной характеристики фильтра из зоны пропускания в
полосу подавления,
- Коэффициент подавления сигнала в полосе заграждения —
сигнал, проходящий через фильтр на частотах вне его полосы
пропускания. Этот коэффициент выражается в децибелах и
часто соотносится с минимальным уровнем вносимых потерь.
Рис. 5.1. Параметры полосовых фильтров
На рис. 5.2 показана схема типовой современной персональной
системы связи. Такие системы способны работать со множеством
каналов связи, функционирующих одновременно. Выбор требуемого
канала осуществляется при помощи полосовых фильтров. Чем боль-
ше каналов расположено внутри ограниченного частотного спектра,
12 — 104X2
Глава 5. Высокочастотные микрофильтры
тем строже следующие требования к полосе пропускания фильтра:
- очень низкий уровень вносимых потерь,
- быстрый спад частотной характеристики,
- высокий коэффициент подавления сигнала вне полосы пронус-
кания.
усилитель
цифровой генератор
Рис. 5.2. Блок-схема беспроводного приемопередатчика
Для разных частотных диапазонов устройства беспроводной свя-
зи используют различные реализации фильтров. Самыми простыми
фильтрами являются схемы, состоящие из сосредоточенных кату-
шек индуктивности и конденсаторов. Но на практике такие филь-
тры используются в ВЧ устройствах нечасто из-за сравнительно
низких значений добротности. Другой подход — применение циф-
ровых фильтров, построенных на основе быстродействующих про-
цессоров и современных алгоритмов цифровой обработки сигналов.
Однако такие фильтры ограничены максимальной частотой выбор-
ки, что особенно сказывается на высоких частотах. Поэтому тре-
буется разработка альтернативных схем фильтров.
С самого начала развития телекоммуникационной техники для
получения требуемых характеристик, например, высокой добротно-
сти, использовались различные электромеханические фильтры, ко-
торые, как правило, состоят из электромеханических преобразова-
телей: одного на входе, другого на выходе, соединненных линией
передач. Используемые механические и электромеханические ком-
поненты обычно обладают сильным резонансом, что объясняется
высокой добротностью таких фильтров. Для моделирования элек-
тромеханических фильтров чаще всего применяется эквивалентная
схема, которая может быть переведена в электрическую форму для
упрощения проектирования и оптимизации. Для простоты анали-
5.1.
за предполагается, что преобразователи не имеют никаких потерь.
В главе 1 были описаны способы получения эквивалентных схем для
некоторых электромеханических преобразователей.
В разделе 5.2 обсуждаются методы моделирования компонен-
тов механических фильтров. Там же представлены модели резона-
торов, таких как балки, провода и мембраны, которые отвечают
за остроту резонансных характеристик электромеханических филь-
тров. Эти механические модели формируют базис для построения
электрических эквивалентных схем фильтров, для чего используют-
ся электромеханические аналогии. Характеристики механических
линий передач и элементов связи также оказывают существенное
влияние на работу фильтров, поэтому они также рассматриваются
в разделе 5.2.
Высокодобротные фильтры, имеющие в своем составе механиче-
ские резонансные элементы, широко используются во многих систе-
мах связи и радарах, работающих в килогерцовом частотном диапа-
зоне. При увеличении частоты размеры фильтров уменьшаются и, в
конце концов, их становится практически невозможно изготовить.
Поэтому ВЧ электромеханические фильтры очень дороги и не при-
годны для массового производства. Поскольку для широкого рас-
пространения современных телекоммуникационных устройств не-
обходимо снижать их стоимость, требуется разработка принципи-
ально новых схем, способных заменить механические фильтры.
Принципы действия механических фильтров могут быть приме-
нены к миниатюрным устройствам, способным работать на более
высоких частотах. Такие фильтры работают на частотах до десят-
ков МГц и при правильном монтаже обладают добротностью бо-
лее 1000 (Bannon, Clark, Nguyen, 2000). В таких устройствах элек-
трическая энергия превращается в форму механической энергии,
например, в колебания электромеханического преобразователя на
входе фильтра. Полученная механическая энергия через механиче-
скую линию передач поступает на второй электромеханический пре-
образователь, превращающий ее обратно в электрическую энергию.
Механические и электромеханические компоненты, используемые в
таких фильтрах, обычно имеют высокую частотную чувствитель-
ность. Их механический резонанс определяет рабочую полосу ча-
стот всего устройства. Вопросы проектирования таких микроэлек-
тромеханических фильтров (микрофильтров) обсуждается в разде-
ле 5.3. Отметим, что в этой главе термины: ВЧ микрофильтры и
электромеханические микрофильтры являются равнозначными. При
340 Глава 5. Высокочастотные микрофилътры
небольших изменениях такие фильтры могут работать в области
очень высоких частот (ОВЧ).
Существующие технологии позволяют изготавливать микрофиль-
тры, работающие на частотах порядка 100 МГц, и планарные рас-
пределенные фильтры — до частот нескольких ГГц. Фильтры и
резонаторы на поверхностных акустических волнах (ПАВ) пере-
крывают этот диапазон и позволяют реализовывать высокодоброт-
ные устройства с рабочими частотами до 2 ГГц (Campbell, 1983).
В состав таких устройств входит встречно-штыревой (гребенча-
тый) преобразователь (ВШП), запускающий поверхностные акусти-
ческие волны по пьезоэлектрической подложке. На выходе устрой-
ства, как правило, стоит аналогичный преобразователь, превраща-
ющий акустические волны в электрические сигналы. Такие устрой-
ства очень чувствительны к изменению частоты и поэтому могут
использоваться в конструкциях фильтров. Вопросам проектирова-
ния ВШП и распространения ПАВ посвящен раздел 5.4. В настоящее
время при помощи современных методов микрообработки возможно
прецизионное изготовление таких планарных устройств. Предельно
допустимые характеристики рассматриваемых устройств, как пра-
вило, объясняются технологическими ограничениями, что также об-
суждается в этом разделе. Для более высоких частот используются
фильтры на объемных акустических волнах (ОАВ), некоторые идеи
для построения которых описаны в разделе 5.5. Также отметим, что
благодаря обоим типам фильтров: на ПАВ и ОАВ, стал возможным
прогресс в развитии современных микросистем связи.
В ВЧ и СВЧ диапазонах для реализации фильтров широко ис-
пользуются распределенные компоненты. Добротность фильтров при
таком подходе ограничивается паразитными эффектами. Планар-
ные фильтры на тонких диэлектрических мембранах обладают низ-
кими потерями и подходят для недорогих, компактных и быстро-
действующих монолитных СВЧ схем. Хотя такие фильтры не явля-
ются механическими, они обсуждаются в разделе 5.6. В разделе 5.7
приведены краткие выводы по всей главе. 4 .с
4 5.2. Моделирование механических фильтров
В предыдущем разделе было дано краткое описание электромехани-
ческих схем преобразователей. Рассматриваемые преобразователи
ведут себя как резонаторы и для их анализа используются элек-
трические и механические характеристики. Важными механически-
ми характеристиками фильтров являются резонансная частота и
5.2. Моделирование механических
добротность. Для улучшения рабочих характеристик фильтров не-
сколько резонаторов могут объединяться вместе при помощи соеди-
нительных элементов, например, проводов. Количество используе-
мых резонаторов сильно влияет на форму рабочих характеристик
фильтра, поскольку их резонансная частота определяет централь-
ную частоту полосы пропускания фильтра. При увеличении экви-
валентной массы резонаторов или коэффициента упругости соеди-
нительных проводов происходит уменьшение полосы пропускания
фильтра.
Несмотря на разную форму резонаторов, используемых в микро-
устройствах, понимание их принципа действия помогает при про-
ектировании фильтров на их основе. Поэтому в этом разделе приво-
дятся методы математического моделирования таких компонентов.
5.2.1. Моделирование резонаторов
Механические свойства резонаторов зависят от их формы, типа ис-
пользуемых материалов и от соответствующего вида колебаний. Су-
ществует несколько классических описаний резонансных колебаний
балок, стержней, тонких пластин и дисков, полезных при разработ-
ке фильтров. В случаях, когда один из размеров резонатора сильно
отличается от остальных двух, его математический анализ срав-
нительно прост. Для таких резонаторов несложно вывести уравне-
ния для описания продольных, крутильных, изгибных и радиальных
колебаний. Для толстых резонаторов такой анализ уже весьма не-
прост. В работе (Jonson, 1983) приведен анализ сложных форм ре-
зонаторов, имеющих форму гантелей и вилок. В этой книге такие
сложные резонаторы рассматриваться не будут.
Для упрощенного анализа примем несколько предположений (Jon-
son, 1983):
- Колебания имеют небольшую амплитуду, а зависимость де-
формации от напряжений является линейной;
- В системе нет внутренних потерь и внешнего затухания коле-
баний из-за сопротивления воздуха и т.д;
- Силой тяжести и магнитными силами можно пренебречь.
Анализ резонаторов проводится в следующей последовательности
действий (Jonson, 1983):
(1) Составляются дифференциальные уравнения, описывающие рас-
пространение волны внутри резонатора. Они, как правило,
имеют второй или четвертый порядок по пространственным
-:i i координатам и второй порядок по времени.
Глава 5. Высокочастотные микрофильтры
(2) Для исключения зависимости от времени уравнения решаются
для синусоидальных колебаний, которые записываются в век-
торном виде.
(3) Решения уравнений представляются в виде тригонометриче-
ских и гиперболических функций или функций Бесселя.
(4) Для исключения констант в решения уравнений подставляют-
ся граничные условия. Определяются выражения частоты для
разных типов волн.
(5) Полученные выражения подставляются в исходное дифферен-
циальное уравнение и находится зависимость между номером
волны и частотой.
(6) При помощи этой зависимости и уравнения для частоты опре-
деляется резонансная частота для различных типов волн коле-
баний.
(7) Находится эквивалентная масса в виде эквивалентной сосредо-
точенной массы, помещенной в определенном месте на резона-
торе, которая соответствует кинетической энергии элемента
с распределенными параметрами, вибрирующего на заданном
типе волны и резонансной частоте.
Далее будут обсуждаться динамические свойства резонаторов
разной формы. Поскольку подробный вывод уравнений для каждо-
го случая занял бы много места, в книге будут приведены толь-
ко исходные дифференциальные уравнения, уравнения для частоты,
выражения для резонансной частоты и эквивалентной массы.
5.2.1.1. Стержневой резонатор с продольной волной
На рис. 5.3 показана схема возникновения продольной волны в тон-
ком стержне. Материал стержня имеет плотность р и модуль Юнга
Е. Уравнение волны в этом случае можно записать в виде:
Д Э2ц Э2н Д
< Рд.с nt'2'
где и показано на рис. 5.3. Используя векторную запись для исключе-
ния временной зависимости, найдем решение уравнения (5.2) в виде
тригонометрических функций. Считая, что оба конца стержня сво-
бодны, уравнение для частоты будет следующим:
knl = П7Г, п = 1, 2, 3, ...
(5-3)
Из уравнения волны находится зависимость между константой рас-
5.2. Моделирование механических фильтров
пространения волны и частотой аг.
(5-4)
Отсюда выводится выражение для резонансной частоты:
1/2
(5-5)
Перемещение ип(х) для n-ой волны можно записать в виде:
, ч . тгх
ип\Х) = Л cos ——
(5-6)
где А — константа.
Рис. 5.3. Резонатор с продольной волной колебаний. Репродукция из книги
R.A. Johnson, 1983, Mechanical Filters in Electronics, Wiley Inter-
science, New York, с разрешения Wiley, ©1983 Wiley
Для продольной волны в тонком стержне выражение для экви-
валентной массы имеет вид:
Meqx=:— / (Vo cos knx)2 pAdx, (5.7)
V0 J
0
где Vb — скорость при x = 0.
Глава 5. Высокочастотные микрофилътры
Если радиус стержня больше десятой части длины волны, в урав-
нении для перемещения необходимо учитывать радиальные измене-
ния. Тогда выражение для резонансной частоты принимает вид:
2т1/2
21
(5-8)
5.2.1.2. Стержневой резонатор с волной кручения
Рис. 5.4. Резонатор с волной кручения. Репродукция из книги R.A. John-
son, 1983, Mechanical Filters in Electronics, Wiley Interscience, New
. York, с разрешения Wiley, ©1983 Wiley
На-рис. 5.4 показана схема возникновения волны кручения в стерж-
не. Уравнение волны в этом случае совпадает с уравнением про-
дольной волны. Угловое перемещение и резонансная частота имеют
следующий вид:
0 = 0ocos~, (5.9)
•. ... t k- I
n fG\1/2
21 \ р)
(5.10)
где G — модуль кручения, Oq — угловое перемещение на конце
стержня. Выражение для эквивалентной массы записывается как:
Meq\r,l = Fpltt4 [4r2 cos2 )] • (5.11)
5.2.1.3. Стержневой резонатор с волной изгиба
Схема возникновения волны изгиба в стержневом резонаторе пока-
зана на рис. 5.5. Уравнение имеет вид:
д4и рА д2и •’"'
• дх4 El dt2 ’ г • .,*ь ' (5-12)
где I — изгибающий момент инерции, который для прямоугольного
стержня шириной w и толщиной h равен:
_ wh3
~~ ТГ’
а для круглого стержня радиуса а —
4
J _ 7Г®
4
Рис. 5.5. Волна изгиба в стержневом резонаторе. Репродукция из книги
R.A. Johnson, 1983, Mechanical Filters in Electronics, Wiley Inter-
science, New York с разрешения Wiley, ©1983 Wiley
Если оба конца стержня свободны или, наоборот, закреплены,
уравнение для частоты находится из выражения:
.
cos kl = ———. (5.
cosn Kl
Корни этого уравнения равны: кц = 4.73, «21 = 7.853, «31 = 10.996,
«41 = 14.137, ....
Дисперсионная зависимость между константой распространения
волны и частотой имеет вид:
(5.16)
к4 = ^ш2.
EI
Глава 5. Высокочастотные микрофильтры
Отсюда находится выражение для резонансной частоты волны из-
гиба: •
. _ (М2
” 2тг/2
1/2
(5-17)
Уравнение для эквивалентной массы имеет следующий вид:
Meqx = pAll 4
Мж)
пп(0)
-1
(5Л8)
5.2.1- 4- Резонаторы с изгибающимся диском
На рис. 5.6 показана схема возникновения волны изгиба в дисковом
резонаторе. Ее уравнение в прямоугольных координатах имеет вид:
д4и д4и д'1 и _ 1 д2и
дх4 + ду4 дх~ду‘2 с2 dt2
Это уравнение проще всего решать в цилиндрической системе ко-
ординат:
и(г, в) = [AJn(kr) + BIn(kr)] cos пв. (5.20)
Рис. 5.6. Волна изгиба в диске. Репро-
дукция из книги R.A. Johnson, 1983, Me-
chanical Filters in Electronics, Wiley In-
terscience, New York с разрешения Wiley,
©1983 Wiley
5.2. Моделирование механических фильтров 347
Найденное выражение для частоты можно записать как:
" 2(ц - 1) + + ^1] = 0. (5.21)
Дисперсионная зависимость в данном случае имеет вид:
, 9 Ш * '
k =- ; tJ . (5-22)
Отсюда находится выражение для резонансной частоты:
, .2 h Г Е 11/2
А = 771--------21 • (5.23)
тга2 (Зр( 1 — ц2)
Здесь индекс s соответствует центральной волне с круговой поля-
ризацией изгибных колебаний. Уравнение для перемещения имеет
вид:
u(r)s = A I0(kr)
Л(Ма
Jo(M«
Jo (-(ka)s
(5.24)
При s = 1 эквивалентная масса определяется выражением:
Meq
— 0.247Мstatic
(5.25)
5.2.1.5. Толстые диски и пластины
Дифференциальное уравнение, соответствующее колебаниям тол-
стой круглой пластины, записывается как:
д4и д4и д4и ph д2и
дх4 ду4 дх2ду2 D dt2'
(5.26)
где р — плотность материала, h — толщина пластины, a D — ее
диаметр.
Дисперсионная зависимость имеет вид:
А:4 = ^ц>2,
(5.27)
а резонансная частота задается выражением:
_1_
2л \ph J а2
(5.28)
Глава 5. Высокочастотные микрофильтры
9
I
Здесь ап — корни характеристического уравнения (ап = кпа):
Jo(ka)I'o(ka) — lo(ka) J^ka) = 0.
Перемещение определяется как:
(5.29)
(5.30)
5.2.1.6. Круговые и прямоугольные мембраны
Для круговой мембраны радиуса а двумерное уравнение распро-
странения волны в полярных координатах с началом координат в
центре мембраны имеет вид:
<92а 1 ди 1 ди р" д2и _ ,
дг2 + г дг + г2 дф F' dt2 ’
где р” — масса на единицу площади мембраны, F' — напряжение
на ее краях. Дисперсионное соотношение для этого случая записы-
вается как:
к = ш
£V/2
F' J
(5.32)
Решение дифференциального уравнения в пространстве имеет сле-
дующий вид:
и(г,ф) = A cos гпф.}Г1, Г т>пГ\ , ' (5.33)
где А — произвольная константа, «т.п — значения а при Jm(aa) = 0,
удовлетворяющие граничным условиям. Тогда резонансная частота
задается следующим выражением:
, атп fF'\1/2
Jm,n — ~Т, I
2тга \р /
(5.34)
Для первых пяти значений резонансной частоты волновые коэффици-
енты в уравнении (5.34) равны: «oi = 2.406, «02 = 5.52, «оз = 8.654,
«04 = П.792 и «05 = 14.931.
При применении прямоугольной мембраны дифференциальное
уравнение меняется. В декартовых координатах его решение имеет вид:
. . ттгх . птту
и(х, у) = Asm------sin----,
а Ь
(5.35)
5.2. Моделирование механических
где а и Ь — размеры мембраны в направлениях ж и у, Л — кон-
станта, тип — положительные целые числа, которые не могут
одновременно равняться нулю.
Резонансная частота определяется выражением:
(5.36)
5.2.2. Компоненты линий связи
При описании механических резонансных характеристик соедини-
тельных компонентов, таких как балки, струны и планки, использу-
ют те же выражения, что и для традиционных механических филь-
тров. Хотя микрокомпоненты не всегда ведут себя как элементы
нормальных размеров, такой анализ помогает смоделировать пове-
дение системы в целом. Для микрокомпонентов сначала старают-
ся разработать эквивалентную модель, считая их идеальными ли-
ниями передач. Как упоминалось ранее, разработка электрических
эквивалентных схем отдельных компонентов значительно облегчает
разработку всего фильтра. Эквивалентные схемы разрабатываются
при помощи электромеханических аналогий. Для определения резо-
нансных характеристик используются уравнение распространения
волны с соответствующими граничными условиями.
5.2.2.1. Электрические линии передач
Для упрощения составления эквивалентной схемы отдельных микро-
компонентов кратко рассмотрим эквивалентную схему двухпровод-
ной электрической линии передач, в которой нет никаких потерь.
Значения распределенных компонентов, показаных на рис. 5.7, со-
ответствуют единице длины линии. Уравнения тока и напряжения
для линии передач, составленные по данной модели, можно найти
во многих учебниках, посвященных анализу электрических цепей
и основам электромагнетизма. Однако для того, чтобы грамотно
составлять эквивалентные схемы микрокомпонентов полезно пони-
мать физические принципы распределенных линий.
Магнитная проницаемость используемых металлов и влияние ин-
дуктивности на изменение фаз токов на разной глубине линии явля-
ются причинами появления в эквивалентной схеме элементов индук-
тивности L. Диэлектрическая проницаемость среды между провод-
никами и геометрия линии отражаются в емкостных элементах С.
Потери в проводниках и диэлектриках могут быть учтены в до-
полнительных компонентах проводимости G. Аналогично этому в
Глава 5. Высокочастотные микрофилътры
эквивалентную схему можно ввести резистивные элементы, в ко-
торых отражены проводимость металлов, геометрические особен-
ности линии, такие как ее длина и поперечное сечение, потери на
излучение и влияние глубины поверхностного слоя. Если предпола-
гается, что в линии нет потерь, элементы резистивности и проводи-
мости пропадают, тем самым значительно упрощая эквивалентную
схему.
Рис. 5.7. Эквивалентная схема
линии передач
Основными дифференциальными уравнениями для этой модели
являются следующие:
^ = -(G + jwC)V, (5.37)
=-(В +' (5.38)
Дифференцируя уравнение (5.38) и подставляя результат .в уравне-
ние (3.37), получаем:
(5,39)
Аналогично выводим следующее соотношение: ,,,
72/ 2 ' ' / ч
. . <5-40>
В уравнениях (5.39) и (5.40) комплексная константа распростране-
ния волны имеет следующий вид:
7 = [(R + jcoL^G + juC)]1^. > (5.41)
Комплексное число можно всегда выразить как: ’ > « ’ « ‘
7 = «+Ж (5.42)
5.2. Моделирование механических
где а — константа ослабления волны, /3 — константа распростра-
нения волны в среде.
Решение рассматриваемых дифференциальных уравнений может
быть записано в виде:
V - V|(: ". (5.43)
. .. r I = he-^z + I2e+^z. (5.44)
Характеристический импеданс линии задается выражением:
_ (R + juL^2
° \G+jwCj
(5.45)
В случае идеальной линии передач, когда отсутствуют потери, кон-
станта распространения волны становится равной:
Д = w(LC)1/2.
(5.46)
Характеристический импеданс идеальной линии передач определя-
ется выражением:
/М1/2 ..........
Zq= (5.47)
у С/ / ; t
Фазовая скорость распространения волны в линии равна:
v = (LC)~l/2.
(5.48)
Интерес представляет линия передач конечной длины. Короткоза-
мкнутая линия, равная четверти длины волны, ведет себя как па-
раллельный резонансный контур. Для определения входного импе-
данса такой линии передач находится отношение уравнений (5.43) и
(5.44). Для короткозамкнутой линии входной импеданс описывается
уравнением:
Zin = ZotanhyZ = Zo
sinh al cos Д/ + j cosh al sin (31
cosh al cos Д/ + j sinh al sin (31
(5.49)
Применяя граничные условия, получаем, следующие условия резо-
нанса:
п — целое четное число. (5.50)
Соответствующая резонансная частота равна:
пи
у,
(5.51)
Глава 5. Высокочастотные микрофильтры
где v — скорость распространения электромагнитных волн в среде
между проводниками линии передач. Используя условие резонанса
(5.50), можно упростить уравнение (5.49):
cosh а/ Zo Zo /г
.. Ап — 0-т-7--7“ 7---(5.52)
sinhm tana/ al
При выполнении этих условий можно вывести выражение для
добротности резонирующего сегмента. На частотах, близких к ре-
зонансной частоте /о, выполняется следующее:
27Г/ 27Г (Уо + <5/), П7Г 2тгё fl
pl = ---1 — ------------1 = — -I-------. (5.55
v v 2 v
Подставляя это уравнение в выражение (5.49) после тригонометри-
ческих преобразований, получаем выражение для входного импе-
данса:
_ — sinha/ sin(27r<5///r) + j cosha/ cos(27t<5///h)
m ° — cosha/sin(27r<5///r) + j sinha/cos(27r<5///r) ’
Для малых аргументов тригонометрических функций это выраже-
ние принимает вид:
Ап — А)
27rSfl\ 1
al + 3------
v 7
(5.55)
При сравнении этого выражения с уравнением (5.52) видно, что
при равенстве мнимой и действительной части знаменателя в урав-
нении (5.55), входной импеданс становится равным половине импе-
данса на резонансной частоте. Таким образом, девиация частоты
определяется следующим выражением:
„ _ av a f0
= = (5.56)
,. 27Г р
Отсюда находится соответствующее значение добротности:
Q = = L <557’
Далее рассматриваются некоторые системы, используемые в ме-
ханических фильтрах, и когда необходимо, будут даны ссылки на
вышеприведенный материал.
5.2. Моделирование механических
5.2.2.2. Предположения и теоремы для механического
моделирования
Для упрощения процесса моделирования все дальнейшие рассужде-
ния ограничиваются однородными, изотропными, бесконечными, уп-
ругими твердыми элементами, в которых нет потерь. Для микро-
систем эти предположения будут справедливы только при выполне-
нии условия, что размер зерна кристаллического материала гораздо
меньше длины волны. Также предполагается, что твердый элемент
совершает вибрации относительно своего состояния покоя, при этом
амплитуда этих колебаний практически одинакова вдоль всей дли-
ны элемента. Из закона упругости следует, что нормальное напря-
жение <7Ж, возникающее из-за деформации элемента в направлении
распространения волны ж, определяется следующим соотношением:
<?х — E\£xi
(5.58)
где Е\ — продольный модуль упругости материала, а ех — относи-
тельное изменение толщины элемента (его деформация). Выраже-
ние для продольного модуля упругости имеет вид:
F = F t1"*»)
^(1 + ц)(1-2ц)’
(5.59)
где Е — модуль упругости материала, а ц — коэффициент Пуассона.
Деформация прямоугольного элемента в поперечном направле-
нии превращает его в параллелограмм:
xy - Тух — G^xyi
(5.60)
где Тху и Тух — тангенциальные (касательные) напряжения на эле-
менте, уху — угол сдвига, a G — модуль сдвига. Для длинных тон-
ких пластин в соответствии с законами Гука и Пуассона можно на-
писать следующие соотношения:
F = SE~
да д1
— = ~И~Г
а I
(5.61)
(5.62)
где F — приложенная сила, S — площадь поперечного сечения,
51/1 — относительное удлинение (сжатие), 5а/а — относительное
изменение поперечных размеров.
5.2.2.3. Продольная волна в твердой пластине
Рассмотрим длинную тонкую твердую пластину длиной I с одина-
ковой площадью поперечного сечения S вдоль всей длины, разме-
щенную по направлению оси х. Небольшая деформация в направле-
нии оси х в поперечном сечении приводит к появлению внутрен-
них сил упругости F(x). Результирующее смещение точки х рав-
но £(х). Из второго закона Ньютона следует, что сила, действу-
ющая на тело, равна произведению массы тела на его ускорение.
Тогда для элемента пластины длиной dx можно записать соотношение:
—F(x + dx) + F(x) = pSdx^p-. (5.63)
После реорганизации членов получим:
dF _ dv
Эх ~(df
(5.64)
Для выражения силы через перемещение применим закон Гука (урав-
нение (5.61)):
~ SE----di----“ SESi~'
(5.65)
После дифференцирования по времени и некоторых преобразований
получаем:
dv _ 1 dF
дх SE dt '
(5.66)
Для исключения зависимости от времени в уравнениях (5.64) и (5.66)
считаем, что вибрации в системе подчиняются синусоидальному за-
кону. Тогда, применив векторную запись, получим следующие вы-
ражения:
dF
dx
-jwpSv,
(5.67)
(5.68)
Сравнивая уравнения (5.67) и (5.68) с уравнениями для идеальной
линии передач (7? = G = 0) (5.37) и (5.38), нельзя не заметить их уди-
вительную схожесть. Теперь, применив электромеханические ана-
логии, можно построить для пластины эквивалентную схему линии
передач.
dv = 3“ p
dx SE ’
5.2. Моделирование механических
Также интересно определить константу и скорость распростра-
нения волны для такой эквивалентной линии передач. При помощи
уравнения (5.48) находим выражение для скорости волны в пластине:
^у/2
р )
Св
(5.69)
Уравнение для константы распространения имеет вид:
/3 -- ш
£?/2
е)
(5.70)
5.2.2.4- Линия передач на основе натянутой струны
В возбужденном состоянии натянутая струна совершает колебания
вокруг положения покоя, формируя при этом поперечные стоячие
волны. Для упрощения анализа будем рассматривать идеальную гиб-
кую струну с постоянной массой на единицу длины. Также пред-
полагаем, что возбуждающие усилия малы и приложены в напра-
влении, поперечном длине струны. В произвольной точке х, распо-
ложенной на струне, поперечная составляющая напряжения равна
(рис. 5.8):
Fx =—Тs'ma —Тtana =—Т—, (5-71)
где а — угол между исходным положением струны и касательной
к перемещению струны в точке х. После дифференцирования этого
выражения по времени, получим:
dvx 1 dFx
dz Т dt ’ k '
где vx — поперечная составляющая скорости.
Теперь рассмотрим небольшой элемент струны длиной dx и при-
меним -(к нему второй закон Ньютона. Для поперечных составляю-
щих сил справедливо следующее соотношение:
Fx(z) - Fx(z + dz) = -(~^-dz = p dz^p-, (5.73)
dz dt
где p' — линейная плотность массы струны. После упрощения получим:
-Fx^ =-р’(]^. (5.74)
dz dt
..Ан..
Рис. 5.8. Распределение напряжений в натянутой струне. Репродукция из
книги М.Rossi, 1998, Acoustics and Electroacoustics, Artech House,
J - Norwood, MA, с разрешения Artech House, ©1988 Artech House
К.
В векторной форме уравнения (5.72) и (5.74) приобретают вид:
(5.75)
az
• (5.76)
Рис. 5.9. Эквивалентная схема для струны,
о построенная при помощи модели линии пе-
редач. Репродукция из книги М.Rossi, 1998,
Acoustics and Electroacoustics, Artech House,
Norwood, MA, с разрешения Artech House,
©1988 Artech House
о-------------------------о
Очевидна схожесть этих выражений с уравнениями тока и на-
пряжения (5.37) и (5.38) для линии передач. Таким образом, для по-
строения эквивалентной схемы для струны, можно воспользоваться
электромеханическими аналогиями (рис. 5.9). Скорость распростра-
нения волны в струне определяется выражением:
/уч V2
v = I —
\Р)
(5-77)
-JfllHU.
5.3. Микрофильтры
5.2.3. Основные элементы механических фильтров
Механические фильтры состоят из последовательности резонато-
ров, соединенных при помощи элементов, рассмотренных выше. Все
эти компоненты влияют на рабочие характеристики фильтров. На-
пример, количество резонаторов определяет форму сигнала на вы-
ходе фильтра, а от их резонансной частоты зависит центральная
частота полосы пропускания фильтра. Коэффициент упругости со-
единительных проводов и эквивалентная масса резонатора влияют
на ширину частотной полосы фильтра. Теперь перейдем к рассмо-
трении механических микрофильтров, при этом будем использовать
знания об их традиционных аналогах.
5.3. Микрофильтры
Механические микрофильтры разрабатываются на основе принци-
пов построения традиционных механических фильтров. Однако при
разработке микроустройств всегда приходится учитывать размеры
структур, соразмеримые с длиной волны, неидеальность граничных
условий и прочие эффекты нелинейности. Поэтому не все конструк-
ции, обсуждаемые ранее в этой главе, можно реализовать в микро-
фильтрах.
Разработчики стремятся разрабатывать микрофильтры, разме-
ры которых позволяют их интегрировать с другими элементами
схем на одном кристалле. Традиционные фильтры, реализованные
на кварцевых генераторах, не подходят для такой миниатюризации.
Поэтому в последние годы большое внимание уделялось разработ-
ке микрофильтров на основе механических фильтров, изготавли-
ваемых по традиционным технологиям производства ИС, которые
легко интегрируются с остальными элементами схем.
При использовании последовательности резонансных контуров,
соединенных друг с другом, улучшаются рабочие характеристики
микрофильтров. В общем виде, количество контуров определяет по-
рядок фильтра (порядок фильтра — это порядок его полиноминаль-
ной передаточной функции). Чем выше порядок фильтра, тем лучше
его частотная избирательность. Но при повышении порядка филь-
тра, возрастают вносимые потери, что может быть скопменсирова-
но высокой добротностью разрабатываемых фильтров.
В этой главе будут рассмотрены только электростатические ми-
крофильтры, хотя на практике применяются другие механизмы упра-
вления. В традиционных электромеханических фильтрах обычно ис-
пользуются приводы с параллельными пластинами. В микрофиль-
Глава 5. Высокочастотные микро фильтры
трах же самым распространенным являются электростатические
гребенчатые приводы, совершающие колебательные движения в плос-
кости, параллельной подложке, которые будут рассмотрены в сле-
дующем разделе.
5.3.1. Электростатический гребенчатый привод
Хотя электростатический привод с параллельными пластинами и
подходит для построения микрофильтров, такая конфигурация при-
водит к нелинейности характеристик фильтра, что вызывает ча-
стотную нестабильность при фильтрации сигналов (Nguyen, 1995).
Поэтому для разработки микрофильтров предпочтительнее исполь-
зовать другие конструкции электростатических приводов. На рис. 5.10
показана одна из таких конструкций — схема горизонтального элек-
тростатического гребенчатого привода (Tang, Nguyen, Howe, 1989).
Конфигурация гребенчатых приводов, как правило, состоит из двух
резонаторов. Возможны два варианта структур. Первый вариант —
двухпортовая конфигурация, в которой один гребенчатый резона-
тор является управляющим элементом, а второй — чувствитель-
ным, реагирующим на изменение емкости. Во втором варианте оба
гребенчатых резонатора управляются по отдельности, в то время
как сенсорные функции выполняются за счет отслеживания фазо-
вого сдвига импеданса при выполнении условий резонанса. Система
крепления поддерживающей балки обладает большой упругостью,
что позволяет снижать остаточное напряжение в структурном слое.
Рис. 5.10. Горизонталь-
ный электростатический
гребенчатый привод. Ре-
продукция из книги W.C.
Tang, Т.С.Н. Nguyen,
R.T. Howe, 1989, «Lat-
erally driven polysilicon
resonant, microstructures»,
Sensors and Actuators
20: 25-32 с разрешения
Elsevier Science, ©1989
Elsevier Science
В двухпортовой конфигурации и управляющая сила, и чувстви-
тельность на выходе пропорциональны изменению емкости, вызван-
ного горизонтальным смещением гребенчатого механизма, дС/дх.
При подаче управляющего напряжения vp смещение равно (Tang,
Nguyen, Howe, 1989):
= 1 2 дС_
ks 2ksV° дх'
(5.78)
где Fx — составляющая электростатической силы, направленная
вдоль оси х, a ks — коэффициент упругости системы. Предполагая,
что крепления поддерживающей балки являются жесткими, можно
записать аналитическое выражение для коэффициента упругости:
El (W\
ks = 24— = 2Eh —
LA \L
(5.79)
Для обеспечения стабильности управляющее переменное напря-
жение с амплитудой Vd смещается при помощи постоянного напря-
жения Vp:
vd = VP + Vd
(5.80)
Для снижения управляющего напряжения в приводах данного ти-
па между электродами необходимо делать очень маленький зазор.
Для получения субмикронных зазоров подходит метод окисления со-
вместно с соответствующей послеоперационной юстировкой (Hirano
et al, 1992).
Подставляя уравнение (5.80) в выражение (5.78) и дифференци-
руя его по времени, получаем:
дх _ J dCdV% _
dt 2ks дх dt
1 dC
----— (2VpVdW cos wt + fjca sin 2u>t) . (5.81)
2ks dx
Для случая, когда амплитуда переменного напряжения намного мень-
ше постоянного напряжения смещения, членом второй гармоники в
правой части выражения (5.81) можно пренебречь. Для получения
модуля •Электромеханической передаточной функции, равной отно-
шению вектора перемещения X к вектору управляющего напряже-
ния Vd при выполнении условий резонанса, модуль выражения (5.81)
умножается на величину добротности:
X
Vd
VpcuQ dC
ks dx
(5.82)
Из этого выражения видно, что поскольку величина дС/дх не зави-
сит от смещения х, гребенчатый привод имеет линейную электро-
Глава 5. Высокочастотные микрофильтры
механическую передаточную функцию, устанавливающую зависи-
мость между смещением и управляющим напряжением. Необходимо
помнить, что это справедливо только для случая, когда амплитуда
переменной составляющей управляющего напряжения гораздо мень-
ше постоянного напряжения смещения.
Выражение для оценки добротности такой структуры имеет вид:
Ь’
Q = -^-(Мьк^2, . /" (5.83)
где d — зазор между пластинами и подложкой, ц — абсолютная вяз-
кость воздуха, Ар — площадь поверхности пластины, а Мь — масса
поддерживающей балки. На практике добротность системы регули-
руется при помощи последовательных резисторов, подключаемых к
входным и выходным цепям (Nguyen, 1995).
Величина тока на сенсорном порту схемы определяется следую-
щим выражением:
дС дх
is ~ "Б яй"’
дх dt
(5.84)
где Vs — напряжение на сенсорном электроде. Подставляя уравне-
ние (5.81) в выражение (5.84), находим модуль проводимости всей
резонансной структуры:
д
Vd
VpVsuQ
kg
(5.85)
Резонансная частота структуры определяется по формуле Релея:
± ( к° У/2
2л \МР + 0.3714Мь)
(5.86)
1
~l) Мр + 0.3714Мь
При изготовлении гребенчатых приводов применяется одна маска,
что значительно упрощает их разработку и позволяет снизить их
стоимость.
Для снижения паразитной емкостной связи между входным и вы-
ходным портами в систему включается планарный электрод зазем-
ления, который также используется для подавления нежелательных
видов колебаний.
шИМШк.
5.3. Микрофильтры
5.3.2. Микрофильтры, использующие
гребенчатые приводы
Для улучшения рабочих характеристик фильтров несколько резо-
нансных структур соединяются вместе: либо последовательно, ли-
бо параллельно. На рис. 5.11 показаны варианты таких соединений
(Lin et al, 1992). В последовательном фильтре для объединения двух
резонаторов используется соединительная пружинная конструкция.
соединительная пружина
(а)
. Рис. $.11. Соединение резонаторов: а — последовательное, б — параллель-
ное. Репродукция из книги L. Lin, С.Т.-С. Nguyen, R.T. Howe,
А.Р. Pisano, 1992, «Micro electromechanical filters for signal process-
ing», IEEE Conference on Micro Electro Mechanical Systems ’92,
February 4-1 1992, IEEE, Washington, DC с разрешения IEEE,
©1992 IEEE
В параллельной конфигурации полосового фильтра входные и вы-
ходные выводы резонаторов соединяются параллельно таким обра-
зом, чтобы их выходные токи складывались. По такому же прин-
ципу можно реализовать и режекторный фильтр, для этого выводы
включаются так, чтобы токи складывались в противоположных фазах.
Здесь предполагается, что массой соединительной балки мож-
но пренебречь. Полоса пропускания фильтра зависит от отношения
коэффициентов жесткости соединительной балки (ksij) и балки ре-
зонатора (кг) и определяется следующим выражением:
ширина полосы пропускания =
fb ksij
knij ^‘r
(5.87)
где fb — центральная частота фильтра, knij — нормализованный
коэффициент связи, используемый при проектировании фильтра.
Разработчики стремятся проектировать резонаторы с небольшой
разницей между резонансными частотами, поскольку от этого за-
висит добротность фильтра:
Г = (5.88)
При выполнении этого условия фильтр обладает плоской и сим-
метричной частотной характеристикой, а резонаторы имеют одина-
ковые полосы пропускания шириной 3 дБ и одинаковые резонансные
амплитуды. Другими словами, разность резонансных частот резо-
наторов равна 3-дБ ширине полосы фильтра. Для получения кру-
того среза и плоской частотной характеристики фильтра требует-
ся параллельно подключать большое число резонаторов. Требуемое
количество резонаторов можно определить по формуле:
N =
fu-fL
h
(5.89)
где fu — самая высокая резонансная частота, Д — самая низкая
резонансная частота. Для такого фильтра, состоящего из п после-
довательных резонаторов, выражение передаточной функции, по-
лученное при помощи уравнения (5.85), принимает следующий вид:
^вых _ • т/ т/ (дС \ (дС \
Т7 *РвХ *РвЫХ I 1 I I
*вХ \ / вх \ / вых
(5.90)
х \C'2n(j<^)2n + C2n-10w)2” + • • • + Со]
На рис. 5.12 показаны фотография фильтра, его механическая
модель и соответствующая ей электрическая эквивалентная схема.
(б)
Рис. 5.12. а — фотография и механическая модель микромеханического
фильтра, б — его эквивалентная схема. Репродукция из книги
К. Wang, C.T.-C. Nguyen, 1997, «High-order Micromechanical fil-
ters», Proceedings of 1997 International Microelectromechanical Sys-
tems Workshop, IEEE, Washington, DC: 25 30 с разрешения IEEE,
©1997 IEEE
Выражения для эквивалентной массы, коэффициента упругости и
коэффициента затухания для г-г о резонатора механической модели
могут быть записаны так (Lin, Howe, Pisano, 1998):
N
Mt = Мрг + 0.3714МЬг, (5.91)
/ \ з
ki = 2Eph (^) ,
\ -^2 J
(5.92)
Глава 5. Высокочастотные микрофильтры
(5.93)
Т . -X/
где Mpi — масса пластины и Мы — масса опорной балки г-го ре-
зонатора, Wi и Li — ширина и длина подвесной системы г-го резо-
натора, h — толщина структур из поликремния, а Ер — их модуль
Юнга. Коэффициент жесткости соединительной пружины опреде-
ляется при помощи выражения:
/ Wn \ 3
kij = EPh ( —1 )
\LtjJ
(5.94)
Используя электромеханические аналогии, описанные в главе 1, по-
лучим параметры электрической эквивалентной схемы, соответству-
ющие механическим параметрам фильтра (Lin, Howe, Pisano, 1998):
Miy (5.95)
Ci = ifkj (5.96)
Ri = (5.97)
с. = 1 ' (5.98)
где коэффициент преобразования г] для фильтров определяется как:
(5.99)
Теоретически коэффициент усиления эквивалентной схемы на
рис. 5.12 определяется при помощи уравнения:
. , ф = ;... - (5Д00)
' < ' ' \ дх Jвх . .
В рассматриваемой модели предполагается, что массой соедини-
тельной балки можно пренебречь. Однако от этого предположения
можно отказаться, если длину балки сделать равной четверти длины
волны. В этом случае ее масса не будет сказываться на свойствах
фильтра. Тогда длину и ширину балки надо выбирать, исходя из
5.3. Микро фильтры
следующих уравнений (Wang, Nguyen, 1997):
sin a sinh а + cos a cosh а = О,
_ Е1а3 sin а + sinh а
Sli lA- cos a cosh а — 1 ’
где
( рАш2 \
\ EI ) ’
Wijh3 ‘А
12 ’
(5.101)
(5.102)
(5.103)
(5.104)
а А — площадь поперечного сечения балки.
Было показано, что при увеличении частоты размеры резона-
торов становятся меньше, поэтому существует предельная частота,
выше которой выражения для определения резонансной частоты и
других параметров фильтров становятся не совсем корректными.
В этом случае для оценки резонансной частоты применяют метод
распределенной матрицы (Wang, Nguyen, 1997). Тогда эффективная
сосредоточенная масса и коэффициент упругости задаются следую-
щими выражениями:
’ д г ‘IKЕпОлн
Мг — 9 5
и ... 1
” kr = шотг.
Полная “кинетическая энергия системы равна:
КЕполн = |W2X2M0,
(5.105)
(5.106)
(5.107)
где Ло — амплитуда колебательного движения, a Mq — эффектив-
ная эквивалентная масса в любой точке резонатора:
1 12
Мо = Мр + -Mt -I- ~МЬ. (5.108)
р 4 35
В уравнении (5.108) индекс р соответствует пластине, совершающей
колебательные движения, t — подвесной системе, а b — опорной
балке. Параметры электрической эквивалентной схемы получаются
из уравнений (5.95)-(5.98). Для этого в них подставляют выражения
Глава 5. Высокочастотные микрофильтры
для массы (5.104) и коэффициента упругости (5.106). Уравнение для
резонансной частоты в данном случае можно записать в виде:
1
2тг
(W\3 ( 1 12
2Eh I — ) I Mp + ~-Mt +
\ L ) \ 4 35
-Л V2
(5.109)
Эквивалентная схема, полученная таким образом, может применять-
ся для большинства практических задач. Однако следует помнить,
что в ней не учитываются паразитные эффекты, возникающие в
подложке. Проблемы, связанные с этими эффектами успешно реша-
ются методами КМОП интеграции, что позволяет также улучшать
частотную и фазовую стабильность системы (Nguyen, Howe, 1993).
Построение эквивалентной схемы при моделировании микрофиль-
тров используется для анализа их работы в случае изменения харак-
теристик материалов, структур и геометрических размеров. Одна-
ко для точного прогнозирования механических, электромеханиче-
ских и электрических рабочих характеристик таких систем необхо-
димо применение более сложных методов моделирования на основе
современного программного обеспечения. Например, для моделиро-
вания сложных систем подходит программа MEMCAD (Gilbert et
al, 1993).
Для решения проблемы, связанной с залипанием и изнашиванием
электродов в процессе эксплуатации, был разработан привод элек-
тростатического отталкивания (Lee, Cho, 2001). В таком приводе
(рис. 5.13) сила отталкивания возникает в результате несимметрич-
ности электрического поля в плоскости расположения электродов,
что заставляет подвижный электрод скользить в указанном напра-
влении. Для определения величины силы, резонансной частоты и
добротности такой структуры обычно применяют метод конечных
элементов (Lee, Cho, 2001).
электрод 3 (стационарный)
'ZDC+ VA С
электрод 2 /
(стационарный)
электрод 1
(подвижный)
fy
Рис. 5.13. Электростатический привод
с силой отталкивания.’Репродукция из
книги К.В. Lee, Y.-H. Cho, 2001, «Later-
ally driven electrostatic repulsive-force mi-
croactuators using asymmetric field distri-
bution», Journal of Microelectromechanical
Systems 10: 128-136 с разрешения IEEE,
©2001 IEEE
г
5.3. Микрофильтры
5.3.3. Микрофильтры, использующие
электростатически связанные балочные
резонаторы
Гребенчатые приводы обладают линейной передаточной функцией
между перемещением и напряжением, что делает их очень привле-
кательными для использования в фильтрах. Однако такие приводы,
как правило, очень громоздки. Вспомним, что выражение для резо-
нансной частоты для самой простой системы, состоящей из массы,
подвешенной на пружине, имеет вид:
т\1/2
2тг \ т /
(5.110)
Отсюда видно, что для увеличения резонансной частоты необхо-
димо или увеличивать коэффициент упругости структуры, и/или
уменьшать ее массу. Уменьшение массы гребенчатой структуры
возможно только до определенных пределов, значит, предпочтитель-
нее использовать второй вариант. Альтернативная конфигурация
высокочастотного фильтра на основе двух связанных резонаторов
показана на рис. 5.14 (Bannon, Clark, Nguyen, 2000). Каждый резона-
тор состоит из балки, закрепленной на двух концах. Также разрабо-
тана конструкция резонатора из балки, свободной на обоих концах
(Wang, Wong, Nguyen, 2000). Хотя по своей природе такие филь-
тры нелинейны, для небольших сигналов их все же можно считать
линейными. Напряжение, приложенное между электродом, распо-
ложенным под балкой, и фиксированным электродом на подложке,
заставляет балку двигаться вниз за счет электростатической силы
притяжения. Это движение передается на связанную балку второ-
го резонатора, которая работает как емкостной преобразователь,
реагирующий на перемещение балки.
Динамический анализ, представленный в этой главе, подходит и
для балочного резонатора. Входное напряжение состоит из посто-
янной составляющей — напряжения смещения Vp и динамической
составляющей — переменного сигнала vrp Выражение для резонанс-
ной частоты в данном случае имеет вид (Bannon, Clark, Nguyen,
2000):
1.03А:
[1 - 9(d, Vp)]1/2 ,
(5.111)
где h и L — толщина и длина балки резонатора, функция д модели-
рует влияние приложенного напряжения на снижение эффективного
коэффициента упругости балки, а к —' масштабный коэффициент,
отражающий топографию поверхности, полученный методом конеч-
ных элементов.
Рис. 5.14. Внешний вид и эквивалентная схема фильтра из двух балоч-
ных резонаторов. Репродукция из книги F.D. Bannon, J.R. Clark,
C.T.-C Nguyen, 2000, «High-Q HF microelectromechanical filters»,
, 3 , IEEE Journal of Solid-state Circuits 35: 512-526 с разрешения
IEEE, ©2000 IEEE
Первый член правой части выражения соответствует резонанс-
ной частоте балки без учета влияния постоянного напряжения сме-
щения. Эффект изменения жесткости системы в зависимости от
приложенного напряжения используется в фильтрах с электриче-
ской регулировкой частотной характеристики.
Когда частота переменной составляющей входного сигнала со-
ответствует резонансной частоте структуры, балка начинает ви-
брировать. При этом смещение каждой отдельной точки балки мож-
но найти при помощи выражения (5.112).
х(у) =
keff(y)VP dxVd'
(5.112)
Это смещение вызывает появление тока на выходе устройства, рав-
ного:
ix = (VP-V2)^~, (5.113)
ах at
где V2 — напряжение смещения на выходной балке, а С2 — емкость
между электродами на этой балке и подложке.
Рис. 5.15. Эквивалентные схемы для фильтра на рис. 5.14. Репродукция из
книги F.D. Bannon, J.R. Clark, C.T.-C Nguyen, 2000, «High-Q HF
microelectromechanical filters», IEEE Journal of Solid-state Circuits
35: 512-526 с разрешения IEEE, ©2000 IEEE
Проектирование фильтров значительно упрощается при исполь-
зовании электрических эквивалентных схем. Эквивалентную схему
можно получить при помощи механической модели, показанной на
рис. 5.15 (Bannon, Clark, Nguyen, 2000). В модели используются сле-
дующие параметры:
' Le2Le2
__ Vp^oW^r) kre 1 -Xmode(?/) , . /
[d(y')d(y)]2 kr(y) WeXmode(t/') y y
UelLel
-1
(5.114)
Это эквивалентный коэффициент преобразования на входе систе-
мы. Значение коэффициента на выходе может быть вычислено ана-
логично. В следующих формулах индекс, соответствующий номеру
13 - 10482
резонатора, будет опущен:
(5.115)
(5.116)
(5.117)
(5.118)
Здесь, также как и в гребенчатых фильтрах, максимально до-
стижимое значение добротности пропорционально коэффициенту
упругости резонатора и соединительной пружины. Добротность ба-
лочного фильтра можно оценить по следующей формуле:
кг
Q = kl2-^.
ksl2
(5.119)
Динамический коэффициент упругости балки кс зависит от рас-
стояния до места крепления (анкера). Поэтому, для улучшения до-
бротности фильтра, соединительная балка крепится не к серединам
основных балок, а в точке, расположенной как можно ближе к ан-
керу, где выше динамический коэффициент упругости. Также, как
и в предыдущем случае, длина соединительной балки выбирается
равной четверти длины акустической волны. Тогда уравнения свя-
зи приобретают следующий вид:
/ь, \1/2
/ Мс \
^12 - I 7~ )
\к1е/
Csl2a — Csl26 — Т-------
KsV2a
с - 1
(-ysl2c — ,
KsYlc
(5.120)
(5.121)
(5.122)
При этом коэффициенты упругости соединительной балки равны:
_ EIs(sina + sinha)
ksV2a = "~^sl2c — 77 ;-----TV •
L“ (cos a cosh a — 1)
(5.123)
5-4- Фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ) 371
5.4. Фильтры на поверхностных акустических
волнах (ПАВ)
Максимальная резонансная частота механических фильтров и их
микроаналогов, как уже обсуждалось в этой главе, ограничивает-
ся их минимально возможными размерами. На сегодняшнем уровне
развития технологий возможно изготовление механических фильт-
ров с максимальной рабочей частотой до нескольких десятков МГц.
Для увеличения рабочей частоты было предложено использовать
не резонансные колебания, а акустические волны в упругих твер-
дых телах. Фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ)
являются в настоящее время практически единственными фильтра-
ми, работающими в диапазонах очень высоких частот (ОВЧ) и уль-
тра высоких частот (УВЧ). Такие фильтры имеют ряд общих свойств
с фильтрами, работающими в ВЧ диапазоне, рассмотренными в
этой главе, а также с СВЧ микрофильтрами, которые будут об-
суждаться далее. Кроме того, распространение акустических волн,
являющееся ключевым звеном в работе фильтров на ПАВ, подчиня-
ется законам механики. Поэтому в главе, посвященной микромеха-
ническим фильтрам, необходимо рассмотрение ПАВ фильтров.
Для изготовления таких фильтров требуются специальные пье-
зоэлектрические подложки, что делает невозможной их интеграцию
с другими схемами на одном кристалле. Однако при помощи ПАВ
фильтров удается реализовать системы очень миниатюрных разме-
ров. Более того, в последние годы была показана возможность рас-
пространения пьезоэлектрических волн на некоторых срезах кри-
сталлов полупроводников, что делает их пригодными для изготовле-
ния фильтров на ПАВ, в результате чего открывается перспектива
для интеграции таких фильтров с другими схемами и микросисте-
мами.
Этот раздел посвящен некоторым вопросам проектирования ПАВ
фильтров. Сначала рассматривается принцип действия самого про-
стого фильтра на ПАВ. Далее описывается механизм возбуждения
и распространения ПАВ на твердых пьезоэлектриках и проводит-
ся сравнение этого типа волн с другими акустическими волнами,
что необходимо для понимания уникальности ПАВ. После чего обсу-
ждается проектирование гребенчатых или встречно-штыревых пре-
образователей (ВШП), применяемых для генерации ПАВ. В этом
разделе также рассматриваются факторы, приводящие к потерям в
структурах ПАВ фильтров, и способы преодоления этих проблем.
В дополнение к этому здесь затрагивается ряд технологических во-
просов производства ПАВ устройств, например, возможности при-
13*
te2 Глава 5. Высокочастотные микрофильтры
менения различных методов изготовления и их ограничения. Спра-
ведливости ради, следует отметить, что уже выпущено несколько
книг, посвященных ПАВ фильтрам, и по полноте излагаемого мате-
риала этот раздел не может конкурировать с ними. Однако предста-
вленный материал дает читателям возможность оценить перспекти-
ву развития ВЧ фильтров.
5.4.1. Принцип действия фильтров на ПАВ “
Изучение поверхностных акустических волн было начато Лордом
Релеем еще в девятнадцатом веке, но до шестидесятых годов два-
дцатого века никаких устройств на ПАВ создано не было. История
развития технологии изготовления ПАВ устройств представлена в
книге (Morgan, 1998). В этом разделе рассматриваются только неко-
торые концепции, важные для понимания принципа действия ПАВ
фильтров.
Рис. 5.16. Схема фильтра на ПАВ. Репродукция из книги С. Campbell,
‘ 1998, Surface Acoustic Wave Devices for Mobile and Wireless Com-
' ! munications, Academic Press, San Diego, CA, с разрешения Aca-
demic Press, Elsevier
rr
На рис. 5.16 показана схема основной структуры фильтра, по-
строенного на принципе поверхностных акустических волн. Фильтр
состоит из двух металлических ВШП, сформированных на пьезо-
электрической подложке. Поскольку эти ВШП являются идентич-
ными и взаимозаменяемыми, каждый из них может использоваться
либо как входной, либо как выходной преобразователь. Структу-
ра кристалла является анизотропной, и поэтому ориентация пьезо-
электрической подложки влияет на характеристики распростране-
ния ПАВ волн между ВШП.
В качестве подложек для ПАВ фильтров используются различ-
ные пьезоэлектрические материалы. В таблице 5.1 представлены не-
5-4- Фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ)
которые важные механические и электрические свойства ряда пье-
зоэлектриков. Выбор подложки осуществляется, исходя из совме-
стимости с остальной частью схемы и используемых методов изго-
товления. Также следует отметить, что свойства материала зависят
от среза кристалла и направления распространения волны.
Таблица 5.1. Свойства некоторых пьезоэлектрических материалов. Ис-
пользуемых в ПАВ фильтрах
Материал Срез кристалла Направление распространения Скорость волны Ослабление на частоте 1 ГГц Коэффициент связи Кг, % Дизлектр. проницаемость ГТ, Температурный коэффициент Сравнительная ширина полосы
Кварц ST X 3158 2,6 0,16 4,5 0 4
Ниобат лития У Z 3488 1,07 4,5 46 94 10
Ниобат лития 128 — 3992 — — — 75 —
Танталат лития У Z 3230 1,14 0,9 47 38 23
Арсенид галлия (100) (ПО) 2841 — 0,06 12 35 —
ZnO/AlN/ стекло — — 5840 — 4,3 — 21 —
Лангазит (LajGa^SiOu) — — 2400 — 0,3 — — —
Когда к выводам входного ВШП приложено напряжение, между
соседними парами зубцов этого преобразователя возникает элек-
трическое поле. Эти поля взаимодействуют с материалом подложки
и вызывают появление на ней изменяющихся во времени механи-
ческих напряжений, которые распространяются как акустические
сигналы. Ширина и расстояние между зубцами ВШП подбираются
такими, чтобы акустические сигналы, генерируемые каждой парой
электродов, складывались в направлении, перпендикулярном длине
этих зубцов. ВШП, показанный на рис. 5.16, также как и некото-
рые другие аналогичные ему преобразователи, формируют акусти-
ческие волны, распространяющиеся в двух противоположных на-
правлениях, что приводит к потере половины энергии. Принимая
во внимание то, что эти потери происходят на двух ВШП, можно
предположить, что общие потери в такой конструкции фильтра бу-
дут, как минимум, равны 6 дБ. На практике рассматриваемые ПАВ
фильтры обладают еще большими потерями, что связано с низкой
эффективностью электромеханического преобразования и потеря-
ми при распространении волны по подложке. На обоих концах под-
ложки формируются специальные поглотители ПАВ, ослабляющие
акустические волны, что необходимо для уменьшения переотраже-
ния сигналов, вызванных краевыми эффектами. Акустическая энер-
гия, достигшая выходного ВШП, преобразуется в электрические
сигналы на его выводах.
Так как скорость акустических волн в таких фильтрах намного
меньше скорости электромагнитных волн (почти в пять раз), соот-
ветственно и акустическая длина волны тоже будет меньше длины
электромагнитной волны, что позволяет изготавливать более ми-
ниатюрные устройства. Но поскольку рабочие частоты также уве-
личиваются, для преодоления технологических проблем, связанных
с ограничениями при уменьшении размеров устройств, предпочти-
тельнее применять подложки, обеспечивающие, как можно более вы-
сокие скорости распространения акустических сигналов. Скорость
распространения акустических волн, зависящая от типа используе-
мого пьезоэлектрического материала, также является одной из его
характеристик.
5.4.2. Распространение волн в
пьезоэлектрических подложках
Пьезоэлектрическая подложка является важным элементом фильт-
ра, влияющим на его рабочие характеристики. Свойства некото-
рых пьезоэлектрических подложек приведены в таблице 5.1. В пье-
зоматериалах приложенное механическое напряжение приводит к
появлению диэлектрической поляризации, и, наоборот, приложенное
электрическое поле приводит к механическому напряжению. Отсут-
ствие центра симметрии внутри кристалла является характерным
свойством пьезоэлектрических материалов. В случае симметричных
кристаллов при воздействии механических сил меняются геометри-
ческие размеры подложек. Тогда как в несимметричных пьезоэлек-
трических кристаллах механические силы сдвигают центры поло-
жительных и отрицательных зарядов, формируя при этом диполь-
ный момент. Зависимость между дипольным моментом и механиче-
ским напряженйем выражается следующими уравненйями:
ст = cS — еЕ (5.124)
И /: W- ' ’ J'»'»
D = eoE + eS, = ' ' (5.125)
где сг — механическое напряжение, S — деформация, Е — напря-
женность электрического поля, D — электрическое смещение, с —
5-4- Фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ)
коэффициент упругости, е - пьезоэлектрический коэффициент и
Ео — диэлектрическая проницаемость свободного пространства. Как
видно из уравнений, в случае отсутствия пьезоэффекта они превра-
щаются соответственно в закон Гука и основное соотношение для
диэлектрических материалов.
Как было отмечено ранее, электрическое напряжение, приложен-
ное к электродам ВШП, приводит к механическому напряжению,
которое выражается в виде распространения акустических волн по
поверхности подложки. Перемещение волны можно разложить на
две составляющие: одну — параллельную направлению распростра-
нения волны, другую — перпендикулярную поверхности. Эти две
составляющие не совпадают ни по амплитуде, ни по фазе. Разность
фаз между ними равна 90 ° во времени. Таким образом, результи-
рующее перемещение волн является эллиптическим.
Эффективность пьезоэлектрического материала лучше всего оце-
нивать по электромеханическому коэффициенту связи №. Теоре-
тически этот коэффициент определяется в виде соотношения:
г2
№ = —. (5.126)
СЕ
Однако, на практике этот параметр часто оценивается по экспе-
риментальным данным, для чего используется следующая зависи-
мость:
где Аг — снижение скорости ПАВ из-за покрытия поверхности пье-
зоэлектрической подложки тонкой электропроводной пленкой, аг —
исходная скорость ПАВ (Campbell, 1998). Скорость распростране-
ния ПАВ на поверхности зависит от плотности, коэффициента упру-
гости и пьезоэлектрической константы подложки.
Поверхностные акустические волны в своей традиционной фор-
ме называются волнами Релея. В последние годы были открыты не-
сколько других видов волн на пьезоэлектрических подложках, кото-
рые оказались пригодными для использования в фильтрах. Для их
применения необходимо хорошо исследовать характеристики новых
срезов кристаллов и изменить геометрию ВШП.
Среди новых форм волн — углубляющиеся поверхностные акусти-
ческие волны, мелкие объемные волны и поверхностные попереч-
ные волны. Движение таких волн схематично показано на рис. 5.17,
для сравнения там же приведена схема перемещения обычных ПАВ.
На основе углубляющихся ПАВ возможно построение фильтров, обла-
дающих малыми потерями, а также антенн для современных бес-
проводных приемопередатчиков (трансиверов) (Campbell, 1998).
Рцс. 5.17. Различные виды волн: а — поверхностные акустические волны
(ПАВ), б — углубляющиеся ПАВ, в — мелкие объемные волны,
г — поверхностные поперечные волны. Репродукция из книги
' С. Campbell, 1998, Surface Acoustic Wave Devices for Mobile and
‘ ’ Wireless Communications, Academic Press, San Diego, CA, с раз-
f ’ n решения Academic Press, Elsevier
5.4.3. Разработка встречно-штыревых
преобразователей
Конструкция ВШП сильно влияет на частотные характеристики
фильтров. В состав основной конфигурации фильтра, показанно-
го на рис. 5.16, входят два ВШП. Самый простой ВШП состоит из
множества металлизированных электродов в форме зубцов, соеди-
ненных двумя полосками общих шин.
Полярность двух соседних электродов всегда противоположна.
Приложенное напряжение приводит к возникновению в смежных па-
рах зубцов ВШП противоположно направленных механических на-
пряжений, которые формируют пики и провалы в траектории ПАВ.
Длина волны ПАВ на подложке определяется выражением:
- Л = 7’ :i ‘ ’ (5'128)
Механические напряжения в каждой последовательной паре зубцов
алгебраически складываются по фазе, если расстояние между ними
равно:
, Л
^=2’- (5-129)
Также возможно конструктивное сложение сигналов высших гармоник.
Ширина каждого зубца ВШП обычно выбирается равной поло-
вине периода волны. Длина зубцов определяет ширину акустиче-
ского излучения, что не важно для предварительного проектиро-
вания. Число пар зубцов выбирается в соответствии с требуемой
шириной полосы пропускания фильтра. При разработке фильтров
часто применяется метод конечной импульсной реакции, подобный
тому, что используется при проектировании цифровых фильтров.
Импульсная реакция ВШП имеет вид прямоугольника. Преобразо-
вание Фурье для прямоугольника является синусоидальной функци-
ей, ширина полосы которой в частотной области пропорциональна
длине прямоугольного окна в пространственной области. Из этого
можно сделать вывод, что для получения узкой полосы частот ВШП
должен иметь большое количество зубцов.
Передаточная функция фильтра может быть записана в виде:
Н(/) = H1(/)H2(/)e^'W),
(5.130)
где Hi и Н2 — передаточные функции входного и выходного ВШП,
d — расстояние между зубцами, а (3 — константа распространения
волны на подложке. На частотах, близких к резонансной частоте /о,
выражение для передаточной функции ВШП принимает следующий
вид:
< sin
Npn(f-f0\
fo
fo
(5.131)
где N — количество зубцов ВШП, Np = N/2 для четных N и
Np — (N — l)/2 для нечетных N. Были разработаны несколько ва-
риантов ВШП с улучшенным подавлением вне полосы пропускания
фильтра. В одном из таких ВШП менялась зона перекрытия зубцов.
Вклад каждого зубца в импульсную реакцию фильтра пропорцио-
нален его длине. Этот факт позволяет провести аналогию с цифро-
выми фильтрами с конечной импульсной характеристикой (Smith,
1995). Однако, в отличии от цифровых фильтров, фильтры на ПАВ
работают в реальном времени (без учета конечной задержки на рас-
пространение волны).
Такой подход годится только для предварительной оценки ВШП.
Для реального проектирования фильтров требуется более сложное
моделирование и анализ, требующие учета таких факторов, как:
- электромагнитные перекрестные помехи между ВШП,
- все виды объемных волн, образуемых на поверхности,
Глава 5. Высокочастотные микрофильтры
- внутренние отражения внутри преобразователей,
- влияние массы, топографии и проводимости металлизации.
- дифракцию, ослабление и дисперсию при распространении волны,
- внешний импеданс, как от источника, так и о нагрузки,
- паразитный импеданс металлизации,
- отражения между преобразователями и утроения импульсных
помех.
Появились сообщения о том, что некоторые модификации про-
стых ВШП позволили значительно уменьшить вносимые потери, что
улучшило рабочие характеристики ПАВ фильтров, построенных на
их основе. Такие модифицированные ПАВ фильтры нашли свое при-
менение в ряде современных устройств связи.
Например, в работе (Dobershtein, Malyukhov, 1997) описан коль-
цевой ПАВ фильтр, имеющий уровень вносимых потерь менее 1 дБ
(рис. 5.18). Этот фильтр использует отражательные многополоско-
вые элементы, сформированные на разных срезах кристалла ниоба-
та лития. Другой тип усовершенствованных преобразователей рас-
сматривается в следующем разделе.
Рис. 5.18. Кольцевой ПАВ фильтр.
Репродукция из книги S.A. Dober-
shtein, V.A. Malyukhov, 1997, «SAW
ring filters with insertion loss of 1
dB», IEEE Transactions on Ultrason-
ics, Ferroelectrics and Frequency Con-
trol 44: 590-596 с разрешения IEEE,
©1997 IEEE
выход
; - ' 1 « - * i
5.4.4. Однофазные однонаправленные •
преобразователи X
На рис. 5.19 показана схема простого фильтра, построенного на основе
однофазного однонаправленного преобразователя (ОФОНП) (Camp-
bell, 1998). Внутри преобразователя встроены акустические рефлек-
торы, которые обеспечивают сложение поверхностных волн в одном
направлении и предотвращают их распространение в обратном на-
правлении. Поэтому такие преобразователи называются однонапра-
вленными. По сравнению с двунаправленными ВШП такие преобра-
зователи уменьшают потери мощности при распространении сигнала.
5-4- Фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ)
поглотитель
акустических
волн
поглотитель
акустических
волн
Рис. 5.19. Фильтр на основе однофазного однонаправленного преобразова-
теля. Репродукция из книги С. Campbell, 1998, Surface Acoustic
Wave Devices for Mobile and Wireless Communications, Academic
Press, San Diego, CA, с разрешения Academic Press, Elsevier
Было разработано несколько типов конструкций однофазных од-
нонаправленных преобразователей. Наличие в них отражательных
полосок приводит к сдвигу центров возбуждения по отношению к
центрам отражения (Rappel et al, 1993). Можно спроектировать та-
кой преобразователь, в котором отражение и регенерация взаимно
уничтожаются, причем это можно реализовать в широкой полосе
частот. При помощи соответствующего конструирования отража-
тельных электродов возможно устранение эффекта утроения им-
пульсных помех.
Обладая низкими вносимыми потерями, фильтры на основе од-
нофазных однонаправленных преобразователей не требуют приня-
тия специальных мер для согласования с внешними цепями. Одна-
ко соответствующие согласующие элементы помогают уменьшить
полосу пропускания фильтра и пульсацию, вызванную групповми за-
держками, не оказывая никакого влияния на величину вносимых потерь.
Нанесение дополнительных слоев металлизации в форме решет-
ки позволяет улучшить характеристики всего фильтра (рис. 5.20).
Такая модификация влияет на форму резонансной кривой, тем самым
изменяя частотные характеристики фильтра, что позволяет сни-
жать его вносимые потери и геометрические размеры (Gopani, 1998).
5.4.5. Устройства на ПАВ: возможности,
ограничения и применение
Фильтры на ПАВ широко применяются в некоторых видах элект-
ронных устройств. Достоинствами таких фильтров являются их проч-
ность, надежность, линейность фазовых характеристик, небольшое
значение коэффициента формы частотных характеристик и тем-
пературная стабильность. Для массового производства таких уст-
ройств подходят технологии изготовления полупроводников, обес-
Глава 5. Высокочастотные микрофильтры
печивающие воспроизводимость изделий и снижение их стоимости.
Ограничения по минимальной и максимальной частоте ПАВ фильт-
ров также связаны с технологическими аспектами: на высоких час-
тотах длина волны, а, соответственно, и размеры элементов ста-
новятся очень маленькими, поэтому их сложно изготавливать, а на
низких частотах при большой длине волны — габариты устройств
становятся столь велики, что перестают устраивать разработчиков.
Обычно на практике такие устройства используются в частотном
диапазоне 10 МГц... 3 ГГц.
Рис. 5.20. Конфигурации фильтров с улучшенными характеристиками. Ре-
продукция из книги С. Campbell, 1998, Surface Acoustic Wave
Devices for Mobile and Wireless Communications, Academic Press,
San Diego, CA, с разрешения Academic Press, Elsevier.
Примечание: ОНП — однонаправленный преобразователь, ОФОНП — од-
нофазный однонаправленный преобразователь
Для получения требуемых рабочих характеристик устройств на
ПАВ необходимо уделять повышенное внимание их конструкции.
Поскольку акустические волны в таких устройствах распростра-
няются как поверхностные волны, любые изменения на поверхно-
сти подложки влияют на их форму. Используя это свойство, можно
проектировать разные резонансные датчики, например, химические
датчики и акселерометры. Устройства на ПАВ также нашли свое
5.5. Фильтры на объемных акустических волнах
применение в генераторах, импульсных компрессорах, конвольве-
рах, коррелометрах, мультиплексорах и демультиплексорах. Короче
говоря, ПАВ устройства стали незаменимы в телевизионной техни-
ке, цифровом радиовещании, мобильных телефонах, спутниках, мо-
демах, радарах, устройствах дистанционного управления, датчиках
и кодировщиках.
5.5. Фильтры на объемных акустических волнах
ПАВ фильтры обычно имеют ограничения по верхней частоте рабо-
чего диапазона. Их уровень вносимых потерь часто превышает тре-
буемые значения. Альтернативой ПАВ фильтрам являются устрой-
ства на объемных акустических волнах, работающие на более высо-
ких частотах.
Подобно ПАВ фильтрам, рассмотренным в предыдущем разде-
ле, принцип действия таких устройств также заключен в прохожде-
нии волн через пьезоэлектрический материал. Только в данном слу-
чае применяются тонкие пленки из таких материалов, как титанат
цирконат свинца (PZT) и ZnO. Преимущество тонкопленочной тех-
нологии заключается в возможности использования прецизионных
методов контроля за толщиной слоя при современных способах на-
несения пленок, таких как ВЧ напыление.
На рис. 5.21 показан тонкопленочный резонатор, использующий
объемные акустические волны. В нем толщина слоя из PZT равна 0.9
мкм. Это устройство имеет размеры 0.69 х 0.55 мм2, ширину полосы
47МГц на частоте 1.5 ГГц (Misu et al, 1998). Оба электрода резона-
тора изготовлены свободными для того, чтобы иметь возможность
вибрировать, помогая резонансу всей системы. Эти электроды так-
же выполняют роль отражателей, не позволяющим акустическим
волнам выходить за границы устройства. Нижний электрод стано-
вится свободным после удаления из-под него материала подложки,
поэтому такую конструкцию называют структурой, опирающейся
на мембрану. В жестко смонтированных устройствах для изоляции
отражателя от подложки применяются несколько слоев материала
толщиной, равной четверти длины волны (Lakin et al, 2001). Схема-
тично эти конфигурации показаны на рис. 5.22 (стр. 383).
Для улучшения рабочих характеристик фильтров отдельные ре-
зонаторы подключаются по схеме лестничного типа, показанной на
рис. 5.23 (стр. 383). Такие схемы могут включаться каскадно, обра-
зуя П- и Т-цепи. Максимальное значение бД получается тогда, ко-
гда последовательный резонанс кристалла Ха совпадает с парал-
Глава 5. Высокочастотные микрофильтры
,ным резонансом кристалла Х^. Пьезоэлектрический коэффици-
связи оказывает влияние на ширину полосы пропускания филь-
(Lakin, Kline, McCarron, 1992). Толщина пьезоэлектрических
в может быть использована для управления значением коэффи-
гта связи. Тонкие пленки из ZnO обладают более высоким коэф-
иентом связи и поэтому используются для построения фильтров
учтенными рабочими характеристиками (Su et al, 2000). Филь-
лестничного типа используются в различных устройствах для
)ты в диапазоне частот от 300 МГц до 12 ГГц (Lakin et al, 2001).
ic. 5.21. Вид сверху на фильтр, использующий тонкопленочный резона-
тор на объемных акустических волнах. Репродукция из книги
,, К. Misu, Т. Nagatsuka, S. Wadaka, С. Moeda, A. Wadaka, 1998,
«Film bulk acoustic wave filters using lead titanate on silicon sub-
strate» IEEE 1998 ultrasonics Symposium, IEEE, Washington, DC:
1091-1094 с разрешения IEEE, ©1998 IEEE
5.6. Микрофильтры для частотного диапазона
миллиметровых волн
нципы построения фильтров, рассмотренные в предыдущих раз-
IX, мало подходят для построения фильтров для частотного Диа-
ша миллиметровых волн. Однако для их проектирования могут
>льзоваться методы, применяемые для изготовления микроси-
5.6. Микрофильтры для частотного диапазона
Рис. 5.22. а — Структура,
опирающаяся на мембрану, б —
жесткая структура. Репродук-
ция из книги К.М. Lakin, К.Т.
McCarron, J. Belsick, J.F. Mc-
Donald, 2001, «Thin film bulk
acoustic wave filters technolo-
gy», RAWCON 2001: IEEE Radio
and Wireless Conference, IEEE,
Washington, DC: 89-92 с разре-
шения IEEE, ©2001 IEEE
(6)
Рис. 5.23. Конфигурация
фильтра лестничного ти-
па. Репродукция из книги
К.М. Lakin, G.R. Kline, К.Т.
McCarron, 1992, «Thin film
bulk acoustic wave filters for
GPS», IEEE 1992 Ultrasonics
Symposium, IEEE, Washing-
ton, DC: 471-4.75.<c разреше-
ния IEEE, ©1992 IEEE
При построении фильтров для СВЧ диапазона используются ком-
поненты с распределенными параметрами (Pozar, 1988). Поскольку
при увеличении частоты размеры компонентов уменьшаются, тре-
буется повышать технологическую точность их изготовления. Ма-
териалы, используемые для подложек, также вносят дополнитель-
ные потери. Мембранные микрополосковые линии и другие компо-
Глава 5. Высокочастотные микрофильтры
ненты, изготовленные методами микротехнологий, помогают суще-
ственно улучшить качество изготавливаемых микроустройств.
Рис. 5.24. Фотография фильтра для W-диапазона. Репродукция из книги
S.V. Robertson, L.P.B. Katehi, G.M. Reseiz, 1996, «Micromachined
W-band filter», IEEE Transactions on Microwave Theory and Tech-
niques 44: 598-606 с разрешения IEEE, @1996 IEEE
На рис. 5.24 показан полосовой фильтр для W-диапазона (94.7 ГГц),
применяемый в линиях связи (Rozertson, Katehi, Rebeiz, 1996). Линия
связи выполнена по схеме линии передач, опирающейся на мембрану.
Рассматриваемый фильтр в полосе пропускания обладает вносимы-
ми потерями на уровне 3.6 дБ. Основной составляющей вносимых
потерь здесь являются потери в проводнике. Ширина полосы дан-
ного фильтра составляет 6.1% (рис. 5.25)
Аналогичный подход применим и для построения полосовых фильт-
ров с низкими потерями для частот 37 и 60 ГГц (Blondy et al, 1998).
Такие фильтры изготавливаются на кремниевых подложках с вы-
соким удельным сопротивлением. Сначала на подложку наносится
мембранный слой из SiO2—SiN4~SiO2, компенсирующий нагрузки,
на котором электролитическим способом формируется, рисунок схе-
мы из золота. Для уменьшения диэлектрических потерь из-под мем-
браны полностью вытравливается кремний. Далее на разных под-
ложках методами травления с последующей металлизацией золотом
формируются верхняя и нижняя полости. После чего все три под-
ложки складываются вместе и склеиваются при помощи эпоксидной
смолы с серебром (рис. 5.26). На рис. 5.27 показаны схемы компонов-
ки этих фильтров.
5.6. Микрофильтры для частотного диапазона
Рис. 5.25. Частотная характеристика полосового микрофильтра, показан-
ного на рис. 5.24. Репродукция из книги S.V. Robertson, L.P.B.
Katehi, G.M. Reseiz, 1996, «Micromachined W-band filter», IEEE
Transactions on Microwave Theory and Techniques 44: 598-606 c
центральная полоска металлизированные
сквозные бороздки
Рис. 5.26. Поперечное сечение структуры фильтра. Репродукция из кни-
ги Р. Blondy, A.R. Brown, D. Cros, G.M. Rebeiz, 1998, «Low-loss
micromachined filters for millimeter-wave communication systems»,
IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 46: 2283-
2288 с разрешения IEEE, ©1998 IEEE
В конструкции фильтра на 37 ГГц входная и выходная линии объ-
единены емкостной связью, а стержневые секции — магнитной свя-
зью для получения двух минимумов коэффициента передачи. Такая
конфигурация используется для получения характеристик фильтров
с резким спадом. ‘
386
Глава 5. Высокочастотные микрофильтры
(а)
(б)
Рис. 5.27. Схемы компоновки фильтров: а — на 37 ГГц, 'б — на бОГГц.
Репродукция из книги Р. Blondy, A.R. Brown, D. Cros, G.M. Re-
beiz, 1998, «Low-loss micromachined filters for millimeter-wave com-
munication systems», IEEE Transactions on Microwave Theory and
Techniques 46: 2283-2288 с разрешения IEEE, ©1998 IEEE
На рис. 5.276 показан четырехполюсный фильтр на 60 ГГц. Сек-
ции линий передач, нумеруемые на схеме от 1 до 4, являются секция-
ми, равными половине длины волны рабочей частоты. В этой струк-
туре, также как и в предыдущей, стержневые секции объединены
магнитной связью, а остальные — емкостной. Такой фильтр облада-
ет эллиптической частотной характеристикой и малыми вносимыми
потерями. Частотные характеристики этих фильтров показаны на
рис. 5.28
На рис. 5.29 (стр. 389) показан еще один вариант фильтра, по-
строенный на основе экранированных линий передач (Rebeiz et al,
1997). В таких фильтрах, обладающих низкими вносимыми поте-
рями (менее 1 дБ), используется последовательное каскадное соеди-
нение отрезков копланарных волноводов длиной, равной четверти
длины волны рабочей частоты.
5.7. Выводы
В этой главе представлены некоторые технологии разработки ВЧ
микрофильтров. Рассмотрены способы моделирования компонентов
механических фильтров, что необходимо для понимания их основ-
ных принципов действия, без подробного рассмотрения тонкостей
технологии изготовления микрофильтров. Описаны две структуры
микрофильтров, работающих в разных частотных режимах.
Кроме фильтров, построенных на колебательном принципе дей-
ствия, где колебания являются формой передачи энергии между вхо-
дом и выходом устройства, в этой главе были рассмотрены фильтры
на акустических волнах. Были представлены ПАВ фильтры и филь-
тры, использующие резонаторы на объемных акустических волнах.
Фильтры, использующие механические формы распространения
волны, не работают на высоких гигагерцовых частотах и частотах,
соответствующих миллиметровому диапазону длин волн. Для та-
ких частот применяется метод, использующий распределенные ли-
нии передач, разработанный на основе существующих микротехно-
логий. Предполагается, что материал, представленный в этой гла-
ве, поможет в разработке нового поколения ВЧ микрофильтров для
современных и будущих систем связи.
Глава 5. Высокочастотные микрофилътры
Рис. 5.28. Частотные характеристики фильтров, показанных на рис. 5.27:
а - для 37 ГГц, б — 60 ГГц полосовых фильтров. Репродукция из
книги Р. Blondy, A.R. Brown, D. Cros, G.M. Rebeiz, 1998, «Low-
loss micromachined filters for millimeter-wave communication sys-
tems», IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 46:
2283-2288 с разрешения IEEE, ©1998 IEEE
Литература 389
200
2500 ' 150
- * S1J (экспериментальная)
- Sj! (экспериментальная)
« S11 (расчетная)
..... (расчетная)
Mt
частота, ГГц
Рис. 5.29. Трехсекционный полосовой фильтр и его частотная характери-
стика. Репродукция из книги G.M. Rebeiz, L.P.B. Katehi, Т.М.
Weller, C.-Y. Chi, S.V. Robertson, 1997, «Micromachined membrane
filters for microwave and millimeter-wave applications», Internation-
al Journal of Microwave and Millimeterwave CAE 9: 149-166 с раз-
,, решения Wiley, ©1997 Wiley
Литература
Bannon, F.D., Clark, J.R., Nguyen, C.T.C., 2000, «High-Q HF micro electromechan-
ical filters», IEEE Journal of Solid-state Circuits 35: 512-526.
Bannon III, F.D., Clark, J.R., Nguyen, C.T.-C, 2000, «High-Q HF microelectrome-
chanical filters», IEEE Journal of Solid-state Circuits 35: 512-526.
Blondy, P., Brown, A.R., Cros, D., Rebeiz, G.M., 1998, «Low-loss micromachined
filters for millimeter-wave communication systems», IEEE Transactions on Mi-
crowave Theory and Techniques 46: 2283-2288.
Campbell, C., 1998, Surface Acoustic Wave Devices for Mobile and Wireless Com-
munications, Academic Press, San Diego, CA.
Dobershtein, S.A., Malyukhov, V.A., 1997, «SAW ring filters with insertion loss of 1
dB>> IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control 44:
590-596.
Gilbert, J.R., Osterberg, P.M., Harris, R.M., Ouma, D.O., Cai, X., Pfajfer, A., White,
Глава 5. Высокочастотные микрофильтры
J., Senturia, S.D., 1993, «Implementation of a MEMCAD system for electrostatic
and mechanical analysis of complex structures from mask descriptions», in MEMS
’93, Proceedings of IEEE Conference on Micro Electro Mechanical Systems, IEEE,
Washington, DC: 207-212.
Gopani, S., 1998, «SAW IF filters in mobile communications networks» Microwave
Journal 41(11): 5.
Hirano, T., Furuhata, T., Gabriel, K.J., Fujita, H., 1992, «Design, fabrication, and
operation of sub-micron gap comb drive micro actuators», Journal of Microelec-
tromechanical Systems 1: 52-59.
Johnson, R. A., 1983, Mechanical Filters in Electronics, Wiley Interscience, New York.
Lakin, K.M., Kline, G.R., McCarron, K.T., 1992, «Thin film bulk acoustic wave filters
for GPS» in IEEE 1992 Ultrasonics Symposium, IEEE, Washington, DC: 471-476.
Lakin, K.M., McCarron, K.T., Belsick, J., McDonald, J.F., 1992, «Thin film bulk
acoustic wave filters technology» in RAWCON 2001: IEEE Radio and Wireless
Conference, IEEE, Washington, DC: 89-92.
Lee, K.B., Cho, Y.-H., 2001, «Laterally driven electrostatic repulsive-force microactu-
ators using asymmetric field distribution», Journal of Microelectromechanical Sys-
tems 10: 128-136.
Lin, L., Nguyen, C.T.-C., Howe, R.T., Pisano, A.P., 1992, «Micro electromechanical
filters for signal processing» IEEE Conference on Micro Electro Mechanical Systems
’92, Feb. J-7, 1992, IEEE, Washington, DC: 226-231.
Lin, L., Howe, R.T., Pisano, A.P., 1998, «Microelectromechanical filters for signal
processing» Journal of Microelectromechanical Systems 7: 286-294.
Misu, K., Nagatsuka, T., Wadaka, S., Maeda, C., Wadaka, A., 1998, «Film bulk acous-
tic wave filters using lead titanate on silicon substrate» in IEEE 1998 Ultrasonics
Symposium, IEEE, Washington, DC: 1091-1094.
Morgan, D.P., 1998, «History of SAW devices» in Proceedings of 1998 IEEE Interna-
tional Frequency Control Symposium, IEEE, Washington, DC: 439-460.
Nguyen, C.T.-C., Howe, R.T., 1993, «CMOS micromechanical resonator oscillator»
in IEEE International Electron Devices Meeting, 1993, Technical Digest, IEEE,
Washington, DC: 199-202.
Nguyen, C.T.-C., 1995, «Micromechanical resonators for oscillators and filters» 1995
IEEE Ultrasonics Symposium, IEEE, Washington, DC: 489-499.
Pozar, D.M., 1998, Microwave Engineering, 2nd ed., Wiley, New York.
Rebeiz, G.M., Katehi, L.P.B., Weller, T.M., Chi, C.-Y., Robertson, S.V., 1997, «Mi-
cromachined membrane filters for microwave and millimeter-wave applications» In-
ternational Joufnal of Microwave and Millimeter-wave CAE 9:.149-166.
Robertson, S.V., Katehi, L.P.B., Rebeiz, G.M., 1996, «Micromachined W-band filter»
IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 44: 598-606.
Rossi, M., 1988, Acoustics and Electroacoustics, Artech House, Norwood, MA.
Ruppel, C.C.W., Dill, R., Fischerauer, A., Gawlik, A., Machui, J., Muller, F., Reindl.
L., Ruile, W., Scholl, G., Schroll, L, Wagner, K.C., 1993, «SAW devices for consumer
communication applications» IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and
Frequency Control 40: 438-452.
Smith, P.M., 1995, «Power SAWs: analog signal processing with surface acoustic wave
devices» IEEE Potentials 14(5): 18-20.
Su, Q.X., Kirby, P.B., Komuro, E., Whatmore, R.W., 2000, «Edge supported ZnO
thin film bulk acoustic wave resonators and filter design» in 2000 IEEE/EIA In-
ternational Frequency Control Symposium and Exhibition, IEEE, Washington, DC:
434-440.
Tang, W.C., Nguyen, T.C.H., Howe, R.T., 1989, «Laterally driven polysilicon resonant
microstructures» Sensors and Actuators 20: 25-32.
Wang, K., Nguyen, C.T.-C., 1997, «High-order micromechanical electronic filters»
in Proceedings of 1997 IEEE International Microelectromechanical Systems Work-
shop, IEEE, Washington, DC: 25-30.
Wang, K., Wong, A.-C, Nguyen, C.T.-C., 2000, «VHP free-free beam high-Q microme-
chanical resonator» Journal of Microelectromechanical Systems 9: 347-360.
Zhang, X., Tang, W.C., 1994, «Viscous air damping in laterally driven microres-
onators» MEMS ’94, Proceedings, IEEE Workshop on Micro Electro Mechanical
Systems, IEEE, Washington, DC: 199-204.
ГЛАВА 6
'Г , •- • ижгй
.и МИКРОФАЗОВРАЩАТЕЛИ
6.1. Введение
Фазовращатель — это четырехполюсная схема, разность фаз меж-
ду входом и выходом которой задается сигналом управления, обыч-
но постоянным напряжением смещения. Поскольку фазовращатели
обладают малыми вносимыми потерями, низкой мощностью управ-
ляющего сигнала, возможностью непрерывной регулировки и не-
большой стоимостью изготовления, они используются для построе-
ния легких фазоуправляемых решетчатых антенн. Современные СВЧ
и ВЧ фазоуправляемые решетчатые антенны пользуются широким
спросом из-за их способности управлять волновым сигналом в про-
странстве без физического перемещения элементов антенны, что
необходимо для быстрого перенаправления сигнала или его фор-
мирования. Это достигается при помощи электронного управления
фазой сигнала в системе антенны. Таким образом можно сформи-
ровать любую форму сигнала антенны и направить его в нужную
сторону, не приводя в движение ни один элемент антенны. Типо-
вая современная решетчатая антенна состоит их нескольких тысяч
элементов, каждый из которых управляется фазовращателем, что
позволяет получать практически любое результирующее направление
сигнала. Поэтому для таких антенн просто необходимы легкие фа-
зовращатели, обладающий малыми потерями и низкой стоимостью.
Фазовращатели, как правило, относятся к классу цифровых уст-
ройств, поскольку они могут обеспечивать только дискретный ряд
значений, например, 90°, 45°, 22.5°, 11.25° и т. д., но также может
быть разработан аналоговый фазовращатель, позволяющий непре-
рывную регулировку фазы.
В фазоуправляемых решетчатых антеннах фазовращатели меня-
ют эффективную длину пути линии передач, настраивая сдвиг фаз
для каждого элемента. Для корректной работы в составе антенны
от фазовращателя требуется хорошее согласование по импедансу,
возможность оперировать с сигналами требуемой мощности, низкая
мощность сигналов управления и быстрая скорость реакции. К нас-
тоящему моменту времени уже разработано много вариантов фазо-
6.2. Разновидности фазовращателей и их ограничения
вращателей, удовлетворяющих данным требованиям. Например, в
1957 году были изготовлены электронные фазовращатели (Reggia,
Spencer, 1957), что было по тем временам огромным достижением,
поскольку они позволили реализовать практически безинерционное
управление фазой, невозможное при использовании механических
фазовращателей. В дополнение к ферритовым фазовращателям в
середине шестидесятых годов двадцатого века был разработан дру-
гой важный класс фазовращателей, названный полупроводниковы-
ми фазовращателями, реализованными на основе PIN диодов (см.
раздел 3.4.2), используемых для переключения фаз (White, 1965).
После чего произошел качественный скачок в развитии электрон-
ных фазовращателей. Например, на основе полупроводниковых тех-
нологий был построен новый тип активных полупроводниковых фа-
зовращателей, использующих GaAs полевые транзисторы, что да-
ло возможность изготавливать монолитные устройства (Coget et al,
1989, Kato et al, 1992).
Как правило, ферритовые фазовращатели обладают низкими вно-
симыми потерями и могут работать с довольно мощными сигна-
лами, однако они являются сложными по своей природе и имеют
высокую стоимость изготовления. В то время как полупроводнико-
вые фазовращатели, построенные на основе PIN диодов или полевых
транзисторов, являются более дешевыми и меньшими по размеру по
, сравнению с ферритовыми, однако их применение ограничено боль-
шими вносимыми потерями. Для преодоления этих ограничений не-
давно были разработаны новые виды фазовращателей, использую-
щих мостовые электромеханические микросистемы (Barker, Rebeiz,
1998, De Flaviis, Alexopoulos, 1997, Liu et al, 2000, Pillans et al, 2000)
и тонкопленочные материалы, такие как титанат стронция бария
(BST, Jose et al, 2001, Varadan et al, 1991, 1995).
В настоящее время уделяется повышенное внимание разработке
фазоуправляемых решетчатых антенн на основе микрофазовраща-
телей. В этой главе описаны несколько вариантов фазовращателей,
в том числе микрофазовращателей и ферроэлектрических тонкопле-
ночных'-фазовращателей, а также рассмотрено изготовление поли-
мерных фазовращателей методом микростереолитографии.
1 о
6.2. Разновидности фазовращателей и их
4 г ограничения
На рис. 6.1 показана схема, поясняющая принцип действия фазо-
управляемой решетчатой антенны, построенной на основе фазовра-
.ML. ......
Глава 6. Микрофазовращатели
щателей. Из схемы видно, что направление сигнала регулируется
изменением относительных фаз между отдельными элементами ан-
тенны. Существуют два типа фазовращателей:
(1) на основе ферритовых материалов. Здесь сдвиг фаз достига-
ется за счет изменения поля подмагничивания,
на основе полупроводниковых компонентов.
(2)
Рис. 6.1. Принцип действия фазоуправляемой решетчатой антенны, по-
строенной на основе фазовращателей. Репродукция из книги
!* Varadan et al, 1995
6.2.1. Ферритовые фазовращатели
Принцип действия таких фазовращателей основан, на взаимодей-
ствии электромагнитных волн с движением электронов в намагни-
ченных ферритах. Приложенное магнитное поле изменяет магнит-
ную проницаемость ферритов, что сказывается на движении элек-
тронов. Поэтому, управляя приложенным магнитным полем, мож-
но регулировать постоянную распространения электромагнитных
волн, и, соответственно менять их фазу. Ферритовые фазовращате-
ли могут найти свое применение в различных устройствах, таких
как волноводы, коаксиальные линии, полосковые и микрополосковые
6.2. Разновидности фазовращателей и их ограничения 95
линии, работающие либо в цифровом, либо в аналоговом режимах
(Koul, Bhat, 1991).
Благодаря тому, что ферритовые фазовращатели имеют малый
вес и размеры, они широко используются в фазоуправляемых ре-
шетчатых антеннах. Однако из-за сравнительно высокой стоимо-
сти, сложности и ограничений по частоте они не годятся для при-
менения во многих военных комплексах и спутниковых системах
мобильной связи.
6.2.2. Полупроводниковые фазовращатели
В зависимости от типа электронного ключа, используемого для упра-
вления полупроводниковыми фазовращателями, они делятся на две
группы: фазовращатели на PIN диодах и фазовращатели на полевых
транзисторах.
6.2.2.1. Фазовращатели на PIN диодах
PIN диод состоит из р-n перехода с минимально легированной вну-
тренней зоной между областями р- и n-типа. Введение дополни-
тельной внутренней зоны позволяет изменять характеристики дио-
да, например, при прямом смещении можно регулировать проводи-
мость устройства, а при обратном смещении — его емкость. PIN-
диоды широко применяются в СВЧ схемах для модуляции амплиту-
ды, ослабления сигналов и в составе ВЧ ключей, фазовращателей и
ограничителей.
PIN диод
Р'исГ 6.2. а — Вольтамперная характеристика PIN-диода, б — схема диода
во включенном и выключенном состоянии (см. рис. 3.6)
В фазовращателях PIN диоды выполняют роль электронных клю-
чей, для чего используется переключение управляющего тока из обла-
сти прямого смещения в область обратного смещения. На рис. 6.2
показана схема и типичная вольтамперная характеристика PIN ди-
ода. Внутренняя 1-зона влияет на переключательные характеристи-
ки диода следующим образом: при прямом смещении она уменьшает
Глава 6. Микрофазовращатели
импеданс диода, а при обратном смещении — значительно увеличи-
вает его. В фазовращателях, использующих PIN диоды, сдвиг фаз
формируется за счет переключения сигнала между линиями разной
длины /о и Iq+i, как показано на рис. 6.3. Величина фазового сдви-
га соответствует задержке, вызванной увеличением длины пути /9/,
где (3 — постоянная распространения сигнала в среде. > ’
Рис. 6.3. Схема, поясняющая использование PIN диода для переключения
линий в фазовращателе
6.2.2.2. Фазовращатели на полевых транзисторах
Полевые транзисторы, используемые как двухполюсные ключи, управ-
ляются напряжением смещения на затворе. По сравнению с PIN
диодами они обладают несколькими преимуществами: значитель-
но большей скоростью переключения нс), низкой потребляемой
мощностью и совместимостью с монолитными ИС (Koul, Bhat, 1991).
В то время как фазовращатели на PIN диодах являются цифровыми
по своей природе, фазовращатели на полевых транзисторах могут
быть как цифровыми, так и аналоговыми.
Однако полупроводниковые фазовращатели на PIN диодах и по-
левых транзисторах являются довольно дорогими устройствами, об-
ладающими значительными потерями в СВЧ диапазоне, в то время
как для применения в решетчатых антеннах необходимы недорогие
рентабельные компоненты. С этой точки зрения для построения ми-
крофазовращателей перспективными являются две новые техноло-
гии, использующие тонкопленочные нелинейные диэлектрики и ми-
кропереключатели. Было показано, что микрофазовращатели, реа-
лизованные по этим технологиям, обладают значительно меньшими
вносимыми потерями (< 2 дБ) и возможностью сдвига фаз в СВЧ
диапазоне вплоть до 360°.
6.3. Микрофазовращатели
6.2.3. Ферроэлектрические тонкопленочные
фаз овращат ели
Применение тонких пленок из титаната стронция бария (BST) для
изготовления перестраиваемых ВЧ и СВЧ компонентов, таких как
фильтры и фазовращатели, является очень перспективным. При этом
используется следующее свойство BST — изменение диэлектриче-
ской проницаемости при изменении приложенного электрического
поля. В разделе 6.4 будет дано подробное описание фазовращателей
на основе тонких пленок из BST.
6.2.4. Ограничения фазовращателей
Несмотря на то, что ферритовые фазовращатели обладают низкими
вносимыми потерями и могут работать с сигналами большой мощ-
ности, их сложность и стоимость являются большими проблемами,
мешающими их распространению. Полупроводниковые фазовраща-
тели на PIN диодах и полевых транзисторах — более дешевые и
меньше по размерам по сравнению с ферритовыми устройствами, но
из-за больших вносимых потерь на высоких частотах и невозмож-
ности работы с мощными сигналами их применение также ограни-
чено. Невозможность организации непрерывной регулировки фазы
является проблемой существующих фазовращателей, в то время как
в современных адаптивных антеннах и фазоуправляемых радарах
требуется именно непрерывный режим настройки сдвига фаз.
'«И
г 6.3. Микрофазовращатели
Микропереключатели и другие микроустройства обладают исключи-
тельными рабочими характеристиками в ВЧ и СВЧ диапазонах,
такими как высоким коэффициентом развязки и низкой мощностью
цепей управления. Микропереключатели могут быть включены в
cxeMj? фазовращателей для переключения между двумя сигнальны-
ми линиями разной длины при формировании фазового сдвига, как
показано на рис. 6.3, или использоваться в качестве распределен-
ных емкостных ключей, в которых переключатель меняет эффек-
тивную емкость линии передач. Объединение технологий производ-
ства микросистем и новых диэлектрических материалов с регулиру-
емыми характеристиками позволит реализовать в ближайшем буду-
щем легкие и недорогие решетчатые антенны с большим диапазоном
настройки фаз при значительном снижении стоимости их изгото-
Глава 6. Микрофазовращатели
вления. Большим достоинством новых диэлектрических материалов
является возможность организации непрерывной регулировки фаз.
6.3.1. Переключаемые фазовращатели на основе
линий задержки
По сравнению с полупроводниковыми ключами на основе PIN дио-
дов и полевых транзисторов, микропереключатели обладают значи-
тельно меньшими вносимыми потерями, хорошим коэффициентом
развязки на высоких частотах, очень низким потреблением мощ-
ности по постоянному току и малыми искажениями от взаимной
модуляции сигналов (Goldsmith et al, 1995, 1998, Muldavin, Rebeiz,
2000, Yao et al, 1999) и поэтому могут использоваться во многих ВЧ
устройствах, включая фазовращатели. Хотя существуют две груп-
пы микропереключателей: резистивные последовательные ключи (ме-
талл-металл) и емкостные параллельные ключи (металл-диэлектрик-
металл), в ВЧ устройствах обычно используются емкостные парал-
лельные ключи, поскольку им требуется меньшее управляющее на-
пряжение, и они обладают лучшей скоростью переключения по срав-
нению с последовательными переключателями (Isom et al, 2000).
Рассматриваемые фазовращатели, как правило, состоят из кас-
кадно включенных фазовращателей, смещающих сигнал на 180 °,
90°, 45°, 22.5°, 11.25°. Переключатели служат для выборочного
подключения разных линий при формировании тракта прохожде-
ния ВЧ сигналов. Разность длин линий определяет значение сдвига
фаз. В работе (Pillans et al, 1999) описаны трехразрядный и четы-
рехразрядный фазовращатели для Ка-диапазона, изготовленные на
кремниевой подложке. При помощи трехразрядного фазовращателя
удалось получить сдвиг фаз в диапазоне 0°... 315° с шагом 45°, а
четырехразрядного — 0°... 337.5 ° с шагом 22.5 °. На рис. 6.4а пока-
зан четырехразрядный фазовращатель, обладающий средними вно-
симыми потерями на уровне 2.25 дБ, а на рис. 6.4 6 — аналогичный
трехразрядный фазовращатель с уровнем вносимых потерь, равным
1.7 дБ. Обе конструкции реализованы на 6-мм кремниевой подложке
с высоким удельным сопротивлением. Переключение в обоих фа-
зовращателях выполнялось при помощи параллельных емкостных
ключей.
6.3.2. Распределенные микрофазовращатели
Емкостной параллельный ключ состоит из тонкой металлической
мостовой структуры, подвешенной над центром электрода копла-
нарного волновода, которая под воздействием постоянного напря-
6-3. Микрофазовращатели
жения смещения опускается вниз. На нижний электрод наносится
тонкий слой диэлектрического материала, например, нитрид крем-
ния, для уменьшения эффекта залипания и обеспечения изоляции
между металлическим мостом и нижним электродом.
резонансное
ВЧ заземление^
ВЧ вход
ВЧ микро-
переключатель |
180s
разряд
И
контактные
площадки для
-постоянного
напряжения
смещения
ВЧ выход
развязывающий
резистор
резонансное
ВЧ заземление ]
90° 45° 22.5е
разряд разряд разряд
(а)
« И ®
90° 45°
разряд разряд
(б)
контактные
площадки для
I постоянного
напряжения
смещения
ВЧ выход
к ВЧ микро-
переключатель
180°
разряд
Рис. 6.4. Фотографии: а — четырехразрядного и б — трехразрядного ми-
крофазовращателей. Репродукция из книги В. Pillans, S. Eshel-
, man, A. Malczewshi, j. Ehmke, C. Goldsmith, 1999, «Ka-band RF
MEMS phase shifters», IEEE Microwave and Guided Wave Letters 9:
520-522 с разрешения IEEE, ©1999 IEEE
На рис. 6.5 показана схема мостового ключа. Когда между ниж-
ним электродом и металлическим мостом подается постоянное на-
пряжение смещения, электростатические силы притяжения заста-
вляют металлическую мембрану опускаться вниз. При увеличении
напряжения смещения система становится нестабильной и, когда
отклонение мембраны достигает 1/3 от высоты зазора, мостовая
структура резко падает на нижний электрод (рис. 6.56).
Напряжение, соответствующее точке нестабильности, называет-
ся напряжением срабатывания, которое задается следующим выра-
жением (6.1) (Goldsmith et all, 1996).
Глава 6. Микрофазовращатели
TZ _( 8k 3V1/2
Р \27eoW5o7
(6-1)
где Ео — диэлектрическая проницаемость свободного пространства,
W — ширина нижнего электрода, w — ширина микропереключате-
ля, до — высота ключа, ах — эффективный коэффициент упругости
ключа, который можно оценить по формуле (Osterberg et al, 1994):
32Et3w 8cr(l—v)tw
k = -p- +---------1------- <6'2>
где E — модуль Юнга для материала моста, t — толщина мо-
ста, L — длина ключа, а — напряжение остаточного растяжения
в конструкции ключа, a v — коэффициент Пуассона для материала
ключа.
сквозные отверстия
опоры
диэлектрический слой
(а) разомкнутое состояние
выход
(б) замкнутое состояние _ .
Рис. в.5. Схема параллельного моста: а — в разомкнутом состоянии,
б — в замкнутом состоянии. Репродукция из книги С. Gold-
smith, J. Randall, S. Eshelman, Т.Н. Lin, D. Denniston, S. Chen,
B. Norvell, 1996, «Characteristics of micromachined switches at mi-
crowave requencies», Proceedings of IEEE MTT-S International Mi-
г.. crowave Symposium, Volume 2, IEEE, Washington, DC: 1141-1144 c
разрешения IEEE, ©1996 IEEE
Приложенное напряжение смещения между мостовой структу-
рой и нижним электродом изменяет высоту моста, что в свою оче-
редь приводит к изменению распределенной емкости микрострук-
туры. Это вызывает изменение импеданса нагруженной линии пе-
редач и фазовой скорости, в результате чего появляется сдвиг фаз.
На рис. 6.6 показано, что микроструктура, состоящая из нескольких
мостов, работает как фазовращатель, если напряжение смещения не
достигает напряжения срабатывания.
6.3. Микрофазовращатели 401
Основные недостатки параллельных ключей — низкая скорость
переключения (несколько микросекунд) и высокое управляющее на-
пряжение (20 ... 100 В). В то время как ключи на PIN диодах имеют
скорость переключения порядка 1 мкс при управляющем напряже-
нии 5 В. Несмотря на низкую скорость переключения, параллельные
ключи могут применяться в фазоуправляемых решетчатых антен-
нах, однако они не подходят для использования в устройствах пере-
дачи и приема сигналов. Уменьшая высоту зазора между мостом и
нижним электродом, можно снизить управляющее напряжение. Од-
нако при этом увеличится паразитная емкость моста в разомкнутом
состоянии, что приведет к изменению импеданса линии. Существует
еще один способ снижения управляющего напряжения — использо-
вание материалов с низким модулем Юнга, что будет рассмотрено
в разделе 6.3.3 (Ji, Vinoy, Varadan, 2001).
линия питания площадка
для зонда
Рис. 6.6. Схема фазовращателя на основе распределенной линии передач.
Ширина, и длина мостовых конструкций составляет 60 мкм и
580 мкм с расстоянием между ними 30 мкм, что приводит к пол-
ной длине структуры, равной 5.2 мм. Репродукция из книги N.S.
Barker, G.M. Rebeiz, 1998, «Distributed MEMS true-time delay phase
shifter and wide-band switches»IEEE Microwave Guided Wave Letter
(April): 1881 1890 с разрешения IEEE, ©1998 IEEE
В работе (Barker, Rebeiz, 1998) описан микрофазовращатель на
основе распределенной линии передач, использующий микропере-
ключатели (рис. 6.6). Это широкополосное устройство дает возмож-
ность получить сдвиг фаз, равный 118° при уровне потерь 2 дБ на
частоте 60 ГГц. В работе (Borgioli et al, 2000а, 2000b) приведена схе-
ма одноразрядного фазовращателя для К/Ка диапазона (рис. 6.7),
реализованного на основе емкостных микропереключателей, кото-
рая выдает сдвиг фаз, равный 270 ° на частоте 35 ГГц. Также появи-
лась информация о разработке многоразрядных микрофазовраща-
телей. Например, в работе (Hayden et al, 2000) дано описание двух-
разрядного фазовращателя на основе распределенного копланарно-
го волновода, работающего в Х-диапазоне. Такой микрофазовра-
Глава 6. Микрофазовращатели
щатель состоит из последовательного соединения мостов и МДМ-
конденсаторов. На одной секции можно получить сдвиг фаз 90°,
на восьми каскадно соединенных секциях — 180°, на шестнадцати
секциях — 0/90/180/270 °. В зависимости от поданного напряжения
на линию передач, меняется емкость всего устройства: от емкости
одного моста (Сь) до полной сосредоточенной емкости устройства
(СД, что является преимуществом такого микрофазовращателя.
секции линии передач
микроконденсаторы
Рис. 6.7. а — схема фазовращателя, б — его фотография. Полная длина
фазовращателя равна 8.58 мм. Репродукция из книги A. Borgioli,
Y. Liu, A.S. Nagra, FLA. York, 2000, «Low loss distributed MEMS
phase shifter», IEEE Microwave and Guided Wave Letters'. 7-9 с раз-
решения IEEE, ©2000 IEEE
В работе (Hayden et al, 2001) приведена другая конструкция
двухразрядного и четырехразрядного фазовращателей, состоящая
из каскадного соединения секций на 180° и 90°, показанных на
рис. 6.8 (стр. 403).
На рис. 6.9 (стр. 404) показана фотография трехразрядного ми-
крофазовращателя для К-диапазона , состоящего из трех однораз-
рядных фазовращателей на 180 °, 90 ° и 45 °. Каждый одноразрядный
фазовращатель состоит из копланарного волновода, нагруженного
несколькими параллельными микроконденсаторами
Распределенные микрофазовращатели состоят из линий с высо-
ким импедансом (> 50 Ом), имеющих емкостную нагрузку, образуе-
мую за счет подключения повторяющихся мостовых структур. Для
таких конструкций существует верхний предел по частоте, называ-
емый частотой Брэгга, выше которой значительно увеличиваются
потери на отражение сигналов. Для распределенных линий передач
и мостовых структур существует несколько важных параметров,
6.3.
которые необходимо учитывать при разработке микрофазовраща-
телей. Эти параметры выводятся, исходя из технологии изготовле-
ния микроустройства и рабочих характеристик схемы.
Рис. 6.8. а — двухразрядные
фазовращатели: на 180 ° (верх-
ний) и 90° (нижний), б — од-
на секция. Репродукция из кни-
ги J.S. Hayden, A. Malszewski, J.
Kleber, C.L. Goldsmith, G.M. Re-
beiz, 2001, «2 and 4-Bit DC-18
GHz microstrip MEMS distribut-
ed phase shifters», Proceedings of
IEEE MTT-S International Mi-
crowave Symposium, IEEE, Wash-
ington, DC: 219-222 с разрешения
IEEE, ©2001 IEEE
(6)
6.3.2.1. Разработка распределенных микрофазовращателей
На рис. 6.10 показана схема распределенного микрофазовращателя,
состоящего из высокоимпедансной линии передач (Zo), периодичес-
ки нагружаемой переменными микроконденсаторами. Нененагру-
женная линия должна иметь высокий импеданс для того, чтобы
нагруженная линия вместе с мостовыми структурами могла быть
согласована с 50-ти омными устройствами. Емкость и индук-
тивностиэ Lf ненагруженной линии передач можно записать в виде
(Barker, Rebeiz, 1998):
Lt — ---,
cZ0
Lt = CtZl,
(6.3)
(6-4)
где Erejf — эффективная диэлектрическая проницаемость ненагру-
женной линии передач, с — скорость распространения в свободном
14'
Глава 6. Микрофазовращатели
пространстве. Для копланарной волноводной линии Zo и ereff зави-
сит от ее физических свойств, что будет показано далее.
узел постоянного напряжения
(а)
(б)
Рис. 6.9. а — фотография распределенного микрофазовращателя, б — уве-
личенный вид ключа. Репродукция из книги Y. Liu, A. Borgi-
oli, A.S. Nagra, R.A. York, 2000, «К-band 3-bit low-loss distribut-
... ed MEMS phase shifter», IEEE Microwave and Guided Wave Letters
(October): 415 417 с разрешения IEEE, ©2000 IEEE
Рис. 6.10. Схема
фазовращателя с
распределенной
линией передач
Принимая во внимание симметричность копланарной линии пе-
редач, аналитические выражения для электрических параметров в
квази-поперечном электромагнитном поле можно значительно упро-
стить. Для этого в четных волнах распространения сигналов центр
симметрии заменяют на магнитную стенку. Для определения зна-
чений характеристик распространения сигнала применяют метод
конформных отображений.
Выражение для полной емкости копланарного волновода можно
представить в виде суммы двух параллельных емкостей: Сд и С2,
что связано с наличием в системе воздуха и диэлектрической под-
ложки (Ghione, Naldi, 1987):
где
12 _ А К(к1)
1 £°23 4£°K(fci)’
-п 1/2
/с' = (1 - A;2)l/2; i = 1,2,...
(6-5)
(6-6)
(6-7)
и К (к) — полный эллиптический интеграл первого рода.
Выражение для емкости 6’2 можно записать как [28]:
12 К (к' 1
Ci = 2s0(Er - 1)— = 2е0(ег - 1) тг / А , (6-8)
23 К (к2)
где
(^)
sinh V1 -sinh2 ш /sinh2 ’
(6-9)
Теперь можно записать выражения для емкости на единицу дли-
ны и эффективной диэлектрической проницаемости копланарного
волновода:
. С — Ci + С2 — 4ео 1 + o(£r — 1)
А («1) [ 2
б’Ы . L
£е//“ СОТ + 2(£г “ 1к1’
где коэффициент заполнения qi определяется как:
К(к'2)К (fci)
к(к2)К(к{) •
91,
(6.10)
(6.11)
(6-12)
Характеристический импеданс волноводной линии определяется вы-
ражением:
ЗОтг К(к[)
Для копланарных волноводов разной конфигурации вышеописан-
ный метод конформных отображений может быть расширен гра-
ничными условиями, учитывающими верхний экран и защитное пок-
рытие проводников.
Копланарную волноводную линию, периодически нагружаемую
микроконденсаторами, можно представить в виде эквивалентной
схемы, состоящей из сосредоточенных индуктивности Lf и емко-
сти Ct, параллельно с которой включен заземленный переменный
конденсатор (рис. 6.11). Характеристический импеданс Z\ и фазо-
вая скорость такой мостовой структуры, нагруженной волноводной
линией передач, а также ее частота Брэгга могут быть записаны в
виде (Barker, Rebeiz, 1998):
Zi = Lt
f - Л
/ВГа99 ~ 7Г8
(6.14)
(6.15)
(6.16)
где Сь/s — распределенная емкость нагруженной линии.
Рис. 6.11. Эквивалентная схема нагруженной
распределенной линии передач
Сдвиг фаз на едини-
цу длины, связанный с из-
менением характеристи-
ческого импеданса рас-
пределенной линии пере- j
дач, вызванного измене-
нием емкости мостовой
структуры в ответ на
приложенное напряжение
смещения, определяется следующим выражением:
д , <^Zoy/£reff Г 1 1 1
Д0 =-------------- —-----— , рад/м
С \_%lu ^ld J
(6-17)
где Ziu и Zid — характеристические импедансы распределенной ли-
нии передач мостовой структуры в двух состояниях: когда ее ем-
6.3. Микрофазовращатели
кость минимальна и когда максимальна. Максимальный сдвиг фаз
соответствует моменту, когда приложенное напряжение сравнива-
ется с напряжением срабатывания, определяемого выражением (6.1).
6.3.3. Полимерные фазовращатели
Микрофазовращатели обладают низкими вносимыми потерями, что
объясняется тем, что мостовые структуры эффективно предотвра-
щают возникновение токов утечки. Но, к сожалению, для работы им
требуется высокое управляющее напряжение. Например, для умень-
шения паразитной емкости обычного металлического моста его де-
лают высотой не меньше 3 мкм, исходя из этого, определяется упра-
вляющее напряжение, которое в данном случае должно быть поряд-
ка 100 В. Управляющее напряжение можно снизить, либо уменьшая
высоту моста, либо применяя для изготовления моста материалы
с более низким модулем упругости, такие как полимеры. Однако
уменьшение высоты приводит не только к снижению напряжения
управления, но и уменьшению выпуска годных изделий и увеличе-
нию паразитной емкости мостовой структуры. Снижение выпуска
годных изделий объясняется технологическими трудностями при
освобождении мостовых микроструктур с узким зазором от ниж-
них подложек. С технологической точки зрения, чем больше высота
моста, тем выше выход продукции. Изготовление микроструктур
моста из полимерных материалов, чей модуль упругости составляет
порядка 5 ГПа (для металлов модуль упругости лежит в диапазоне
50... 100 ГПа), позволяет значительно снизить управляющее напря-
жение. Из уравнения (6.1) следует, что для одинаковых по размеру,
но выполненных из разных материалов мостовых структур требует-
ся разное управляющее напряжение. Так для структуры из полимера
напряжение управления будет в три раза меньше, чем для моста из
металла. Для изготовления полимерных микрофазовращателей ис-
пользуется метод микростереолитографии (МСЛ) (Varadan, Jiang,
Varadan, 2001), который по сравнению с традиционной литографи-
ей имбет ряд преимуществ: например, быстрое макетирование 3D
микроструктур, приводящее к снижению стоимости начальных ста-
дий проектирования. В этом разделе приводится краткое описание
метода микростереолитографии и способов его использования для
изготовления полимерных микромостов.
Микростереолитография была разработана в 1993 году для из-
готовления сложных 3D микроструктур с высоким характеристи-
ческим соотношением (Ikuta, Hirowatari, 1993). В отличие от тра-
408 Глава 6. Микрофазовращатели
диционного процесса изготовления микроструктур МСЛ является
аддитивным процессом, позволяющим формировать микросистемы
с высоким характеристическим соотношением на основе новых ин-
теллектуальных материалов. МСЛ, в принципе, совместима с крем-
ниевой технологией и пригодна для использования в массовом про-
изводстве (Ikuta, Hirowatari, 1993, Katagi, Nakajima, 1993). Суще-
ствует несколько вариантов МСЛ систем, различающихся точно-
стью изготовления микроструктур и быстродействием. Чаще дру-
гих применяются сканирующая МСЛ (Ikuta et al, 1996) и проек-
ционная МСЛ (Bertsch, Lorenz, Renaud, 1998, Monnert et al, 1999,
Nakamoto, Yamaguchi, 1996). Сканирующая МСЛ формирует твер-
дые микроструктуры методом точку-за-точкой, линию-за-линией, в
то время как проекционная МСЛ строит каждый слой за один сеанс
экспонирования, что значительно сокращает время изготовления.
МСЛ технология позволяет изготавливать различные микрострук-
туры без применения дополнительных фотомасок, что невозможно
сделать традиционными поверхностными методами на кремниевой
подложке. В этой технологии используется система компьютерного
проектирования (CAD) и чувствительные к УФ излучению поли-
меры (например, SU-8). Для реализации электростатического спо-
соба управления полимерными мостовыми микроструктурами, их
необходимо покрывать металлом. Следовательно, требуется разра-
ботать соответствующий метод металлизации полимерной структу-
ры и оптимизировать его технологические допуски. Важность этого
определяется тем, что производственный выход полимерных фазо-
вращателей значительно зависит от этой стадии процесса изгото-
вления, а также от способа освобождения мостовой микрострукту-
ры от нижней подложки.
Модуль Юнга для мостовой структуры, состоящей из двух раз-
ных материалов, например, металла и полимера, определяется сле-
дующим выражением (Van Keuls et al, 1997):
‘ wfii+ia)3’ . ’
- lvr\ t2-E'l-E'2
К' = 4+6(У) + M
Vi / E2t2 Vi / Ei \ti J
(6.18)
(6.19)
(6.20)
где w — ширина моста, ti и t2 — толщины материала 1 и материа-
6.3. Микрофазовращатели
ла 2, Ei и В-2 — модули Юнга материала 1 и материала 2. Например,
для моста длиной L = 1000 мкм и высотой до = 4.5 мкм, состоящего
из полимера SU-8 толщиной 10 мкм (Е = 5 ГПа) и термически на-
пыленного слоя золота толщиной 0.1 мкм (Е = 61 ГПа), напряжение
срабатывания составляет 57 В (считая а = 0). Для снижения это-
го напряжения можно уменьшить толщину полимерного моста без
изменения его высоты. Так снижение толщины полимера до 5 мкм
приводит к уменьшению напряжения срабатывания до 21 В. Отсюда
видно, что полимерные мосты работают при гораздо более низких
управляющих напряжениях, чем аналогичные структуры из метал-
ла, что связано со сравнительно низкими значениями модуля Юнга
для полимеров.
(б)
Рис. 6.12. Применение МСЛ для из-
готовления микрофазовращателей:
а — нанесение металлического слоя
для формирования мостовых струк-
тур, б — облучение полимерной
структуры после нанесения SU-8,
в — удаление защитного слоя
s .; . у
(В)
металл
фото-
резист
диэлектри- кремний
ческий слой
На рис. 6.12 показана последовательность изготовления микро-
фазовращателей методом МСЛ. Изготовление распределенных ми-
крофазовращателей начинается с формирования линии передач на
подложке из кремния, сапфира или кварца. Для реализации копла-
нарной волноводной линии передач применяется либо метод напы-
ления металлов, либо метод травления. На центральную часть элек-
трода обычно наносится диэлектрический слой, предотвращающий
замыкание мостовой структуры с электродом. На диэлектрический
слой осаждается защитный слой из фоторезиста или оксидов. Тол-
щина этого слоя определяет высоту моста. На защитном слое фор-
мируется маска. Далее методами осаждения или напыления нано-
сится слой металла для формирования электродов моста. Перечи-
сленные технологические этапы являются общими, как для кремние-
вых поверхностных технологий, так и для МСЛ. Однако следующий
этап уже характерен только для МСЛ.
Для изготовления мостов используются полимеры, чувствитель-
ные к УФ излучению. Такие полимеры наносятся на металлический
слой и подвергаются УФ облучению для формирования полимерных
мостовых микроструктур в соответствии с CAD-проектом. В каче-
стве полимерного материала, как правило, используется SU-8, в для
защитного слоя применяется фоторезист PR (Shipley 1827). SU-8
выбран из-за его сильной адгезии к металлам и устойчивости к аце-
тону (травильному реагенту). После удаления в ацетоне защитно-
го слоя и металла, непокрытого SU-8, растворяются необлученные
участки SU-8 при помощи PGMEA (пропилен гликоль метил эфир
ацетат). Металл, находящийся под структурой полимерного моста,
используется как электрод для подачи управляющего напряжения.
Далее подложка промывается в изопропиловом спирте (IP А) и поме-
щается в вакуумную камеру для медленного просушивания и осво-
бождения мостовой микроструктуры.
6.4. Ферроэлектрические фазовращатели
Тонкопленочные фазовращатели, управляемые напряжением, могут
быть изготовлены внутри микрополосковых или копланарных вол-
новодов. Фазовращатели на основе микрополосковых линий передач
обычно строятся на объемных керамических или ферроэлектриче-
ских подложках (Jose et al, 2001, Van Keuls et al, 1997, Varadan et
al, 1991, 1995). Монолитная интеграция линий передач и фазовра-
щателей позволяет повысить надежность всей системы при одно-
временном снижении ее стоимости. Однако микрополосковые фа-
зовращатели, йзготовленные на неполупроводниковых подложках,
невозможно объединять с другими активными и пассивными эле-
ментами. Поэтому фазовращатели на основе копланарных волно-
водов, реализованные на полупроводниковых подложках, получили
более широкое распространение (Acihel, Liu, 2001, Neidert, Krowne,
1985). Этому также способствовало то, что компьютерное проекти-
рование СВЧ копланарных волноводов помогает устранить влияние
сложных краевых полей.
64- Ферроэлектрические фазовращатели 4Н^
По сравнению с ферроэлектрическими фазовращателями полу-
проводниковые фазовращатели обладают большим быстродействи-
ем и совместимостью с монолитными СВЧ ИС. Но из-за низкой до-
бротности на высоких частотах они имеют ограничения по рабочей
частоте. В СВЧ диапазоне вносимые потери полупроводниковых
устройств очень сильно возрастают. Поэтому здесь предпочтитель-
нее применение ферроэлектрических материалов.
Несмотря на то, что для построения СВЧ фазовращателей под-
ходят различные ферроэлектрические материалы, чаще всего ис-
пользуется титанат стронция бария (BST), поскольку его диэлек-
трическая проницаемость сильно зависит от приложенного посто-
янного напряжения.
6.4.1. Распределенные конденсаторы с
параллельными пластинами
Широкое распространение ферроэлектрических конденсаторов в раз-
личных микроустройствах связано с их малыми диэлектрическими
потерями и возможностью регулирования при помощи напряжения.
Было показано, что применение тонких пленок из BST для из-
готовления запоминающих устройств и СВЧ схем является весьма
перспективным (Erker, Nagra, 2000, York, Nagra, 2001).
За счет этого достигнут значительный прогресс в разработке
гребенчатых конденсаторов и конденсаторов с параллельными пла-
стинами, построенных на основе копланарных волноводов.
Емкость таких конденсаторов зависит от напряжения, поданно-
го на два электрода. Поскольку при этом электрические поля не
выходят за пределы узких параллельных пластин, удается получить
высокую конструктивную надежность даже при использовании тон-
ких электродов. На рис. 6.13 показана схема конденсатора с парал-
лельными пластинами. Здесь слой BST нанесен между двумя ме-
таллическими электродами. Всю конструкцию можно представить
в виде'двух последовательных конденсаторов, где роль общего элек-
трода играет подложка. Для уменьшения потерь зазор между двумя
верхними пластинами должен быть узким.
Приложенное напряжение управляет фазовой скоростью сигнала
в линии передач, нагруженной BST-конденсаторами, что объясня-
ется зависимостью диэлектрической проницаемости тонкой пленки
из BST от напряжения. Выражения для емкости между параллель-
ными пластинами, емкости на границах и емкости копланарного
Глава 6. Микрофазовращатели
волновода могут быть записаны в виде-.'
_ 1 £r£pWl
раг " 2 tBST ’
„ _ EsiN£ow(3w + I)
^fringe -
CcPW = 4£q
Щ) [i , lf£
K(kl)[^2(r >K(k2)K(k'l)_
где
C(£r) , i ,
£eff ~ C(l) “ 1 + 2 91 (£r 1)1
K(k2)K(k[) .
. . 91 ~ К^КЩ) ’
(6.21)
(6.22)
(6.23)
(6.24)
(6.25)
Рис. в.13. Структура варактора с параллельными пластинами: а — вид
сверху, б — поперечное сечение. Репродукция из книги R. York,
A. Nagra, 2001, «Microwave integrated circuits using thin-film BST»,
Proceedings of IEEE on Applications of ferroelectrics 1: 195-200 c
разрешения IEEE, ©2001 IEEE
6-4- Ферроэлектрические фазовращатели
3
Полная емкость на единицу длины равна сумме постоянной емкости
линии передач и переменной емкости:
г< _ г* 1 ^var
l^tot — fix । j
‘sec t
(6.26)
Также можно записать выражение для индуктивности:
; L = — X, (6.27) f- Vi
или . (6 28) 1 (6'28)
где К (к) — полные эллиптические интегралы первого рода,
(s + gO + tT
(6.29)
а 6 — глубина проникновения.
Изменение фазовой скорости соответствует изменению емкости:
vP = Xf = р,
vP=(LtCtotr1/2
С w1/2
^var \
Isect /J
(6.30)
(6.31)
Lt I Сfix +
где
0 — шу/LtCtot-
Верхний предел частоты для этой системы определяется часто-
той Брзгга, которая зависит от размеров конденсаторов и расстоя-
ния между ними. Оптимальную рабочую частоту можно определить
при помощи следующего выражения:
1
fBragg -
'• ‘sec t
Cfix +
‘sec t
-1/2
(6.32)
Считается, что большую часть вносимых потерь составляют по-
тери проводимости в нижнем электроде и диэлектрические потери
в BST пленке. Но несмотря на довольно значительные потери про-
водимости, варакторы с параллельными пластинами являются пер-
спективными структурами, что связано с тем, что им требуется
Глава 6. Микрофазовращатели
низкое напряжение управления и с тем, что они совместимы с тех-
нологией изготовления ИС. Все это дает надежду на интеграцию
таких варакторов с СВЧ ИС.
6.4.2. Двусторонние гребенчатые фазовращатели
Рзработка гребенчатых варакторов проводится с целью снижения
стоимости изготовления и повышения надежности монолитных ИС.
Для возможности монолитной интеграции пассивных и активных
СВЧ компонентов на одном кристалле, процесс их производства
должен быть совместим с традиционными технологиями изгото-
вления ИС. Варакторы, построенные на основе встречно-штыревых
преобразователей (ВШП), подходят для монолитной интеграции.
В
В'
Рис. 6.14. Структура двух-
стороннего гребенчатого фа-
зовращателя: а — вид сверху,
б — поперечное сечение
(а)
(б)
Фазовой скоростью ВЧ сигнала можно управлять при помощи
напряжения, приложенного к планарным ВШП, размещенным вдоль
линии передач. На рис. 6.14 показана схема фазовращателя, постро-
енного на основе равномерно нагруженного варактора. Считая ли-
нию передач симметричной, линию АА' можно заменить магнитной
преградой и обе части емкости ВШП на многослойной подложке
считать отдельно, применяя для этого метод конформных отобра-
жений. Емкость ВШП можно определить, разделив ее на три соста-
вляющих: емкость от периодических зубцов С'п, емкость от внеш-
него зубца Сз и емкость от последнего зубца Cend- Тогда полная
6-4- Ферроэлектрические фазовращатели
емкость двусторонней линии передач с ВШП описывается следую-
щим выражением:
Ctot — 2 (С„ + Сз + Сепа) •
(6.33)
Рис. 6.15. Зубцы ВШП: а —
схема расположения, б — попе-
речное сечение
(б)
Применяя метод конформных отображения для гребенчатого
конденсатора на многослойной подложке, можно определить емкость
участка с периодически повторяющимися зубцами конечной шири-
ны, показанного на рис. 6.15 (Gevorgian, Martinsson, 1996):
C„ = (n-3)eoeen$^i, (6-34)
где ко =, ... (6.35) s + д ‘ - Л'
К/ ^ = (1-^)1/2, (6.36) ^еп — 1 + qin 2 + ^2п 2 + ^Зп 2 ’ (6-37) ^(fcp) Kickin') . ’ (М8)
416 1 лава 6. Микро аз о вращатели
kin
sinh ['Ks/‘2hi\
sinh [-zr(s + g)/2/iJ
cosh2 [?r(s + g)/2/ij] + sinh2 [tt(s + g)/2hi\ 1 1//2
cosh2 [ivs/lhi] + sinh2 [?r(s + g)/2/ij] J
(6.39)
a i = 1, 2, 3.
Емкость участка с внешним зубцом, вычисленная при помощи
модели копланарного волновода, определяется следующим выраже-
нием:
Сз = 4£0ЕеЗ^Цг, (6.40)
М&оз)
где ’ я
s + 2g \2
s 2s 1 4- 2g J
1 -
El — 1 E2 — El Ез — E2
Ee3 = 1 4- ^13----1- 923-2---^33---2--
_ К(Цз) K(fci3)
Чг3 /фоз)Ж'з)’
s
s 2s i 4“ 2g
(6.41)
(6.42)
(6.43)
sinh[7rs/2hi] /Г sinh2 [tt(s 4- 2g)/2/ii] 1
sinh[%(s 4-2g)/2/ij] \ | sinh2 [tt(s 4-2si 4-2g)/2/ii] J
x (1---------sinh2 [тга/2>1,]----------1-\ 1/2
( sinh2 [?r(s 4- 2si 4- 2g)/2hj] J /
k'a = (1 - Mh)1/2, (6.45)
i == 1, 2, 3. • '
Из-за краевых эффектов распределение поля в зоне последне-
го зубца трудно поддается аналитическому описанию, поэтому ем-
кость на этом участке можно определить только приблизительно,
пользуясь методом конформных отображений:
Cend = 2ns(2 + 7г)Е0Еее„а^^Ц.,
к (koend)
(6.46)
6-4- Ферроэлектрические фазовращатели
rpfi
_ 1 , „ £1 “ 1 , £2 - El , E3 - E2
£eend —14- Qlend ’’’ Q^end --------*?3end
X(k'Oend) K(kiend)
(6-47)
Qiend —
kfOend —
K(kOend) K(k'iend} ’
x f
"b ^dend \
(6.48)
X 4" 2geTld
X+W + 2geTld
2'
2-1-П1/2
x
4“ W 4“ 2gend
(6.49)
sinh [тгж/2Лг]
kiend —
sinh [тг(ж 4- 2gend)/2hi]
x ( sinh2 [тг(ж 4- w 4- 2gend)/2hj] - sinh2 [тг(ж 4- 2gend)/2hj] )
[ sinh2 [тг(ж 4- w 4- 2gend)/2hi] — sinh2 [тггг/2/лг] J
(6.50)
Теперь выражение для полной емкости можно записать в виде:
Got = 2 (п — 3)£оЕеп 4- 4еоеёз 03т/4-
L К (kQ) К (коз)
4- 2n(2s 4- g)EoEeend L Oend^ .
xj^end) _
(6.51)
Тогда выражение для Еец будет следующим:
£eff - Ctot /2 (п - 3)£0к!^+ 4е° кт£)/+
I L Л(.ко) Л 1коз)
+ 2n(2s +9)«^®24]) '
f; - Л (KOend)J J
< (6.52)
поскольку
...(m
б-tot (Ео)
Для равномерно нагруженного двухстороннего гребенчатого фа-
зовращателя изменение диэлектрической проницаемости из-за при-
ложенного напряжения приводит к изменению фазовой скорости:
vp =
с
(6.54)
418 Глава 6. Микрофазовращатели
6.4.3. Емкостные гребенчатые фазовращатели
На рис. 6.16 показаны два варианта гребенчатых емкостных фазо-
вращателей. Гребенчатые конденсаторы в этих конфигурациях из-
готовлены с зазором 1 мкм и распределены вдоль линии передач
на подложке из AI2O3 с интервалом 340 мкм. Планарные гребен-
чатые фазовращатели дают возможность получить непрерывный
фазовый сдвиг в диапазоне 0... 110° на частоте 20 ГГц при посто-
янном напряжении смещения 100 В. Планарный микрополосковый
фазовращатель, описанный в работе (Canedy, Aggarwal, 2000), изго-
товленный на высокорезистивной кремниевой подложке, при напря-
жении смещения 40 В на частоте 15 ГГц показал сдвиг фаз, равный
35 °. Было проведено сравнение фазовращателей, реализованных на
кремнии и подложке из MgO, которое показало, что рабочие харак-
теристики кремниевых устройств превосходят аналогичные харак-
теристики устройств на MgO.
(а) (б)
Рис. 6.16. Схемы двух гребенчатых емкостных фазовращателей. Репро-
дукция из книги Y. Liu, A.S. Nagra, E.G. Erker, P. Periaswamy,
T.R. Tayler, J.S. Speck, R.A. York, 2000, «BaSrTiOs interdigitat-
ed capacitors for distributed phase shifter applications», IEEE Mi-
crowave and Guided Wave Letters (November): 448-450 с разреше-
' ния IEEE, ©2000 IEEE
Можно сделать вывод, что встречно-штыревые конфигурации
являются весьма перспективными для использования в высокопро-
изводительных фазовращателях (Jose et al, 2001). Такие фазовра-
щатели пригодны для интеграции с активными и пассивными ком-
понентами СВЧ ИС.
6.5. Области применения
6.5. Области применения фазовращателей
Проектировщики антенн с электронным сканированием стремятся
разработать адаптируемые антенны с высоким коэффициентом уси-
ления и различной поляризацией. Требования по размерам, стоимо-
сти, виду поляризации и уровням разветвлений являются ограни-
чивающими факторами при проектировании фазоуправляемых ан-
тенн. Некоторые характеристики микропереключателей и микро-
компонентов превосходят аналогичные параметры ключей на PIN-
диодах и ферритовых фазовращателей. Фазовращатели на основе
ВЧ микропереключателей имеют очень низкий уровень потерь и
обеспечивают дискретные значения сдвига фаз. Ферроэлектриче-
ские материалы, такие как тонкие пленки из BST, позволяют со-
здавать фазовращатели с непрерывной регулировкой, обладающие
низкими потерями.
6.6. Заключение
При проектировании недорогих и легких фазоуправляемых решет-
чатых антенн и радарных систем важным моментом является раз-
работка фазовращателей, обладающих низкими: вносимыми поте-
рями, управляющим напряжением и стоимостью изготовления. Со-
временный технологический уровень позволяет реализовывать фа-
зовращатели, одновременно выполняющие только несколько из пе-
речисленных требований. Наиболее перспективными являются фа-
зовращатели, построенные на основе микропереключателей, обла-
дающих низкими вносимыми потерями, низким управляющим на-
пряжением и низким уровнем помех от взаимной модуляции.
Емкостной параллельный ключ состоит из тонкой металличе-
ской мостовой структуры, подвешенной над центром копланарного
волновода. Приложенное напряжение смещения между мостовой ми-
кроструктурой и нижним электродом изменяет высоту моста, что
в свою очередь приводит к изменению емкости распределенной ми-
кросистемы. В результате этого изменяется импеданс нагруженной
линии передач, что вызывает появление сдвига фаз. Устройство с
несколькими мостовыми микроструктурами работает как фазовра-
щатель при выполнении условия, что приложенное напряжение сме-
щения всегда меньше напряжения срабатывания (схлопывания мо-
ста с нижним электродом).
Управляющее напряжение может быть снижено двумя способа-
ми: уменьшением высоты мостовой структуры или применением ма-
териалов с более низким модулем упругости, таких как полимеры.
Но первый способ применять не рекомендуется, поскольку уменьше-
ние высоты моста значительно усложняет процесс изготовления, по-
этому для организации массового производства таких устройств на-
до стараться делать высоту мостовой структуры, как можно, боль-
шей. Более перспективным является изготовление мостов из поли-
меров, чей модуль упругости составляет порядка 5 Гпа, что гораздо
меньше, чем у металлов (50... 100 Гпа). Для изготовления полимер-
ных структур можно применять микростереолитографию.
Фазовращатели, построенные на основе ферроэлектрических тон-
ких пленок, обеспечивают непрерывную регулировку сдвига фаз за
счет изменения фазовой скорости ВЧ сигналов при подаче напря-
жения смещения между двумя электродами, которое приводит к из-
менению емкости таких устройств. Поскольку электрические поля
ограничены узкими параллельными пластинами, лучшая регулиров-
ка достигается при использовании тонких пластин. Фазовращатели
такого типа можно интегрировать с монолитными ИС.
Литература
Acikel, В., Liu, Y., 2001, «Phase shifters using (Ba,Sr)TiOa thin films on sapphire and
glass substrates», in IEEE MTT-S International Microwave Symposium Volume 2,
2001, IEEE, Washington, DC: 1191-1194.
Barker, N.S., Rebeiz, G.M., 1998, «Distributed MEMS true-time delay phase shifter
and wide-band switches», IEEE Microwave Guided Wave Letters)April): 1881-
1890.
Bertsch, A., Lorenz, H., Renaud, P., 1998, «Combining microstereolithography and
thick resist UV lithography for 3D microfabrication micro electro mechanical sys-
tems», Proceedings of IEEE 11th Annual International Workshop on Micro Electro
Mechanical Systems (MEMS), Jan 1998, Heidelberg, Germany; IEEE, 18-23.
Borgioli, A., Liu, Y., Nagra, A.S., York, R.A., 2000a, «Low loss distributed MEMS
phase shifter», IEEE Microwave and Guided Wave Letters 10(1): 7-9.
Canedy, C.L., Aggarwal, S., 2000, «Structural and dielectric properties of epitaxial
Bai-xSr/TiO^/BiiTiaO^/ZrCh heterostructures grown on silicon», Applied Physics
Letters 77(10): 1523-1525.
Coget, P., Philippe., P., Pauker., V., Dautriche, P., Jean, P., 1989, «А multioctave
active MMIC quadrature phase shifter», in Proceedings of IEEE Microwave and
Millimeter-wave Monolithic Circuits Symposium, IEEE, Washington, DC: 1510—
1517.
De Flaviis, F., Alexopoulos, N., 1997, «Planar microwave integrated phase-shifter
design with high purity ferroelectric material», IEEE Transactions on Microwave
Theory and Techniques 45(6): 963-969.
Erker, E.G., Nagra, A., 2000, «Monolithic Ka-band phase shifter using voltage tunable
BaSrTiOs parallel plate capacitors», IEEE Microwave and Guided Wave Letters 10:
10 12.
Gevorgian, S.S., Martinsson, T., 1996, «CAD models for multilayered substrate in-
terdigital capacitors», IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques
44(6): 896-904.
Ghione, G., Naldi, C.U., 1987, «Coplanar waveguides for MMIC applications: effects
of upper shielding, conductor backing, finite-extent ground planes, and line-to-line
coupling», IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, MTT 35(3):
260-267.
Goldsmith, C.L., Lin, Т.Н., Powers, B., Wu, W.R., Norvell, B., 1995, «Micromechan-
ical membrane switches for microwave applications», IEEE Microwave Theory and
Techniques Symposium, IEEE, Washington, DC: 91-94.
Goldsmith, C.L., Randall, J., Eshelman, S., Lin, Т.Н., Denniston, D., Chen, S.,
Norvell, B., 1996, «Characteristics of micromachined switches at microwave frequen-
cies», Proceedings of IEEE MTT-S International Microwave Symposium, Volume 2,
IEEE, Washington, DC: 1141-1144.
Goldsmith, C.L., Yao, Z., Eshleman, S., Denniston, D., 1998, «Performance of low-loss
RE MEMS capacitive switches», IEEE Microwave and Guided Wave Letters 8(8):
269-271.
Hayden, J.S., Rebeiz, G.M., 2000, «2-bit MEMS distributed X-band phase shifters»,
IEEE Microwave and Guided Wave Letters 10(12): 540-541.
Hayden, J.S., Malczewski, A., Kleber, J., Goldsmith, C.L., Rebeiz, G.M., 2001, «2 and
4-bit DC-18 GHz microstrip MEMS distributed phase shifters», in Proceedings of
IEEE MTT-S International Microwave Symposium, Volume 1, 2001, IEEE, Wash-
ington, DC: 219-222.
Ikuta, K., Hirowatari, K., 1993, «Real three dimensional microfabrication using stereo
lithography and metal molding», in Proceedings IEEE MEMS ’93, IEEE, Washing-
ton, DC: 42-47.
Ikuta, K., Ogata, T., Tsubio, M., Kojima, S., 1996, «Development of mass productive
microstoreolithography (mass-IH process)», in Proceedings of IEEE MEMS ’96,
IEEE, Washington, DC: 301-305.
Isom, R., Hawkins, M., Richins, J., McEwan, S., Iskabder, M., Grow, R., 2000, «Com-
parative evaluation of MEMS and ferroelectric technologies in phase shifter design»,
in Proceedings of IEEE Antennas and Propagation Society International Sympo-
sium, 2000, IEEE, Washington, DC: 808-811.
Ji, T.S., Vinoy, K.J., Varadan, V.K., 2001, «Distributed MEMS phase shifters by
rnicrostereolithography on silicon substrates for microwave and millimeter wave
applications», Smart Materials and Structures 10: 1224-1229.
Jose, K.A., Yoon, H., Vinoy, K.J., Sharma, P., Varadan, V.K., Varadan, V.V., 2001,
«Low voltage tunable capacitors for RE MEM filters and antenna applications»,
in Proceedings of IEEE AP-S International Symposium, Boston Volume 3, IEEE,
Washington, DC: 670-73.
Глава 6. Микро фаз о вращатели
Katagi, Т., Nakajima, N., 1993, «Photoforming applied to fine machining», in Pro-
ceedings IEEE MEMS ’93, IEEE, Washington, DC: 173-178.
Kato, T., Tanaka, Y., Ueda, H., Kano, H., Hashimoto, M., 1992, «L-band phase shifter
with switching FETs for phased array antenna», in Proceedings of IEEE MTT-S
International Microwave Symposium 1992, IEEE, Washington, DC: 1527-1530.
Koul, S.K., Bhat, B., 1991, «Microwave and Millimeter Wave Phase Shifters», Artech
House, London.
Liu, Y., Nagra, A.S., Erker, E.G., Periaswamy, P., Tayler, T.R., Speck, J.S., York,
R.A., 2000, «BaSrTiOa interdigitated capacitors for distributed phase shifter ap-
plications», IEEE Microwave and Guided Wave Letters (November): 448-450.
Liu, Y., Borgioli, A., Nagra, A.S., York, R.A., 200()b. «К-band 3-bit low-loss distribut-
ed MEMS phase shifter», IEEE Microwave and Guided Wave Letters (October):
415-417.
Monnert, S., Loubere, V., Corbel, S., 1999, «Microstereolithography using a dynamic
mask generator and a non-coherent visible light source», Proceedings of SPIE Design
Test and Microfabrication ofMEMSandMOEMS, Paris, SPIE. 553-561.
Muldavin, J.B., Rebeiz, G.M., 2000, «High-isolation CPW MEMS shunt switches»,
IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 48(6): 1045-1056.
Nakamoto, T., Yamaguchi, K., 1996, «Consideration on the producing of high aspect
ratio micro parts using UV sensitive photopolymer», Proceedings of the Seventh In-
ternational Symposium on Micro Machine and Human Science, MHS ’96, Nagoya,
Japan, 53-58; IEEE, Piscataway, NJ, USA.
Neidert, R.E., Krowne, C.M., 1985, «Voltage variable microwave phase shifter», Elec-
tronics Letters 21(15): 636-638.
Osterberg, P., Yie, H., Cai, X., White, J., Senturia, S., 1994, «Self-consistent simu-
lation and modeling of electrostatically deformed diaphragms», in Proceedings of
IEEE Microelectromechanical Systems Conference, January 1994, IEEE, Washing-
ton, DC: 28-32.
Pillans, B., Eshelman, S., Malczewski, A., Ehmke, J., Goldsmith, C, 1999. «Ka-band
RF MEMS phase shifters», IEEE Microwave and Guided Wave Letters 9: 520-522.
Pillans, B., Eshelman, S., Malczewski, A., Ehmke, J., Goldsmith, C., 2000, «Ka-band
RF MEMS phase shifters for phased array applications», in IEEE Radio Frequency
Integrated Circuits Symposium, 2000, IEEE, Washington, DC: 195-198.
Reggia,_F., Spencer,-E.G., 1957, «А new technique in ferrite phase shifting for beam
scanning of microwave antennas», Proceedings of IRE 45: 1510-1517.
Van Keuls, F.W., Romanofsky, R.R., Bohman, D.Y., Winters. M.D., Miranda. F.A.,
1997, «(YBa2Cu3O7_jAu)/SrTiOa/LaAlO3 thin film conductor/ferroelectric cou-
pled microstripline phase shifters for phased array applications», Applied Phvsics
Letters 71: 3075-3077.
Varadan, V.K., Ghodgaonkar, D.K., Varadan, V.V., Kelly, J.F., Gilderdas. P., 1991,
«Ceramic phase shifters for electronically steerable antenna systems», Microwave
Journal (August): 102-123.
Varadan, V.K., Jose, К.A., Varadan, V.V., Hughes, R., Kelly, J.F., 1995, «А novel
microwave planar phase shifter», Microwave Journal (April): 244-254.
Varadan, V.K., Jiang, X.N., Varadan, V.V., 2001, Micro Stereo Lithography for Fab-
rication of 3D MEMS, John Wiley, London.
White, J.F., 1965, «High power p-i-n diode controlled, microwave transmission phase
shifters», IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 13: 233-242.
Yao, Z.J., Chen, S., Eshelman, S., Denniston, D., Goldsmith, C., 1999, «Microma-
chined low-loss microwave switches», IEEE Journal of Microelectromechanical Sys-
tems 8(2): 129-134.
York, R., Nagra, A., 2001, «Microwave integrated circuits using thin-film BST», Pro-
ceedings of IEEE on Applications of Ferroelectrics 1: 195-200.
ГЛАВА 7
ЛИНИИ ПЕРЕДАЧ
В МИКРОСИСТЕМАХ
И ИХ КОМПОНЕНТЫ
7.1. Введение
Для многих портативных устройств связи основными компонента-
ми являются ВЧ планарные элементы и ИС. За последние деся-
тилетия произошла технологическая революция в сферах твердо-
тельных устройств и их внедрения в сверх большие интегральные
схемы (СБИС). Это изменило облик большинства традиционных
устройств связи, построенных на классических вакуумных лампах и
транзисторах. Использование микрополосковых линий, полосковых
линий и копланарных волноводов для реализации внутренних ВЧ
соединений дает возможность объединять твердотельные кремние-
вые и GaAs компоненты, что позволяет разрабатывать более гибкие,
компактные и легкие устройства с отличными рабочими характе-
ристиками.
Очень высокая добротность (десятки тысяч) и стабильность,
сравнимая с ПАВ резонаторами и фильтрами, являются основными
причинами широкого использования твердотельных устройств в блоках
настройки частоты в большинстве коммуникационных устройств.
Многие маломощные ВЧ трансиверы с хорошими частотными ха-
рактеристиками также имеют в своем составе такие компоненты,
как дискретные индукторы и переменные конденсаторы для их на-
стройки и для согласования с сигналами от внешних устройств. Для
применения фильтров на поверхностных и объемных акустических
волнах и перестраиваемых колебательных контуров в мобильных
телефонах требуется миниатюризация трансиверов, что невозмож-
но без использования микролиний передач. Даже несмотря на то,
что современные кремниевые ИС могут работать в гигагерцовом
частотном диапазоне, а биполярные, КМОП и биполярные КМОП
ВЧ ИС, также изготовленные на кремниевых подложках, могут со-
перничать с GaAs схемами на частотах в несколько ГГц, недостаток
1.2. Линии передач в микросистемах 425
высокодобротных пассивных кремниевых компонентов все же ощу-
щается при разработке ВЧ устройств. К тому же кремниевые под-
ложки обладают большими потерями, что мешает реализации высо-
кодобротных реактивных компонентов. Существует много функци-
ональных узлов, которые нельзя сформировать традиционными ме-
тодами изготовления ИС, особенно это касается высокодобротных
компонентов (Q > 30) для ВЧ устройств связи с высокой избира-
тельностью. В дополнение к этому для планарных схем характерны
такие вредные частотно-зависимые свойства, как паразитное излу-
чение, омические потери и большой разброс. Уменьшение паразит-
ных излучений и связей влечет за собой усложнение процесса монта-
жа, что ведет к увеличению объема, веса и стоимости устройства.
Несмотря на перечисленные трудности, низкая стоимость изго-
товления кремниевых ИС по сравнению с GaAs ИС делает их пер-
спективными для интеграции ВЧ микроустройств с ВЧ схемами.
Для построения многих монолитных СВЧ ИС и некоторых микроси-
стем требуется разработка полностью интегрированных схем, объ-
единяющих планарные линии и пассивные элементы. Малые разме-
ры и вес, низкая потребляемая мощность, возможность организации
массового производства, надежность и воспроизводимость являют-
ся достоинствами интегрированных систем, объединяющих микро-
системы и СВЧ ИС.
В последние годы предпринимались усилия, направленные на сни-
жение размеров ВЧ пассивных элементов, а также на их исключение
из схем. В этой главе рассматриваются некоторые способы миниа-
тюризации пассивных компонентов, таких как линии передач и дру-
гих устройств, применяемых в ВЧ микросистемах.
7.2. Линии передач в микросистемах
Сообщения о первой линии передач, полосковой линии, появились в
1952 году (Assadourian, Rimai, 1952, Grieg, Engelmann, 1952). Разра-
ботка этих линий привела к созданию новой гибридной технологии.
В настоящее время в большинстве СВЧ ИС используются микропо-
лосковые линии. Применение гибридной технологии для изготовле-
ния монолитных систем позволило значительно увеличить их рабо-
чую частоту при уменьшении веса и объема. Планаризация провод-
ников и создание линий передач привела к возможности создания
таких ВЧ устройств, как направленные ответвители и планарные
антенны в виде СБИС, способных работать в диапазоне очень вы-
соких частот.
Глава 7. Линии передач в микросистемах и их компоненты
В ВЧ схемах линии передач обычно применяются для переда-
чи информации от пассивных элементов, таких как фильтры, пре-
образователи импеданса и линии задержки, а также для органи-
зации связи между ними. Структуры с большим количеством про-
водников, работающие с электромагнитными волнами, также часто
относят к линиям передач. Электрические цепи, в которых время
прохождения сигнала вдоль соединительной линии сравнимо с его
периодом или близко к длительности импульса, также можно анали-
зировать как линии передач, т. е. определять их параметры в соот-
ветствии с геометрическими размерами. В таких цепях рассогласо-
вание и неоднородности могут привести к многократным переотра-
жениям, которые могут замедлять прохождение сигнала и вводить
в схему вредные задержки.
микрополосковая линия
щелевая линия
копланарная линия
подвешенная
полосковая линия
перевернутая
полосковая линия
волновод
с продольным ребром
Рис. 7.1. Открытые и корпусные микрополосковые структуры. Репродук-
ция из книги F. Gardiol, 1994, Microstrip Circuits, .Wiley, New York
с разрешения Wiley, ©1994 Wiley
На рис. 7.1 показаны варианты печатных линий передач (микро-
полосковой, щелевой и копланарной линии), часто применяемых в
диапазоне низких частот, а также линий передач в металлических
корпусах, используемых для предотвращения излучений, (подвешен-
ной, перевернутой линии и волновода с продольным ребром), рабо-
тающих в диапазоне очень высоких частот (Gardiol, 1994). Копла-
7.2. Линии передач в микросистемах 427
нарная линия — одна из самых распространенных линии передач,
в которой доминирующей формой распространения сигнала являет-
ся поперечная электромагнитная волна (ПЭМВ). Скорость распро-
странения ПЭМВ зависит только от свойств материала: его маг-
нитной и диэлектрической проницаемости, р и е. В микрополоско-
вой линии, незащищенной от воздействия воздуха, распространение
волны проходит через две диэлектрические среды. Если схема со-
стоит из двух видов материала, значит существует две скорости
распространения ПЭМВ: через диэлектрическую подложку и через
слой воздуха. Одним из граничных условий является непрерывность
тангенциальных составляющих на границе раздела, которое не мо-
жет быть выполнено в случае присутствия в системе двух диэлек-
триков, поэтому сигнал внутри микрополосковой линии нельзя счи-
тать чистой ПЭМВ. К тому же силовые линии электромагнитного
поля между полоской и слоем заземления выходят за пределы под-
ложки. Вследствие всего вышесказанного распространение сигнала
в микрополосковой линии является не ПЭВМ, а квази-ПЭМВ. Щеле-
вые линии передач предпочтительнее использовать в системах, где
требуются высокоимпедансные линии, параллельные цепи, шлейфы
и гибридные комбинации микрополосковых схем. Копланарные ли-
нии широко применяются в СВЧ ИС. Возможны и другие геометри-
ческие формы микрополосковых линий, но приведенные на рис. 7.1,
являются наиболее распространенными. Металлические корпуса ча-
сто используются для электрического экранирования, а также для
защиты микрополосковых схем от механических воздействий. При-
сутствие такого металлического заземления может привести к из-
менению рабочих характеристик схемы, что необходимо учитывать
при разработке системы. Широкое распространение микрополоско-
вых и копланарных линий объясняется их простотой и возможно-
стью использования в монолитных СВЧ ИС.
На рис. 7.2 показаны возможные варианты волн и излучений в
планарной структуре. Все виды указанных волн могут быть ис-
пользованы для передачи сигналов и излучений. Выбор вида волны
зависит от расчетных параметров, свойств подложки и от типа кор-
пуса. Направляемые волны предпочтительнее применять в тонких
подложках с высокой диэлектрической проницаемостью, толщина
которых должна быть сравнима с длиной волны. Возникновение та-
ких волн является нежелательным в антенных структурах. Излуча-
емые волны являются паразитными в случае линий передач. Выте-
кающие волны вносят свой вклад в излучение и при соответству-
ющих условиях увеличивают коэффициент направленного действия
антенн. Поверхностные волны применяются в толстых подложках с
высокой диэлектрической проницаемостью.
Рис. 7i2. Возможные варианты волн и излучений в микрополосковой струк-
туре. Репродукция из книги F. Gardiol, 1994, Microstrip Circuits,
г- Wiley, New York с разрешения Wiley, ©1994 Wiley
7.2.1. Потери в линиях передач
На рис. 7.3 показаны основные источники неоднородности в микро-
полосковой структуре, сильно осложняющие анализ схем. Тем не ме-
нее результаты анализа таких структур при помощи интегральных
уравнений близки к данным, полученным в процессе измерений. Как
видно из рисунка, основными источниками неоднородности являют-
ся граничные условия на поверхности раздела воздух-диэлектрик,
неполная металлизация подложки, тонкие проводящие слои и конеч-
ные размеры подложки.
При проектйровании планарных устройств важным фактором
является эффективность распространения волн, которая связана с
наличием диэлектрического слоя между линиями передач. В под-
ложке часто возникают паразитные токи, ухудшающие рабочие ха-
рактеристики линии. Ослабление сигнала в линии передач происхо-
дит, в основном, вследствие потерь в проводниках и диэлектриках,
а также из-за излучений. Резистивная природа проводников заста-
вляет сигнал проникать внутрь проводника. В СВЧ диапазоне плот-
ность тока является максимальной на поверхности проводника, а по
мере углубления внутрь проводника она уменьшается по экспонен-
циальному закону. Толщина слоя, в котором происходит изменение
плотности тока от максимального значения и практически до нуля,
называется глубиной проникновения. В этом слое происходят основ-
ные тепловые потери и потери мощности, называемые омическими
потерями. Глубина проникновения является функцией частоты / и
удельного сопротивления материала р:
(7-1)
и обычно измеряется в дБ на см. Потери в проводящем слое микро-
полосковой линии обратно пропорциональны ширине линии и ста-
новятся значимыми, когда толщина подложки становится электри-
чески малой. Омические потери значительно снижаются при увели-
чении толщины металла до нескольких глубин проникновения.
Рис. 7.3. Основные источники неоднородности в микрополосковой струк-
туре. Репродукция из книги F. Gardiol, 1994, Microstrip Circuits,
. .< Wiley, New York с разрешения Wiley, ©1994 Wiley
Когда возбуждаемое поле стремится распространиться внутри
подложки планарной линии передач, появляются диэлектрические
потери, возникающие из-за тангенциальных потерь диэлектриче-
ского материала, которые обусловлены неспособностью зарядов мгно-
венно отслеживать изменения электрического поля. Диэлектриче-
ские потери измеряются в дБ на длину волны. Планарные линии
передач также страдают от паразитного излучения вдоль длины
Г430 Глава 1. Линии передач в микросистемах и их компоненты
линии или в местах разрыва. Потери на излучение могут быть сни-
жены при проектировании линии, работающих только на основной
волне. Но контролировать потери на излучение очень сложно из-за
наличия в системе мест разрыва. Диэлектрические потери и поте-
ри на излучение могут быть снижены за счет уменьшения толщины
диэлектрического слоя микрополосковой линии.
Изготовление ВЧ схем в планарной форме дает возможность
их интеграции с другими устройствами, но при этом возникает
ряд нежелательных эффектов, таких как краевые эффекты, излуче-
ние, дисперсия и увеличение омических потерь, которые приводят к
серьезным ограничениям при работе на частотах миллиметрового
диапазона. Совершенствование технологий изготовления микроси-
стем в последние годы позволило решить многие из перечисленных
проблем. Известно, что потери в подложке становятся значитель-
ными при увеличении частоты. Поэтому в современных методах
для снижения потерь в подложке используется следующий прием:
частичное удаление материала подложки вокруг СВЧ компонента,
подобно тому, как это делалось при изготовлении высокодоброт-
ных индукторов, описанных в главе 4. Для уменьшения влияния
подложки на рабочие характеристики линии передач должна быть
использована подложка из материала с высоким удельным сопро-
тивлением или встроена мембрана, отделяющая подложку от линии
передач. В работе (Drayton, Katehi, 1994) был предложен эффектив-
ный и сравнительно недорогой способ снижения потерь в подложке
СВЧ компонентов, заключающийся в размещении ВЧ линий пере-
дач в металлизированных полостях, сформированных в кремнии с
низким удельным сопротивлением методом анизотропного травле-
ния. Современные методы изготовления микросистем подходят для
построения линий передач, волноводов (Gedney et al, 1997, McGrath
et al, 1993, Pekre et al, 1997, Shenonda, Pearson, 1998), фильтров ниж-
них частот (Din, Harokopus, Katehi, 1991, Weller, 1995, Weller, Kate-
hi, 1996, Weller et al, 1996), микроантенн (Lubeche, Mizuno, Rebeiz,
1998), 3D ВЧ распределенных цепей (Hindreson et al, 2000, Weller et al,
2000) , конформных устройств (Dryton, Katehi, 1995, Dry ton, Hindre-
son, Katehi, 1996) и направленных ответвителей (Robertson et al, 1998).
7.2.2. Копланарные линии передач
Один из способов уменьшения возбуждения поверхностных волн —
расположение поверхности заземления недалеко от активного устрой-
ства. Копланарные полосковые линии и волноводы, сформирован-
ные на подложках с низким удельным сопротивлением (Cheng et al,
1.2. Линии передач в микросистемах
1994а) и на тонких мембранах (Cheng et al, 19946), способны рабо-
тать с СВЧ сигналами. Однако при этом в микрополосковых систе-
мах и устройствах с параллельными пластинами может возникать
возбуждение. Альтернативой копланарным волноводам для работы
с миллиметровыми и субмиллиметровыми волнами является копла-
нарная линия передач с ограниченным заземлением (ОЗКЛ) (Her-
rick, Schwarz, Katehi, 1998). Такие линии используются в активных
схемах, где центральный проводник и линии заземления находятся
на одной и той же плоскости. Такая конструкция позволяет изба-
виться от сквозных отверстий между рабочей плоскостью и плоско-
стью заземления, часто расположенной на противоположной стороне
подложки. Здесь также можно снизить ширину линии для согласо-
вания с шириной подводящих проводов, что необходимо для поддер-
жания постоянного импеданса. ОЗКЛ изготавливаются на высоко-
резистивной кремниевой подложке, на которую нанесен тонкий слой
SiO2, который удаляется после металлизации. Характеристический
импеданс такой линии зависит от ширины центрального проводни-
ка, ширины слоя заземления и расстояния между проводниками. На
рис. 7.4 показаны обычный копланарный волновод, широко приме-
няемый во многих монолитных СВЧ ИС, копланарный волновод с
плоскостью заземления, расположенной снизу, копланарный волно-
вод с ограниченным заземлением, а также ОЗКЛ, заключенная в
корпус.
1.2.2.1. Проектирование
Копланарный волновод состоит из тонкой металлической полоски,
нанесенной на поверхность диэлектрической пленки, и двух шин за-
земления, параллельных этой полоске (рис. 7.4 а). Ширина шины за-
земления должна превышать величину 52?, a D необходимо сделать
меньше А/2 для предотвращения появления волн более высокого по-
рядка. Характеристический импеданс линии может быть записан в
виде (Wadell, 1991):
. ZpK(V)
с ^K(k) '
(7-2)
где Zq — импеданс свободного пространства, К (к') — полный эл-
липтический интеграл первого порядка, к = S/D, D = 2W + S,
к' = (1 — /с2)1/2, W — это расстояние между проводящей линией
шириной S и шиной заземления. Не учитывая толщину полоски, вы-
ражение для эффективной диэлектрической проницаемости можно
Глава 1. Линии передач в микросистемах и их компоненты
(а)
W. W
I s I
- " - • , (7.з)
Рис. 7.4. Схемы: а — копла-
нарного волновода, б — ко-
планарного волновода с ниж-
ним слоем заземления, в —
копланарного волновода с
ограниченным заз емлением,
г — того же волновода в кор-
пусе
Подложка с конечной толщиной h влияет на эффективную ди-
электрическую проницаемость следующим образом:
£ ' (74)
е 2 K(fc)K(fc') ‘ 1 ‘ '
где i,
sinh(7riy/4/i)
1 sinh(7rZ)/4/г) ’
k't = (1 -
ч;*ч'4 (! .
'i
. (7-5)
(7-6)
Микрополосковые и копланарные волноводы используются для
соединения различных элементов внутри ВЧ системы. Копланар-
ные микролинии с ограниченным заземлением имеют геометриче-
скую форму, аналогичную традиционным ОЗКЛ, за исключением
того, что в них методом травления удален материал из-под линии
передач. Ширина линии и глубина бороздок определяется частотой
среза в линии. Для микролинии с ограниченным заземлением с глу-
биной бороздок G, расчетное уравнение может быть записано в виде
(Herrick, Schwarz, Katehi, 1998):
2(Wg + W) + S<FgX0th/2,
(7-7)
где
F3 =
(7-8)
Как видно из последнего уравнения и уравнения (7.4), Fg зави-
сит от толщины материала. Характеристический импеданс ОЗКЛ,
сформированной на диэлектрической подложке, определяется ее ди-
электрической проницаемостью, которая для высокорезистивной
кремниевой подложки приблизительно равна 6.
Диэлектрические потери в копланарном волноводе описываются
следующим выражением (Wadell, 1991):
где
qertan 6
(7-9)
(7.Ю)
длина волны внутри диэлектрика, a, q — отношение фактической
емкости к емкости волновода, в котором в качестве диэлектрика
используется воздух. Для проводника толщиной t потери внутри
проводника можно записать в виде (Wadell, 1991):
Я5у^[Ф(Д) + Ф(Р)]
480тг.ВД/ф')
где Rs — удельное сопротивление на поверхности, а
Ф(ж) = ДДп
х/
8тгт(1 — k)
t(l + к)
(7.12)
— 1ПЛСЭ
Было показано экспериментально, что рабочие характеристики
компонентов линий передач и копланарных волноводов ухудшают-
ся на высоких частотах, что связано с паразитными излучением и
связями, при этом также усиливается нежелательное влияние метал-
лизированных корпусов. Для более эффективного распространения
волн необходимо минимизировать выход сигнала за пределы линии
передач. Для построения высокочастотных устройств подходит ми-
крополосковая линия передач (Herrick, Yook, Katehi, 1998).
7.2.3. Экранированные линии передач и линии
передач, опирающиеся на мембраны
Наиболее распространенными видами линий передач являются микро-
полосковые линии и копланарные волноводы, показанные на рис. 7.1.
Такие линии передач стали широко примененяться в силу того, что
их свойства хорошо изучены. К тому же эти структуры можно
интегрировать с монолитными СВЧ ИС. Несмотря на их неоспо-
римые преимущества при работе на низких частотах, такие линии
передач имеют серьезные ограничения в диапазоне частот миллиме-
тровых волн. На таких частотах указанные линии передач довольно
сильно ослабляют сигнал, обладают повышенной дисперсией и мно-
гомодовым распространением волн, что объясняется, как правило,
использованием подложки с высокой диэлектрической проницаемо-
стью. Одним из способов преодоления этих ограничений является
удаление материала подложки под проводящими линиями, как по-
казано на рис. 7.5. Другой способ — формирование линии на тонкой
мембране.
Существует несколько преимуществ использования в экраниро-
ванных микролиниях передач почти однородной воздушно-диэлек-
трической подложки. Отсутствие волн внутри подложки снижает
потери на паразитное излучение при одновременном уменьшении
дисперсии, которая возникает из-за распространения компонентов
сигнала различной частоты с разными фазовыми скоростями. В та-
ких линиях, вследствие использования подложки с низким значением
диэлектрической проницаемости, значительно упрощается процесс
разработки сгибов, перемычек и ступенек.
На рис. 7.6 показан вариант экранированной микрополосковой
линии, реализованной на мембране. Такие линии обладают практи-
чески нулевыми диэлектрическими потерями и малыми электромаг-
нитными помехами, сравнимыми с обычными микрополосковыми
линиями и копланарными волноводами (Katehi et al, 1993). В экрани-
рованных линиях поперечные электромагнитные волны распростра-
1.2. Линии передач в микросистемах
няются через двухпроводниковую систему, встроенную в однород-
ную среду. Однородная среда — это мембрана толщиной 1.5 мкм,
окруженная металлизированной полостью. Слой металлизации ис-
пользуется в качестве заземления. Такое экранирование позволяет
линиям передач работать в частотном диапазоне от 0 до терагерц,
обладая нулевой дисперсией и очень малыми потерями.
SiO2 (4500 А)
Si3N4 (3500 А)
SiO2 (7500 А)
нижняя экранирующая полость
Рие. 7.5. Схема экранированной микролинии передач. Репродукция из кни-
z. ги Т.М. Weller, 1995, Micromachined High Transmission Lines on
Thin Dielectric Membrane, PhD thesis, University of Michigan, Ann
Arbor, MI с разрешения University of Michigan
Рис. 7.6. Схема экра-
нированной микролинии
передач, реализованной
на мембране. Репродук-
ция из книги Т.М. Weller,
1995, Micromachined High
Transmission Lines on
Thin Dielectric Membrane,
PhD thesis, University of
Michigan, Ann Arbor, MI c
разрешения University of
Michigan
Способ использования тонкой диэлектрической мембраны в ка-
честве опоры для ВЧ линий передач был впервые описан в работах
Katehi и его коллег (Dib, Katehi, 1992, Dib et al, 1991, Weller, Kate-
hi, Rebeiz, 1995), в которых они показали, что такие конструкции
обладают более низкими радиационными потерями, чем обычные
копланарные волноводы. Это позволяет реализовывать широкопо-
15’
Глава 7. Линии передач в микросистемах и их компоненты
лосные одномодовые устройства без диэлектрической дисперсии и
нулевыми диэлектрическими потерями.
Экранированные
мембрана
(а)
Рис. 7.7. Схемы: а — экранированной линии пере-
дач, б — мембранной линии, в — диэлектрической
экранированной линии. Репродукция из книги N.I.
Din, W.P. Harokopus, Р.В. Katehi, 1991, «Study of a
novel planar transmission line», Proceedings of IEEE
MTT-S Symposium 1991, IEEE, Washington, DC: 623-
626 с разрешения IEEE, ©1991 IEEE
кремний
линии можно рассма-
тривать как усовер-
шенствованную фор-
му обычных микро-
полосковых и копла-
нарных структур, в
которых внутренний
проводник полностью
или частично заклю-
чен в заземленную
полость. Такие ли-
нии могут быть ча-
стично экранирован-
ными, т. е. квази-пла-
нарными, что пока-
зано на рис. 7.7. Здесь
для поддержки проводников используется тонкая диэлектрическая
мембрана, или они могут быть подвешены на тонкой диэлектриче-
ской пластине.
Основным преимуществом экранированной линии является то,
что, изменяя размеры экранированного волновода, можно получить
широкий диапазон значений импеданса. Это возможно потому, что
любые изменения заземленной полости вокруг центрального провод-
ника приводят к увеличению или уменьшению емкости линии, что
вызывает изменение характеристического импеданса. В дополнение
к этому небольшое расстояние между центральным проводником и
поверхностью заземления упрощает организацию одномодового ре-
жима передачи и предотвращает ВЧ излучение.
Экранированные линии по своим характеристикам подходят для
работы в диапазонах миллиметровых и субмиллиметровых волн.
Хотя построение тонкой диэлектрической мембраны на кремние-
вой подложке приводит к дополнительным технологическим этапам,
экранированные линии являются весьма перспективными, поскольку по-
зволяют упростить процесс изготовления воздушных мостов.
Экранированные линии формируются на тонкой диэлектриче-
ской мембране методом анизотропного травления подложки. Крем-
ниевая мембрана имеет следующую структуру. Для получения ров-
1.2. Линии передач в микросистемах
ной и жесткой конструкции линии передач, не требующей дополни-
тельной опоры, мембрана находится в слегка напряженном состоя-
нии. После операций осаждения трехслойной структуры на обрат-
ной стороне подложки формируется полость. Травление кремния
происходит до полного освобождения мембраны. Далее к полой кон-
струкции присоединяются недостающие части для получения тре-
буемой формы экрана.
Поскольку экранированные линии строятся на воздушной под-
ложке, их эффективная диэлектрическая проницаемость близка к 1.
Однако применение тонкой мембраны увеличивает диэлектрическую
проницаемость незначительно. Мембрана толщиной 1.5 мкм состоит
из трех слоев: ЗЮг—SisN^j—ЗЮг- Диэлектрическая проницаемость
оксида равна 3.9, а нитрида — 7.5. Измерения показали, что при
уменьшении высоты полости с 55 мкм до 25 мкм эффективная ег из-
меняется с 1.09 до 1.15, что показано на рис. 7.8.
Частота, ГГц
Рис. 7.8. Экспериментальные зависимости эффективной диэлектрической
проницаемости от частоты, полученные для двух экранирован-
ных линий с разным соотношением геометрических размеров. Ре-
продукция из книги Т.М. Weller, L.P.B. Katehi, G.M. Rebeiz, 1995,
н .. «High performance microshield line components», IEEE Transactions
\ on Microwave Theory and Techniques 43(3): 534-543 с разрешения
- IEEE, ©1995 IEEE
На рис. 7.9 представлены зависимости эффективной диэлектри-
ческой проницаемости от толщины мембраны для различных ха-
рактеристических соотношений, полученные методом конформных
отображений (Weller, 1995). Кривые построены для различных зна-
нений К, где К = S/(S + 2W), S — ширина полоски, a W — рас-
стояние между поверхностью заземления и полосковой линией, по-
казанные на рис. 7.4.
3.0
2.8
2.6
2.4 Б
2.2
£ 2.0
1.8
1.6
1.4
1.2
1.0
0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0
толщина мембраны, мкм
РЙС. 7.9. Зависимость диэлектрической проницаемости от толщины мем-
> браны для линий с различным соотношением геометрических раз-
меров, К = S/{S + 2И7), где S + 2W = 100 мкм. Репродукция из
книги Т.М. Weller, 1995, Micromachined High Frequency Transmis-
sion Lines on Thm Dielectric Membrane, PhD thesis, University of
Michigan, Ann Arbor, MI, с разрешения University of Michigan
В последние годы были разработаны биполярные SiGe гетеро-
транзисторы, работающие на частотах до 160 ГГц. К сожалению,
для таких транзисторов не подходят линии передач, изготовленные
по КМОП технологии, что связано с высокими потерями в низко-
резистивной кремниевой подложке на высоких частотах. Возможны
два варианта решения этой проблемы: разработка схемы на высо-
корезистивной кремниевой подложке 2500 Ом см) или использо-
вание полиимидных слоев на КМОП подложке. На основе высокоре-
зистивного кремния могут быть изготовлены высококачественные
линии передач, аналогичные линиям, сформированным на GaAs и
других СВЧ подложках с хорошими характеристиками. Однако вы-
сорезистивные подложки гораздо дороже обычных, и к тому же для
их применения необходимо модифицировать стандартную КМОП
технологию. Поэтому более перспективным является способ постро-
ения ВЧ линий передач на основе КМОП подложки. Для этого на
верхнюю часть кремниевой подложки наносится слой заземления,
на котором формируется слой полиимида, на который и наносятся
линии передач. Для таких структур характерно низкое ослабление
сигнала, поскольку линия формируется на слое полиимида толщи-
1.2. Линии передач в микросистемах
ной менее 10 мкм и поверхность заземления полностью экранирова-
на от электромагнитных волн, возникающих в кремниевой подлож-
ке, обладающей большими потерями. По уровню ослабления сигнала
линии передач, построенные на низкорезистивной кремниевой под-
ложке (1 Ом см) с применением полиимидных промежуточных слоев,
сравнимы с линиями, изготовленными на высокорезистивных крем-
ниевых подложках (Ponchak, Margomenos, Katehi, 2001).
Рассмотрим более подробно последовательность изготовления
структуры волноводной линии передач, показанной на рис. 7.10.
Рис. 7.10. Микрофотография копланарной волноводной линии, реализо-
ванной на низкорезистивной кремниевой подложке с вытравли-
ванием полиимидного слоя толщиной 20.15 мкм (Фотография по-
лучена при помощи сканирующего микроскопа). Репродукция
из книги G. Е. Ponchak, A. Margomenos, L.P.B. Katehi, 2001,
«Low-loss CPW on low-resistivity Si substrates with a microma-
chined polyimide interface layer for RFIC interconnections», IEEE
Transactions on Microwave Theory and Techniques 49(5): 866-870
с разрешения IEEE, ©2001 IEEE
Полиимид (PI-1111 фирмы DuPont) с относительной диэлектри-
ческой проницаемостью, равной 2.8, наносится на кремниевую под-
ложку с удельным сопротивлением 1 Ом см. Методом обратной ли-
тографии на слое полиимида формируются линии копланарного вол-
новода: одна из титана шириной 0.02 мкм, другая из золота шириной
1.5 мкм. Области полимера, незащищенные металлизацией, удаляют-
ся методом реактивного ионного травления.
Глава 1. Линии передан в микросистемах и их компоненты
(а)
Рис. 7.11. Схемы копла-
нарных волноводных линий
передач: а — подвесной,
б — перекрывающейся (овер-
лейной). Репродукция из
книги J.Y. Park, C.W. Baek,
S. Jung, H.T. Kim, Y. Kwon,
Y.K. Kim, 2000, «Novel mi-
cromachined coplanar waveg-
uide transmission lines for ap-
plications in millimeter-wave
circuits», Journal of Applied
Physics 39: 7120 7124 с раз-
решения Japanese Journal of
Applied Physics
Зазор между металлическими линиями и подложкой позволяет
уменьшить резистивные и диэлектрические потери. В работе (Park
et al, 2000) описаны два варианта таких схем: подвесного и овер-
лейного копланарных волноводов. Измерения показали, что уровень
вносимых потерь обычного копланарного волновода на частоте 50 ГГц
составляет 2.65дБ/см, подвесного — 1.9дБ/см, а оверлейного —
1.25 дБ/см. На рис. 7.11 приведены схемы подвесного и оверлейного
копланарных волноводов. Такие линии имеют консольную структу-
ру, отделенную от подложки защитным слоем. Оба рассматривае-
мых волновода были сформированы на стеклянной подложке тол-
щиной 560 мкм, на которую электролитическим методом нанесены
компоненты из золота толщиной 3 мкм. Длина линий равна 1 см, а
расстояние между подложкой и поднятыми частями — 15 мкм.
На рис. 7.12 приведены экспериментальные зависимости вноси-
мых потерь для трех типов копланарных волноводов: обычного, под-
весного и оверлейного, определенные на частоте 50 ГГц. Из рисунка
видно, что вносимые потери оверлейного волновода в два раза ни-
же, чем у традиционного. Причина этого заключается в уменьшении
потерь в проводниках и подложке.
Рис. 7.12. Экспериментальные за-
висимости потерь от частоты, опре-
деленные для трех видов 40-омных
линий передач. Репродукция из кни-
ги J.Y. Park, C.W. Baek, S. Jung,
H.T. Kim, Y. Kwon, Y.K. Kim, 2000,
«Novel micromachined coplanar waveg-
uide transmission lines for applications
in millimeter-wave circuits», Journal of
Applied Physics 39: 7120-7124 с раз-
решения Japanese Journal of Applied
Physics
7.2.4. Компоненты экранирующих цепей
Простота изготовления и планарная природа, позволяющая интег-
рацию с последовательными и параллельными элементами схем, де-
лают линии передач с ограниченным заземлением весьма полезными
для использования в составе монолитных СВЧ ИС. Применяя ми-
кротехнологии, возможно построение однокристальных ИС, рабо-
тающих в диапазоне миллиметровых волн и обладающих высокими
рабочими характеристиками, низкой стоимостью и компактными
размерами.
Возросший интерес к микротехнологиям и внедрению микросис-
тем в состав ВЧ схем привел к бурному развитию компонентов,
обеспечивающих сопряжение различных волноводов с планарными
линиями передач. Для интеграции микросистем в печатные схемы
и твердотельные системы необходима разработка переходных эле-
ментов для соединения: экранированных линий и заземленных ко-
планарных волноводов (Weller, 1995), линий с ограниченным зазем-
лением и микрополосоковых линий (Gildas, Katehi, Rebeiz, 1998), ко-
планарных линий и волноводов (Becker, Katehi, 1999, Becker et al,
2001), элементов схемы линий с ограниченным заземлением (Goverd-
hanam, Simons, Katehi, 1999, Herrick, Katehi, 1997, Margomenos et al,
442 Глава 1. Линии передач в микросистемах и их компоненты
2000, Ponchale, Downey, Katehi, 1997), двух подложек (Herrick, Kate-
hi, 2000, 2001). На рис. 7.13 показана схема 75-ти омного переходно-
го элемента, соединяющего экранированную линию с копланарным
волноводом. Такие элементы, как правило, применяются в экрани-
рованных системах для ввода и вывода силовых проводов.
(заземленный) копланарный
экран волновод экран
вариант A: L - 1460, S = 50, W = 125
вариант В: /_ — 3500, S = 30, W= 80
Рис. 7.13. Схема переходного элемента между экранированной линией и
заземленным копланарным волноводом. Размеры указаны в мик-
ронах. Репродукция из книги Т.М. Weller, 1995, Micromachined
High Frequency Transmission Lines on Thin Dielectric Membrane,
PhD thesis, University of Michigan, Ann Arbor, MI, с разрешения
University of Michigan
На рис. 7.14 показаны экспериментально полученные параметры
матрицы потерь на рассеяние для двух переходных элементов, со-
единяющих экранированную линию с заземленным копланарным вол-
новодом. Ширина центрального проводника равна 250 мкм, а шири-
на щели — 25 мкм. На кривой А волновод имеет следующие размеры:
S - 50мкм, W = 125 мкм, L = 1460 мкм (см. рис. 7.13), а на кривой
в — S = 30 мкм, W = 80 мкм, L -- 3500 мкм.
Такие элементы, как угловые изгибы, фильтры, ответвления с
открытыми и закороченными концами и некоторые другие компо-
ненты экранированных линий, пригодны для работы в частотном
диапазоне 10. ..70 ГГц (Weller, Katehi, Rescic, 1995). Разница меж-
ду экранированной линией и линией, сформированной на подложке,
заключается в том, что первая из них имеет большие размеры из-
1.2. Линии передач в микросистемах
за низкой диэлектрической проницаемости и использования тонкой
диэлектрической мембраны. В дополнение к этому для экраниро-
ванных линий можно получить широкий диапазон значений харак-
теристического импеданса.
•Рис. 7.14. Экспериментальная зависимость параметров матрицы рассея-
ния от частоты, полученная для двух вариантов 75-ти омных
переходных элементов между экранированной линией и копла-
•' ’• нарным волноводом. Репродукция из книги Т.М. Weller, 1995,
- Micromachined High Frequency Transmission Lines on Thin Dielec-
> trie Membrane, PhD thesis, University of Michigan, Ann Arbor, MI,
с разрешения University of Michigan
На рис. 7.15 показана схема переходного элемента: 50 73-106 Ом,
в котором 106-ти омный участок представляет собой микрополоско-
вую линию, сформированную на мембране. Ширина линий равна:
А = 322 мкм, В = 122 мкм, С = 513 мкм.
На рис. 7.16 показан экранированный полосовой фильтр, исполь-
зующий последовательность ответвлений с открытыми концами (Wel-
ler, 1995)» Схема, показанная на рис. 7.16 а, соответствует случаю:
L = 250 мкм, S = 50 мкм, W = 20 мкм. Мембрана и металлизация
фильтра, стенки полости, вся нижняя плоскость заземления сформи-
рованы на трех частях кремниевой подложки. На рис. 7.166 показа-
но поперечное сечение фильтра, где Н = 200 мкм, Wi = 320 мкм,
W-2 = 40 мкм.
444 Глава 1. Линии передач в микросистемах и их компоненты
Рис. 7.15. Переходной мик-
роэлемент на 50-73-106 Ом.
Репродукция из книги Т.М.
Weller, 1995, Micromachined
High Frequency Transmission
Lines on Thin Dielectric
Membrane, PhD thesis,
University of Michigan, Ann
Arbor, MI, с разрешения
University of Michigan
(6)
Рис. 7.16. Схема
четырехсекционного
экранированного по-
лосового фильтра:
а — металлизирован-
ная секция, б — по-
перечное сечение.
Репродукция из кни-
ги Т.М. Weller, 1995,
Micromachined High
Frequency Transmis-
sion Lines on Thin
Dielectric Membrane,
PhD thesis, Universi-
ty of Michigan, Ann
Arbor, MI, с разре-
шения University of
Michigan
На рис. 7.17 показан делитель/сумматор мощности с централь-
ной частотой 20 ГГц, реализованный на мембране 8 х 8 мм (Weller,
1.2. Линии передач в микросистемах
1995). Это устройство изготавливается на структурированной под-
ложке методом вытравливания по размеченным линиям. В резуль-
тате чего получается структура, в которой элементы схемы крепят-
ся при помощи кремниевых опорных компонентов шириной 100 мкм.
На рис. 7.18 представлен усилитель мощности для Ка-диапазона, вы-
полненный в виде монолитной СВЧ ИС, обладающий усилением
5.2 дБ и выходной мощностью 0.85 Вт.
Рис. 7.17. Схема делителя/сумматора мощности, реализованного на мем-
бране. Репродукция из книги N.I. Dib, L.P.B. Katehi, G.E. Pon-
chak, R.N. Simons, 1991, «Theoretical and experimental characteri-
zation of coplanar waveguide discontinuities for filter allocations»,
IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 39(5):
874-882 с разрешения IEEE, ©1991 IEEE
7.2.5. Компоненты волноводов в микросистемах
Во многих современных устройствах связи и измерительных прибо-
рах используются волноводные компоненты, работающие в диапазо-
не миллиметровых волн, что объясняется их простотой изготовле-
ния и низким уровнем потерь. Однако для частот выше нескольких
сотен ГГц требуются волноводы, размеры которых составляют доли
миллиметра, что практически нельзя реализовать при помощи тра-
диционных методов. Поскольку многие микроэлектронные системы
работают именно в таком частотном диапазоне, необходимо разра-
батывать соответствующие электронные и оптоэлектронные микро-
Глава 1. Линии передач в микросистемах и их компоненты
компоненты. Сильные искажения ВЧ сигнала, связанные с несоот-
ветствием диэлектрической проницаемости подложки и воздуха, а
также с потерями из-за возникновения на подложке на таких часто-
тах поверхностных волн, также не позволяют применять планарные
линии передач в устройствах, работающих в диапазоне очень высо-
ких частот. В дополнение к этому можно отметить, что на таких
высоких частотах размеры пассивных элементов становятся боль-
ше, чем размеры волноводных и монтажных компонентов. Для ре-
шения многих из перечисленных проблем были разработаны новые
методы изготовления линий передач и волноводов на кремниевой
подложке.
делнтель/сумматор мощности
1.4 см 1.43 см
места соединения скруткой
2L7.LI места соединения на винтах
1.4 см
ввод постоянного напряжения питания
Рис. 7.18. Монолитная СВЧ ИС усилителя мощности для Ка-диапазона,
использующая чипы АА035Р2-00, реализованные на основе ка-
нальных транзисторов с барьером Шотки (MESFET), и дели-
тель/сумматор мощности (мил = 0,001 дюйма). Репродукция из
. книги N.I. Dib, L.P.B. Katehi, G.E. Ponchak, R.N. Simons, 1991,
. , «Theoretical and experimental characterization of coplanar waveg-
uide discontinuities for filter allocations», IEEE Transactions on Mi-
crowave Theory and Techniques 39(5): 874-882 с разрешения IEEE,
' ©1991 IEEE
В работах (McGrath et al, 1993, Shenouda, Pearson, 1998) опи-
саны методы изготовления кремниевых волноводов, работающих в
1.2. Линии передач в микросистемах 447
частотном диапазоне 100... 1000 ГГц. Процесс изготовления значи-
тельно упрощается, если две части волновода формировать отдель-
но, разделив их вдоль поперечной перегородки, после чего встроить
обе половины в планарную схему. Для получения волноводов в крем-
ниевой подложке вытравливаются ровные углубления одинакового
размера. После чего на стенки волновода наносится два слоя метал-
лизации: один из хрома толщиной 200 А, второй из золота толщиной
5000 А. Для снижения ВЧ потерь в проводниках слой золота может
быть увеличен до « Змкм, что на частоте 100 ГГц более чем в 12
раз превышает глубину проникновения. Экспериментально опреде-
ленные вносимые потери в таких волноводах составили 0.04 дБ/А,
что сравнимо с серийно выпускаемыми волноводами.
Для решения проблем, связанных с интеграцией волноводов с ак-
тивными устройствами, были разработаны фотолитографический
(Digby et al, 2000) и КМОП (Milanouic et al, 1996, 1997) методы из-
готовления линий передач. При помощи этих методов были реали-
зованы компоненты прямоугольных волноводов, работающих в W-
и G-диапазонах. На рис. 7.19 показана последовательность изгото-
вления волновода литографическим методом. Волноводы и рупоры
формируются на слое титана с исходной толщиной 30 нм, на кото-
рый напыляется слой золота, являющийся нижней стенкой волново-
да. Структуры волновода и рупора строятся из фоторезиста толщи-
ной ЮОмкм (шаг (iii) на рис. 7.19). Далее напыляется второй слой
золота, который затем увеличивается электролитическим способом
для усиления прочности конструкции. Для формирования щелево-
го рупора антенны используется еще один слой фоторезиста (более
тонкий, чем первый), на который наносится маска для получения
требуемой структуры. После удаления всего фоторезиста остает-
ся полая структура прямоугольного волновода, интегрированного с
рупором антенны (шаг (vii)).
После проведения сравнения внутренних стенок волноводов, по-
лученных фотолитографическим методом и серийно выпускаемых
для работы в W-диапазоне, оказалось, что толщина стенок указан-
ных волноводов различается более чем на 1 мкм. Измерения пока-
зали, что в частотном диапазоне 75... ПО ГГц потери при распро-
странении поперечной электромагнитной волны в интегрированном
волноводе составляют 0.2 дБ на длину волны.
Для изготовления ВЧ компонентов, таких как индукторы, тер-
моконденсаторы, копланарные линии передач, ответвители, могут
Глава 7. Линии передач в микросистемах и их компоненты
применяться традиционные кремниевые технологии: КМОП и бипо-
лярных КМОП. В самой простой КМОП технологии для частичного
удаления кремниевой подложки используется жидкостное травление.
подложка
основной слой
золота, который
формирует
слой для адгезии
с титаном
нижнюю часть
волновода
(i) напыление адгезионного
слоя и слоя из золота
из фоторезиста
(iii) облучение
фоторезиста и
формирование
волновода
(ii) Нанесение толстого слоя
фоторезиста и медленная термообработка
электролитического
, осаждения
(iv) нанесение слоев
золота сверху фоторезиста
для формирования волновода
Рис. 7.19. Последовательность изготовления волновода с рупором лито-
. . графическим методом. Репродукция из книги J.W. Digby, С.Е.
McIntosh, G.M. Parkhurst, В.М. Towlson, S. Hadjiloucas, J.W.
Bowen, J.M. Chamberlain, R.D. Pollard, R.E. Miles, D.P. Steenson,
L.S. Karatzas, N.J. Cronin, S.R. Davis, 2000, «Fabrication and char-
" acterization of micromachined rectangular waveguide components
I > : for use at millimeter-wave and terahertz frequencies», IEEE Trans-
. actions on Microwave Theory and Techniques 48(8): 1293-1302 c
разрешения IEEE, ©2000 IEEE
Копланарные волноводы, изготовленные по КМОП технологии,
состоят из подвешенных металлических полосок проводника, за-
ключенных в стеклянную оболочку. Для получения такой структуры
применяется метод селективного травления кремниевой подложки.
Линии передач состоят из проводников, покрытых тонкими плен-
ками из диоксида кремния. Глубина травления при формировании
структуры линии передач, определяется, исходя из требуемого зна-
чения коэффициента развязки (Milanouic et al, 2000). Полная толщина
мембраны после удаления кремниевой подложки обычно меньше 5 мкм.
1.2. Линии передач в микросистемах
(v) нанесение второго слоя
фоторезиста на волновод
и медленная термообработка
(vi) облучение фоторезиста
и формирование в нем щели
(vii) вытравливание
облученных участков золота
(viii) удаление фоторезиста
при помощи растворителей
и высвобождение структуры
волновода
Рис. 7.19. Продолжение
vt -
Рис. 7.20. Поперечное
сечение копланарного
волновода, изготовленно-
го по КМОП технологии.
Репродукция из книги
М. Ozgur, М.Е. Zagh-
loul, 2001, «RF com-
ponents for wireless
communication using
CM-CMOS Technology»,
International Journal
of RF and Microwave
CAE 11: 330-340 c
разрешения IEEE,
©2001 IEEE
На рис. 7.20 показано поперечное сечение подвешенного копла-
нарного волновода. Описанный метод может быть применен и для
изготовления пассивных СВЧ компонентов, таких как индукторы,
Глава 7. Линии передач в микросистемах и их компоненты
конденсаторы, линии передач и ответвители. Максимальная доброт-
ность, которую удалось получить для индуктора с индуктивностью
ИнГн, составила 14.2 (Ozgur, Zaghloul, 2001).
7.2.6. Направленные ответвители в
микросистемах
экранирующая подложка
металлизированная опорная пластина
----металлизированная поверхность
Рис. 7.21. Схема направленного ответвителя. Репродукция из книги S.V.
Robertson, A.R. Brown, L.P.B. Katehi, G.M. Rebeiz, 1998, «a 10
60 GHz micromachined directional coupler», IEEE Transactios on
Microwave Theory and Techniques 46(11): 1845-1149 с разрешения
IEEE,©2001 IEEE
На рис. 7.21 показан направленный ответвитель на 20 дБ, реализо-
ванный на тонкой диэлектрической мембране. Благодаря тому, что
сигнальные линии подвешены в воздухе на очень тонкой диэлектри-
ческой мембране, толщина которой приблизительно равна 1.5 мкм,
данное малошумящее устройство способно работать в очень ши-
роком частотном диапазоне. Для экранирования микрополосковой
линии, сформированной на мембране, и создания корпуса устрой-
ства используется отдельная экранирующая подложка. Это позволя-
ет выбирать высоту пластины заземления независимо от толщины
подложки. Подложка, на которой реализована схема, ’и экранирую-
щая подложка соединяются вместе, после чего полученная конструк-
ция крепится на металлизированной опорной пластине. На рис. 7.22
показана фотография такого микроответвителя. Более темная зона
по сравнению с окружающим кремнием соответствует части кон-
струкции, опирающейся на мембрану. Рассматриваемое устройство
используется для измерения мощности на выходном порту 3. Порт
2 является прямым, а порт 4 — изолированным портом.
7.2. Линии передан в микросистемах
Рис. 7.22. Фотог-
рафия микроответ-
вителя.
Репродукция из
книги S.V. Robert-
son, A.R. Brown,
L.P.B. Katehi, G.M.
Rebeiz, 1998, «a 10-60
GHz micromachined
directional coupler»,
IEEE Transactions
on Microwave The-
ory and Techniques
46(11): 1845-1149
с разрешения
IEEE,©2001 IEEE
калибровочные уровни
7.2.7. Смесители в микросистемах
Традиционные миллиметровые и субмиллиметровые волновые ком-
поненты, такие как умножители и смесители, состоят из волноводов
и других микроэлементов. Несмотря на то, что такие металлические
устройства обладают рядом достоинств: надежностью, простотой
интеграции и несложной конструкцией, у них также есть и недо-
статки. Процесс изготовления миниатюрных волноводов — очень
трудоемкий и дорогостоящий. Особенно это сказывается при произ-
водстве устройств, предназначенных для работы на очень высоких
частотах, и систем с большим количеством элементов.
Современные микротехнологии в значительной степени решают
проблемы, связанные с высокой себестоимостью миниатюрных ме-
ханических структур, поскольку они основаны на методах обработ-
ки кремния, позволяющих точно и надежно изготавливать очень
маленькие элементы электрических и электромеханических систем.
При помощи современных технологий возможно одновременное фор-
мирование спаренных структур на одном кристалле.
В работе (Mann et al, 1998) описана технология изготовления
волноводов, рупоров и каналов методом травления модифицирован-
ного кремния. Мощный ВЧ сигнал от локального генератора по-
ступает на смеситель через диагональный рупор, сужающийся до
размеров волновода: 200 х 400 мкм, рассчитанного для передачи сиг-
налов в диапазоне 450... 700 ГГц. На рис. 7.23 показаны фотографии
452 Глава 1. Линии передач в микросистемах и их компоненты
смесителя Хеслера: изготовленного из металла в виде микросисте-
Процесс изгото-
мы (Phipps, 1999).
Рис. 7.23. Микросмеситель и исходный смеситель
Хеслера. Репродукция из книги E.S. Phipps, 1999, «Mi-
cromachined waveguide components for submillimeter-
wave applications», masters thesis, University of Virginia,
Charlottesville, VA с разрешения University of Virginia
вления смесителя со-
стоит из формиро-
вания рупора, ча-
ще всего методом
травления кремния;
формирования вол-
новода и структу-
ры канала, а также
выравнивания выво-
дов при помощи фо-
торезиста SU-8; на-
несения слоя золо-
та и нарезания кри-
сталлов из пласти-
ны. Прямоугольное
отверстие рупора фор-
мируется на крем-
нии методом травле-
ния (Phipps, 1999)
при помощи EDP (этилен-диамин- пирокатехол) и воды. Структура
смесителя изготавливается из эпоксидного фоторезиста SU-8. На
подложку напыляется хром и золото для формирования затравоч-
ного слоя, сверху которого электролитическим способом наносится
2 мкм слой золота. После чего подложка разрезается и используется
для формирования смесителя, показанного на рис. 7.24. На рис. 7.25
показана диаграмма направленности рупорной микроантенны.
Рис. 7.24. Микросмеситель. Ре-
продукция из книги E.S. Phipps,
1999, «Micromachined waveguide
components for • submillimeter-
wave applications», masters
thesis, University of Virginia,
Charlottesville, VA с разрешения
University of Virginia ,
Т.2. Линии передан в микросистемах 453
угол падения, градус
-в- поляризация в плоскости Н
-V поляризация в плоскости Е
--- поляризация в плоскости D
плоскость D, перекрестная поляризация
Рис. 7.25. Экспериментально определенная диаграмма направленности ру-
порной антенны. Репродукция из книги E.S. Phipps, 1999, «Mi-
cromachined waveguide components for submillimeter-wave applica-
tions», masters thesis, University of Virginia, Charlottesville, VA c
разрешения University of Virginia
7.2.8. Пассивные компоненты: резонаторы и
фильтры
Фильтры и резонаторы, реализованные в виде микросистем, обла-
дают довольно хорошими характеристиками: узкой полосой пропус-
кания, низкими потерями и высокой стабильностью. Однако при
уменьшении размеров устройств снижается и величина зазора, что
приводит к тому, что значения коэффициентов связи между элект-
рическими и механическими компонентами схемы становятся кри-
тическими. Для фильтров важной характеристикой является спо-
собность работы с мощными сигналами. В связи с этим для ме-
ханических фильтров необходимо разрабатывать соответствующий
монтаж корпуса, обеспечивающий его герметичность, являющуюся
ключевым параметром, без которого невозможно получение высо-
кой добротности и долговременной стабильности. Рабочие харак-
теристики механических резонаторов и фильтров определяются их
механическими параметрами, поэтому для реализации требуемых
электрических функций требуется внимательное проектирование
конструкции всех устройств. Другими словами, механическая до-
бротность фильтров, как правило, совпадает с их электрической
454 Глава 7. Линии передан в микросистемах и их компоненты
добротностью. Для получения хороших электрических характери-
стик разработку резонаторов и фильтров, в отличие от остальных
ВЧ микросистем, необходимо начинать с проектирования механи-
ческой конструкции.
Более подробно разработка и анализ микрофильтров рассмотре-
ны в пятой главе.
7.2.9. Антенны в микросистемах
Микроантенны, обладающие высоким быстродействием, малыми раз-
мерами и весом, являются необходимыми компонентами современ-
ных систем связи. Приведем несколько примеров последних дости-
жений в области разработки микроантенн: изготовление кремние-
вых прямоугольных микроволноводов для связи с рупорными антен-
нами (Shenouda et al, 1996, Veidt et al, 1995), тонкопленочных вол-
новодов для интегрированных рупорных антенн (Lubeche, Mizuno,
Rebeiz, 1998), перестраиваемых V-антенн (Chiao et al), микрополос-
ковых антенн (Drayton, 1995, Wong et al, 2000) и антенн для тера-
гигагерцового диапазона (Lubeche, Mizuno, Rebeiz, 1998).
В системах связи ши-
Рис. 7.26. Схема микроантенны с подводящим
проводом. Репродукция из книги R.F. Drayton,
1995, The Development and Characterizationof Self-
packages, using Micromachining Techniques for High
Frequency Ciecuit Applications, PhD thesis, Univer-
sity of Michigan, Ann Arbor, MI с разрешения Uni-
versity of Michigan
роко применяются ми-
крополосковые антен-
ны, что объясняется их
малым весом и пла-
нарной формой. Одна-
ко эффективность из-
лучателя антенны и
его полоса частот зна-
чительно ухудшаются
в результате возникно-
вения колебаний вну-
три подложки, даже
когда для изготовле-
ния излучателя исполь-
зуются современные
материалы, пригодные
для применения в тех-
нологиях производства ИС, такие как кремний и GaAs. Выбороч-
ное удаление материала подложки из-под антенны, как показано на
рис. 7.26, позволяет уменьшить или даже устранить паразитные ко-
лебания внутри подложки (Drayton, 1995, Wong et al, 2000). При
этом происходит снижение диэлектрической проницаемости, а так-
же уменьшается количество материала под антенной, в котором эти
поверхностные волны могут распространяться.
Для выборочного удаления кремния из-под излучателя при из-
готовлении микроантенн может быть применен метод травления.
На рис. 7.27 показаны экспериментально определенные значения воз-
вратных потерь традиционной антенны, реализованной на кремни-
евой подложке, и микроантенны, из-под излучателя которой было
удалено 50% материала. Из рисунка видно, что на характеристи-
ки традиционного излучателя сильно влияют гармоники высших
порядков, а также паразитные поверхностные волны, что выраже-
но в несимметричности частотной зависимости относительно рабо-
чей частоты 20.4 ГГц. Из этого же графика видно, что на харак-
теристики излучателя с частично вытравленной подложкой высшие
гармоники практически не влияют. На рис. 7.28 приведены экспе-
риментально определенные диаграммы направленности в Е- и 71-
плоскостях.
частота, ГГц
Рис. 7.27. Экспериментальная зависимость возвратных потерь от частоты
для микроантенн на кремнии без удаления подложки из-под из-
лучателя и с 50% удалением. Репродукция из книги R.F. Dray-
I.1 ton, 1995, The Development and Characterizationof Self-packages
using Micromachining Techniques for High Frequency Ciecuit Ap-
plications, PhD thesis, University of Michigan, Ann Arbor, MI c
разрешения University of Michigan
Рис. 7.28. Экспериментальные
диаграммы направленности ми-
кроантенны (зависимость из-
лучения от угла): а — в Е-
плоскости, б — в Н-плоскости.
Репродукция из книги R.F.
Drayton, 1995, The Develop-
ment and Characterizationof Self-
packages using Micromachining
Techniques for High Frequency
Ciecuit Applications, PhD thesis,
University of Michigan, Ann Ar-
bor, MI с разрешения University
of Michigan
7.3. Разработка, изготовление и определение
характеристик компонентов ВЧ микросистем
В связи с потребностью в разработке недорогих ВЧ ИС, интегриро-
ванных с цифровыми схемами, появился большой интерес к примене-
нию кремниевых подложек для изготовления ВЧ и СВЧ устройств.
Для дальнейшего развития микросистем необходимо понимание
их механизма работы и возможностей, для чего требуется углубле-
ние теоретических основ и разработка современных методов изго-
товления. Однако применение полного волнового анализа для по-
лучения требуемых характеристик систем часто бывает очень за-
труднительным. Поэтому, как правило, сначала по аппроксимацион-
ным моделям находятся предварительные значения, которые затем
уточняются методами полномасштабного волнового анализа. В еле-
1.3. Разработка характеристик компонентов ВЧ микросистем 457
дующих разделах рассматриваются основные вопросы разработки,
изготовления и определения характеристик ВЧ микроустройств.
7.3.1. Разработка компонентов ВЧ микросистем
В общем виде, разработку ВЧ микросистем можно разделить на два
этапа: этап разработки и анализа и этап изготовления и опреде-
ления рабочих характеристик. Методы полного волнового анализа
позволяют построить достаточно точную модель ВЧ микросисте-
мы. Однако такой подход очень сложный и трудоемкий, поэтому
для предварительной оценки параметров схемы применяется ква-
зистационарная модель, основанная на теории поперечных электро-
магнитных волн (ПЭМВ). Использование такой модели позволяет
построить первоначальный вариант схемы, который затем уточня-
ется методами полного волнового анализа, для которых требуется
знание геометрических размеров компонентов. Наилучшие резуль-
таты достигаются при применении метода итераций для точного
подбора размеров устройства, обеспечивающих получение требуе-
мых рабочих характеристик. После проведения такого анализа рас-
считанная микросистема изготавливается, и на специальном обору-
довании (анализаторах цепей и тестовых станциях) определяются
ее характеристики.
Для расчета электрических частотных характеристик, как пра-
вило, применяются специализированные программные пакеты (CAD),
основанные на квазистатических и полуэмпирических формулах,
подобных описанным в разделе 7.1 для копланарных линий передач.
Для уточнения геометрических размеров микроструктур применя-
ется один из методов волнового анализа, например, метод интег-
ральных уравнений, описанных в спектральной области (Dib, Kate-
hi, 1991, El-Shandwily, Dib, 1990), или метод конечных временных
интервалов (Drayton, Dib, Katehi, 1995, Kunz, Luebbers, 1993, Sheer
et al, 1990, Zhang, Mei, 1988). Для прогнозирования импедансных ха-
рактеристик схемы может быть применена квазистационарная мо-
дель, основанная на методе конформных отображений (Dib, Kate-
hi, 1992). Метод конечных интервалов является наиболее универ-
сальным и достаточно точным способом моделирования геометри-
ческих форм и размеров устройства.
Несовпадение теоретических и экспериментальных результатов
объясняется, в основном, погрешностями при изготовлении устройств
и допущениями, сделанными во время моделирования.
458
Глава Ч. Линии передач в микросистемах и их компоненты
7.3.2. Изготовление компонентов микросистем
При изготовлении копланарных волноводов предполагается, что ВЧ
сигналы распространяются по пространству почти свободно. Для
компонентов микросистем также важны механические свойства мем-
бран, которые должны иметь небольшое внутреннее напряжение, и
при толщине, обычно чуть более 1 мкм, должны выдерживать на-
грузки, связанные с разрезкой, транспортировкой, герметизацией и
сборкой методом перевернутого кристалла. Минимальное внутреннее
напряжение обеспечивается при формировании тонких мембран ме-
тодом осаждения композитных структур (SiOs/SiaN©. На рис. 7.29
показана последовательность изготовления мембранных структур.
электролитическое осаждение
фоторезист
Лопмнпованне мембпаны Д, i
плазменное травление
слой, предшествующий металлизации
Рис. 7.29. Процесс изготовления линии передач. Репродукция из книги В.
Gullion, k. Grenier, Р. Pons, J.l. cazaux, J.с. Lalaurie, D. Cros, R.
Plana, 2000, «Silicon micromachining for millimeter-wave applica-
tions», Journal of Vacuum Science technology A 18(2): 743-745 c
разрешения AVS Publications, © 2000 AVS Publications
Первый слой толщиной 800 нм формируется на кремниевой под-
ложке методом термического окисления. На него методом химиче-
ского осаждения из газовой фазы при низком давлении наносится
слой нитрида кремния толщиной 600 нм. Далее для снижения оми-
ческих потерь осаждается слой золота толщиной 8 мкм. После че-
го формируется сама микроструктура (в рассматриваемом приме-
ре линия передач). Последним этапом в технологическом процессе
изготовления микросистем является удаление кремниевой подлож-
ки, расположенной под мембраной, для чего применяются методы
реактивного ионного травления и анизотропного химического тра-
вления при помощи раствора КОН. На рис. 7.30 приведены типовые
размеры микролинии передач.
70 мкм
Рис. 7.30. Микролиния передач. Репродукция из книги В. Gullion, k. Gre-
nier, Р. Pons, J.l. cazaux, J.с. Lalaurie, D. Cros, R. Plana, 2000,
«Silicon micromachining for millimeter-wave applications», Journal
of Vacuum Science technology A 18(2): 743-745 с разрешения AVS
f Publications, © 2000 AVS Publications
7.3.3. Определение характеристик компонентов
микросистем
Определение характеристик изготовленных микрокомпонентов мо-
жет быть проведено при помощи тестового анализатора Network
Analyzer, подключаемого при помощи специальных приспособлений
и коаксиальных проводов (Godshalk, 1991, 1993). До создания этого
анализатора для оценки геометрии копланарных волноводов поль-
зовались ВЧ зондами. В настоящее время для определения характе-
ристик ВЧ планарных схем существуют специализированные изме-
рительные станции, такие как Alessi REL-4300 фирмы Cascade Mi-
crotech Inc. (www.cmicro.com) и Suss Microtec probes (www.suss.com).
Для точного определения характеристик микроустройств необ-
ходимо минимизировать потери, связанные с подключением измери-
тельных кабелей к тестовым системам. Из-за миниатюрных разме-
ров контактных площадок процесс калибровки зондов значительно
усложняется, и для его выполнения обычно применяются методы
двухуровневого или одноуровневого соединений. Методики прове-
в микросистемах и их компоненты
дения калибровки описаны в работах (Ebgen, Ноег, 1979, Hewlett
Packard, 1996, Marks, 1991, Maury, March, Simpson, 1987).
7.4. Заключение
В этой главе рассматривались технологические вопросы разработки
и изготовления планарных линий передач. В настоящее время наибо-
лее широко распространенными линиями передач являются микро-
полосковые линии и копланарные волноводы, что связано с их совме-
стимостью с монолитными СВЧ ИС и их лучшей изученностью. На
низких частотах такие линии передач обладают очень хорошими
рабочими характеристиками, однако на частотах миллиметровых
волн у них появляются значительные ограничения. Из-за примене-
ния подложек с большой диэлектрической проницаемостью на высо-
ких частотах у рассматриваемых линий передач появляются следу-
ющие недостатки: сильное ослабление сигнала, явления дисперсии и
многомодовое распространение сигнала. Для решения этих проблем
удаляется часть материала подложки под проводящими линиями,
что приводит к подвешиванию линии передач на тонкой мембране.
Такой подход построения микрокомпонентов на мембране по-
зволяет в ограниченной рабочей области получить эффективную
диэлектрическую проницаемость, близкую к единице, что дает воз-
можность снизить паразитную емкость и улучшить значение ре-
зонансной частоты, уменьшить диэлектрические и дисперсионные
потери, а также обеспечить распространение поперечной электро-
магнитной волны, которая используется в фильтрах и устройствах
на пассивных элементах.
Изменяя размеры экранирующего волновода линии передач, мож-
но получить широкий диапазон значений импеданса. Любое измене-
ние геометрических размеров поверхности заземления вокруг цен-
трального проводника может привести к увеличению или уменьше-
нию емкости системы, что сказывается на величине характеристи-
ческого импеданса. Подъем сигнальных линий над диэлектрической
подложкой также позволяет снизить потери в диэлектрике и про-
воднике. Поднятые и оверлейные копланарные волноводы обладают
значительно меньшими потерями на частоте 50 ГГц по сравнению с
обычными копланарными волноводами.
Многие современные устройства связи и измерительные прибо-
ры на частотах миллиметровых волн используют волноводные ком-
поненты, что связано с простотой их изготовления и низкими поте-
рями. В СВЧ диапазоне применение планарных линий передач ста-
новится бесполезным из-за сильных искажений ВЧ сигналов, про-
исходящих вследствие несоответствия диэлектрической проницае-
мости подложки и воздуха и потерь, возникающих из-за появле-
ния в системе на этих частотах поверхностных волн. Современ-
ные кремниевые технологии позволяют решить большинство про-
блем, возникающих при изготовлении линий передач, что дает воз-
можность построения волноводов, работающих в диапазоне частот
100. ..1000ГГц.
Современные системы связи не могут обойтись без микроан-
тенн, обладающих высоким быстродействием, малыми размерами
и весом. Примерами последних разработок в области микроантенн
являются устройства согласования кремниевых прямоугольных вол-
новодов с рупорными антеннами, тонкопленочные волноводы, инте-
грированные рупорными антеннами, перестраиваемые V-антенны и
антенны для терагерцового диапазона.
Эта глава заканчивается обсуждением вопросов, касающихся из-
готовления и определения характеристик пассивных микрокомпо-
нентов.
г
Литература
Assadourian, F., Rimai, Е., 1952, «Simplified theory of microstrip transmission sys-
tems», Proceedings of IRE 40: 1651-1657.
Becker, J.P., Katehi, L.P.B., 1999, Toward a novel planar circuit compatible silicon
microma-chined waveguide», in Proceedings of IEEE Conference on Electrical Per-
formance of Electronic Packaging, IEEE, Washington, DC: 221-224.
Becker, J.P., Lee, Y., East, J.R., Katehi, L.P.B., 2001, «А finite ground coplanar line-
to-silicon micromachined waveguide transition», IEEE Transactions on Microwave
Theory and Techniques 49(10): 1671-1676.
Cheng, H.J., Whitaker, J.F., Weller, T.M., Katehi, L.P.B., 1994a, Terahertz band-
width characteristics of coplanar transmission line on low permittivity substrates»,
IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 42(12): 2399-2406.
Cheng, H., Whitaker, J.F., Weller, T.M., Katehi, L.P.B., 1994b, Terahertz bandwidth
pulse propagation on a coplanar stripline fabricated on a thin membrane», IEEE
Microwave and Guided Wave Letters 4(3): 89-91.
Chiao, J.C., Fu, Y., Chio, I.M., DeLosio, M, Lin, L.Y., 1999, «MEMS reconfigurable
V-antenna», in Proceedings of IEEE MTT-S Symposium Volume f, IEEE, Wash-
ington, DC: 1515-1518.
Dib, N.I., Katehi, L.P.B., Ponchak, G.E., Simons, R.N., 1991, Theoretical and experi-
mental characterization of coplanar waveguide discontinuities for filter allocations»,
IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 39(5): 874-882.
Dib, N., Katehi, L.P.B., 1991, «Modeling of shielded CPW discontinuities using the
space domain integral equation method», Journal of Electromagnetic Waves and
Applications 5(4/5): 502-523.
462 Глава 7. Линии передач в микросистемах и их компоненты
Dib, N.I., Katehi, L.P.B., 1992, «Impedance calculation for the microshield line», IEEE
Microwave and Guided Wave Letters 2(10): 406-408.
Digby, J.W., McIntosh, C.E., Parkhurst, G.M., Towlson, B.M., Hadjiloucas, S., Bowen,
J.W., Chamberlain, J.M., Pollard, R.D., Miles, R.E., Steenson, D.P, Karatzas,
L.S., Cronin. N.J.. Davis. S.R., 2000, «Fabrication and characterization of micro-
machined rectangular waveguide components for use at millimeter-wave and tera-
hertz frequencies», IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 48(8):
1293-1302.
Din, N.I., Harokopus, W.P., Katehi, P.B., 1991, «Study of a novel planar transmission
line», in Proceedings of IEEE MTT-S Symposium, 1991, IEEE, Washington, DC:
623-626.
Drayton, R.F., Katehi, L.P.B., 1994, «Development of miniature microwave circuit
components using micromachining techniques», in Proceedings of IEEE MTT-S
Symposium, IEEE. Washington, DC: 225-228.
Drayton, R.F., Dib., N.I., Katehi, L.P.B., 1995, «Design of micromachined high fre-
quency components», International Journal of Microcircuits and Electronic Pack-
aging 18(1): 19-26.
Drayton, R.F., 1995, The Development and Characterization of Self-packages using
Micromachining Techniques for High Frequency Circuit Applications, PhD Thesis,
University of Michigan, Ann Arbor, MI.
Dryton, R.F., Katehi, L.P.B., 1995, «Micromachined confonnal packages for microwave
and millimeter wave applications», in Proceedings of IEEE MTT-S Symposium,
IEEE, Washington, DC: 1387-1390.
Dryton, R.F., Hindreson, R.M., Katehi, L.P.B., 1996, «Advanced monolithic packag-
ing concepts for high performance circuits and antennas», in Proceedings of IEEE
MTT-S S\mposium, IEEE, Washington, DC: 1615-1618.
Ebgen, G., Hoer, C., 1979, «Thru-reflect-line: an improved technique for calibrating
the six-port automatic network analyzer», IEEE Transactions on Microwave Theory
and Techniques 27(12): 987-993.
El-Shandwily, M., Dib, N., 1990, «Spectral domain analysis of fmlines with composite
ferrite-dielectric substrate», International Journal of Electronics 68(4): 571-583.
Gardiol, F., 1994, Microstrip Circuits, Wiley, New York.
Gedney, S.D., Petre, P, Matloubian, M., Kihm, R.T., 1997, «Simulation and per-
formance of passive millimeter wave coplanar waveguide circuit devices», in Pro-
ceedings of IEEE Wireless Communications conference, IEEE, Washington, DC:
27-31.
Gildas, P, Katehi, L.P.B., Rebeiz. G.M., 1998, «W-band finite ground coplanar waveg-
uide'(FGCPW) to microstrip line transition», in Proceedings of 1ЁЕЕ MTT-S Sym-
posium, , IEEE, Washington, DC: 107-109.
Godshalk, E.M., 1991, «А V-band wafer probe using ridge-trough waveguide», IEEE
Transactions on Microwave Theory and Techniques 39(12): 2218-2228.
Godshalk, E.M., 1993, «А W-band wafer probe», in Proceedings of IEEE MTT-S
Symposium, IEEE, Washington, DC: 171-174.
Goverdhanam, K., Simons, R.N., Katehi, L.P.B., 1999, «Novel three-dimensional ver-
tical interconnect technology for microwave and RF applications», in Proceedings
of IEEE MTT-S Symposium, IEEE, Washington, DC: 641-644.
Grieg, D.D., Engelmann, H.F., 1952, «Microstrip — a new transmission technique for
the kilomega-cycle range», Proceedings of IRE 40: 1644 1650.
Gullion, B., Grenier, K., Pons. P, Cazaux, J.L.. Lalaurie, J.C., Cros, D., Plana, R.,
2000, «Silicon micromachining for millimeter-wave applications», Journal of Vacu-
um Science and Technology A 18(2): 743-745.
Herrick, K.J., Katehi, L.P.B., 1997, «W-band micromachined finite ground coplanar
(FGC) line circuit elements», in Proceedings of IEEE MTT-S Symposium, IEEE,
Washington, DC: 269-272.
Herrick, K.J., Schwarz, T.A., Katehi, L.P.B., 1998, «Si-micromachined coplanar waveg-
uides for use in high frequency circuits», IEEE Transactions on Microwave Theory
and Techniques 46(6): 762-768.
Herrick, K.J., Yook, J.G., Katehi, L.P.B., 1998, «Microtechnology in the develop-
ment of three-dimensional circuits», IEEE Transactions on Microwave Theory and
Techniques 46(11): 1832-1844.
Herrick, K.J., Katehi, L.P.B., 2000, «Micromachined circuit combining networks for
W-band applications», in Proceedings of IEEE MTT-S S\mposium, IEEE, Wash-
ington, DC: 295-298.
Herrick, K.J., Katehi, L.P.B., 2001, «RF W-band wafer-to-wafer transition», IEEE
Transactions on Microwave Theory and Techniques 49(4): 600-608.
Hewlett Packard, 1996, «HP Product Note 8510-6»: on-wafer measurements using HP
8510 Network Analyzer and Cascade Microtech wafer probes. Agilent Technologies,
CA, May 1996.
Hindreson, R.M., Herrick. K.J., Weller, T.M.. Robertson, S.V., Kihm, R.T., Katehi,
L.P.B., 2000, Three-dimensional high frequency distribution network, part II: pack-
aging and integration», IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques
48(10): 1643-1651.
Katehi, L.P.B., Rebeiz, G.M., Weller. T.M.. Drayton, R.F., Cheng, H.J., Whitaker,
J.F., 1993, «Micromachined circuits for millimeter and sub-millimeter wave appli-
cations», IEEE Antennas and Propagation Magazine 35(5): 9-17.
Kim, C., Song, I., Song, C., Cheon, C., Kwon. Y., Lee. S., 1999, «А micromachined
cavity resonator for mm-wave oscillator applications», in Technical Digest, 10th
International Conference on Solid State Sensor and Actuators-. Elsevier Sequoia
SA. Lausanne, Switzerland, 1268-1271.
Kunz, K., Luebbers, R., 1993, in The Finite Difference Time Domain Method for
Electromagnetics, CRC Press, Boca Raton, FL.
Lubecke, V.M., Mizuno, K., Rebei, G.M., 1998, «Micromachining for terahertz appli-
cations», IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 46(11): 1821-
1831.
Margomenos, A., Valas, S., Herman, M.I., Katehi, L.P.B., 2000, «Isolation in three
dimensional integrated circuits», in Proceedings of IEEE MTT-S Symposium, IEEE.
Washington, DC: 1875-1878.
Marks, R.B., 1991, «А multilane method of network analyzer calibration», IEEE
Transactions on Microwave Theory and Techniques 39(7): 1205-1215.
Maury, M., March, S., Simpson, G., 1987, «EEL calibration of vector automatic net-
work analyzers», Microwave Journal (May): 387-391.
464 Глава 7. Линии передач в микросистемах и их компоненты
McGrath, W.R., Walker, С, Yap, М., Tai, Y.C., 1993, -Silicon micromachined waveg-
uides for millimeter-wave and submillimeter-wave frequencies», IEEE Microwave
and Guided Wave Letters 3(3): 61-63.
Milanovic, V., Gaitan, M., Bowen, E.D., Zaghloul, M.E., 1996, «Micromachined copla-
nar waveguides in CMOS technology», IEEE Microwave and Guided Wave Letters
6(10): 380-382.
Milanovic, V., Gaitan, M., Bowen, E.D., Zaghloul, M.E., 1997, «Micromachined mi-
crowave transmission lines in CMOS technology», IEEE Transactions on Microwave
Theory and Techniques 45(5): 630-635.
Milanovic, V., Gaitan, M., Bowen, E.D., Zaghloul, M.E., 2000, «Quasi-ТЕМ charac-
teristic impedance of micromachined CMOS coplanar waveguides», IEEE Transac-
tions on Microwave Theory and Techniques 48(5): 852-854.
Moon, S.W., Mann, C.M., Maddison, B.J., Turcu, I.C.E., Allot, U., Hug, S.E., Lisi,
N., 1996, Terahertz waveguide components fabricated using a 3D X-ray microfab-
rication technique», Electronics Letters 32(19, 12): 1794-1795.
Ozgur, M., Zaghloul, M.E., 2001, «RE components for wireless communication using
CM-CMOS technology», International Journal of RE and Microwave СЛЕ 11:
330-340.
Park, J.Y., Baek, C.W., Jung, S., Kim, H.T., Kwon, Y., Kim, Y.K., 2000, «Novel mi-
cromachined coplanar waveguide transmission lines for applications in millimeter-
wave circuits», Journal of Applied Physics 39: 7120-7124.
Petre, P., Matloubian, M., Kihm, R.T., Gedney, S.D., 1997, «Simulation and perfor-
mance of passive microwave and millimeter wave coplanar circuit devices with flip
chip packaging», in Proceedings of IEEE 6th Topical Meeting on Electrical Perfor-
mance of Electronic Packaging, IEEE, Washington, DC: 203-206.
Phipps, E.S., 1999, «Micromachined waveguide components for submillimeter-wave
applications», masters thesis, Electrical Engineering Department, University of Vir-
ginia, Charlottesv ille. VA.
Ponchak, G.E., Downey, A.N., Katehi. L.P.B., 1997, «High frequency interconnects
on silicon substrates», in Proceedings of IEEE Radio Frequency Integrated Circuits
Symposium, IEEE. Washington, DC: 101-104.
Ponchak, G.E., Margomenos, A., Katehi. L.P.B., 2001. «Low-loss CPW on low-resis-
tivity Si substrates with a micromachined polyimide interface layer for REIC in-
terconnections», IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 49(5):
866-870.
Robertson, S.V., Brown, A.R., Katehi, L.P.B., Rebeiz, G.M., 1998. «А 10-60GHz mic-
romachined directional coupler», IEEE Transactions on Microwave Theorv and
Techniques 46(11): 1845-1849.
Sheen, D., Sli, S., Abouzahra, M., Kong, J., 1990, «Finite difference time domain
method to the analysis of planar microstrip circuits», IEEE Transactions on Mi-
crowave Theory and Techniques 38(7): 849-857.
Shenouda, B., Pearson, L.W., Harriss, J.E.. Wang, W., Guo, Y., 1996, «Etched-silicon
micromachined waveguides and horn antennas at 94 GHz», in Proceedings of IEEE
AP-S International Symposium Volume 2, IEEE, Washington, DC: 988-991.
Shenouda, B.A., Pearson, L.W., 1998, «Micromachined waveguide for millimeter wave
applications», in Proceedings of International Conference on Microwave and Mil-
Литература 465^
limeter Wave Technology: IEEE, 615-618.
Veidt, B., Kornelsen, K., Vaneldik, J.F., Routledge, D., Brett, M.J., 1995, «Diagonal
horn integrated with micromachined waveguides for submillimeter applications»,
Electronics Letters 31(16): 1307-1309.
Wadell, B.C., 1991, in Transmission Line Design Handbook, Artech House, Boston, MA.
Weller, T.M., Katehi, L.P.B., Rebeiz, G.M.. 1995, «High performance microshield line
components», IEEE Transactions on Microwave Theory- and Techniques 43(3):
534-543.
Weller, T.M., 1995, Micromachined High Frequency Transmission Lines on Thin Di-
electric Membrane, PhD thesis, Electrical Engineering Department, University of
Michigan, Ann Arbor, MI.
Weller, T.M., Katehi, L.P.B., Herman. M.I., Wamhof. P.D., Lee, K., Kolawa, E.A.,
Tai, B.H., 1996, «New results using membrane supported circuits: a Ka-band power
amplifier and survivability testing», IEEE Transactions on Microwave Theory and
Techniques 44(9): 1603-1606.
Weller, T.M., Katehi, L.P.B., 1996, «А millimeter wave micromachined low pass fil-
ter using lumped elements», in Proceedings of IEEE MTT-S Symposium, IEEE,
Washington, DC: 631-634.
Weller, T.M., Hinderson, R.M., Herrick, K.J.. Robertson. S.V., Kihm, R.T., Katehi,
L.P.B., 2000, Three-dimensional high frequency distribution network, part I: opti-
mization of CPW discontinuities», IEEE Transactions on Microwave Theory and
Techniques 48(10): 1635-1642.
Wong, S., Ooi, B.L.. Kooi, P.S., Ng. Т.Н.. Liu, A.Q.. 2000. «Optimization of sur-
face micromachined patch antenna», in Proceedings ofSPIE-fl76: Micromachined
Devices and Components: 204-213.
Zhang, X., Mei, K., 1988, «Time-domain finite difference approach to the calcula-
tion of the frequency-dependent characteristics of microstrip discontinuities», IEEE
Transactions on Microwave Theory and Techniques 36(12): 1775-1781.
,\-.-7 7. .71 ''
16 - 10482
ГЛАВА 8
\ МИКРОАНТЕННЫ
8.1. Введение
В предыдущих главах обсуждались варианты электромеханических
микросистем и их компонентов, которые могут быть использованы
в различных функциональных устройствах телекоммуникационного
оборудования. Антенны являются очень важными элементами всех
систем беспроводной связи, поскольку играют роль связующего зве-
на между электронной частью систем и внешним миром. Принимая
во внимание общую тенденцию развития систем связи — использо-
вание высоких рабочих частот (например, локальные многопользо-
вательские сети работают на частоте 28 ГГц, промышленные, науч-
ные и медицинские сети и беспроводные локальные сети — на ча-
стоте около 60 ГГц), технология изготовления антенн также должна
успевать перестраиваться в соответствии с новыми требованиями.
В диапазоне частот миллиметровых волн размеры антенн становят-
ся очень маленькими. Существуют несколько способов изготовления
микроантенн, некоторые из них описаны в этой главе.
В системах связи наиболее часто применяются микрополосковые
антенны. В следующем разделе дано краткое описание принципов
действия и схем микрополосковых антенн. Такие антенны исполь-
зуются в микроволновых диапазонах и трудно перестраиваются для
работы на частотах миллиметровых волн. Рассматриваемые в этой
главе технологические методы разрабатывались для преодоления
этих трудностей. Другая цель этой главы — объяснение на при-
мерах принципа высокоуровневой интеграции систем. Чем больше
компонентов интегрируется в одну систему, тем сложнее становят-
ся антенны. Современные антенны часто строятся на полупровод-
никовых подложках. При использовании подложек с высокой диэлек-
трической проницаемостью и небольшой толщиной, конфигурацию
антенн приходится модифицировать. В разделе 8.3 приводятся спо-
собы улучшения рабочих характеристик микрополосковых антенн.
Поскольку при увеличении частоты размеры антенн уменьша-
ются, снижаются также и технологические допуски при их изгото-
влении, что приводит к повышению стоимости производства и не-
возможности организации их серийного выпуска. Поэтому только
8.2. Обзор микрополосковых антенн
совершенные микротехнологии позволяют наладить массовый вы-
пуск микрополосковых антенн. В разделе 8.4 дан обзор методов
изготовления микроантенн, работающих на очень высоких часто-
тах. В литературе появились сообщения о встраивании в антенны
микроприводов для выполнения специальных функций, таких как
изменение направленности и конфигурации антенны. В разделе 8.5
описаны варианты систем, использующих такую интеграцию, а в
разделе 8.6 подведены краткие итоги всей главы.
8.2. Обзор микрополосковых антенн
10 см
Рис. 8.1. Схема микрополосковой антенны. Репродукция из книги С.А. Ва1-
anis, 1997, Antenna Theory: Analysis and Design, Wiley, Chichester
с разрешения Wiley, ©1997 Wiley
Несмотря на то, что микрополосковые антенны стали широко ис-
пользоваться сравнительно недавно, их корни уходят к пятидесятым
годам двадцатого века. Однако до семидесятых годов они практи-
чески не развивались. И только с появлением современных фотоли-
тографических технологий и недорогих твердотельных микровол-
новых источников стало возможным широкое применение микро-
полосковых антенн. На рис. 8.1 показана схема такой антенны, со-
стоящей из металлического излучателя, отделенного от плоскости
заземления диэлектриком. На рис. 8.2 приведены варианты геоме-
трических форм излучателей (Balanis, 1997). Выбор формы в основ-
ном определяется требуемыми излучательными характеристиками
антенны. Например, прямоугольные, квадратные и круглые излу-
16*
Глава 8. Микроантенны
чатели антенны обладают очень хорошими излучательными харак-
теристиками. Однако когда требуется широкая полоса частот, ис-
пользуются дипольные излучатели. Все рассматриваемые излуча-
тели могут формироваться практически на любой металлической
поверхности, планарной или непланарной, что приводит к возмож-
ности построения большого количества разнообразных антенн, ко-
торые могут использоваться в системах беспроводной связи.
О )
(з) (и)
(е) - -5 (Ж)
Рис. 8.2. Варианты форм излучателей микрополосковых антенн: а — ква-
драт, б — прямоугольник, в — диполь, г — круг, д — эллипс, е —
треугольник, ж — сектор диска, з — кольцо, и — сектор кольца.
Репродукция из книги С.A. Balanis, 1997, Antenna Theory: Analy-
sis and Design, Wiley, Chichester с разрешения Wiley, ©1997 Wiley
Несмотря на свою универсальность такие антенны имеют ряд
ограничений. К их недостаткам можно отнести небольшой диапа-
зон возможных значений импеданса, а также низкие усиление и эф-
фективность. В связи с этим в последние годы проводятся широко-
масштабные исследования, направленные на улучшение этих харак-
теристик. Перед тем как приступить к обсуждению достигнутых
результатов, необходимо рассмотреть принцип действия таких ан-
тенн.
- 8.2.1. Основные характеристики
микрополосковых антенн
Как упоминалось выше, микрополосковые антенны состоит из ме-
таллического излучателя, расположенного над проводящей пласти-
ной заземления. Между пластиной заземления и излучателем нахо-
дится диэлектрическая подложка, обладающая низкими потерями.
От формы излучателя зависят излучательные характеристики ан-
тенны, которые, по существу, определяют распределение полей в
8.2. Обзор микрополосковых антенн
антенне. Поэтому форма излучателя диктует выбор способа под-
ключения сигнальных линий. На рис. 8.3 показаны варианты пода-
чи сигналов на микрополосковые антенны. Для описания принципа
действия антенн данного типа было предложено несколько вариан-
тов моделей. Резонансную природу микрополосковых антенн легче
понять из модели, описанной в работе (Bahl, Bhatia, 1980).
(г)
Рис. 8.3. Варианты подключения сигнальных линий к микрополосковым
антеннам: а — подключение микрополосковой линии, б — под-
ключение зонда, в — подключение через соединительное отвер-
стие, г — подключение за счет близкой связи. Репродукция из
книги С.A. Balanis, 1997, Antenna Theory: Analysis and Design,
Wiley, Chichester с разрешения Wiley, ©1997 Wiley
В этой модели рассматривается полая структура, верхняя и ниж-
няя электрические стенки которой соответствуют излучателю и пла-
стине заземления. Боковые стороны структуры определенны как
магнитные стенки, эквивалентные границам разомкнутой электри-
ческой цепи. Такие граничные условия позволяют считать данную
полую структуру моделью микрополосковой антенны. Анализ такой
модели, как правило, начинается с рассмотрения идеальной систе-
мы, в которой нет никаких потерь. После этого в систему вводят-
Глава 8. Микроантенны
ся потери внутри антенны и потери при излучении, которые часто
обозначаются в модели схемы, как сопротивление излучения.
Рис. 8.4. Система координат, используемая в
модели полой структуры. Репродукция из кни-
ги С.A. Balanis, 1997, Antenna Theory: Analisis
and Design, Wiley, Chichester с разрешения Wiley,
©1997 Wiley
Толщина подложки h,
применяемой для изго-
товления микрополоско-
вых антенн, обычно го-
раздо меньше длины вол-
ны: О.ООЗА < h < 0.05А.
Поэтому только неболь-
шая часть волн, воз-
бужденных излучателем
внутри полой структу-
ры, достигает ее гра-
ниц, откуда должно про-
исходить направленное
излучение. Этим объ-
ясняется низкая эффек-
тивность микрополоско-
вых антенн. Считает-
ся, что из-за малой тол-
щины поле внутри по-
лой структуры напра-
влено строго перпенди-
кулярно к плоскости излучателя. Из этого предположения следует,
что распределение полей определяется только поперечными магнит-
ными волнами.
Из волнового уравнения для полой структуры с граничными усло-
виями, определенными выше, находится выражение для резонансной
частоты антенны:
. . rres ___ _____1_____
• J°’n’p ~ 2тг(це)1/2
(8-1)
где размеры антенны и направления осей прямоугольной координат-
ной системы соответствуют рис. 8.4. Поля внутри полой структуры
описываются следующими уравнениями:
к
Ех = Эд п,р cos(A:^y) cos(fc2z),
Еу = Ez = 0,
(8-2)
(8-3)
8.2. Обзор микрополосковых антенн
Нх = о (8.4)
к
Ну = —Л0,п,р cos(kyy) sin(M), (8.5)
М
к
Hz = — A0,n,p sin(feJ/y) cos(kzz). (8.6)
Далее предполагается, что антенну можно представить в виде
четырех щелей, определенных боковыми стенками полой структу-
ры. Однако считается, что только две из них, расположенных на
расстоянии L друг от друга, принимают участие в излучении. Они
называются излучающими щелями. Излучение от двух других щелей
взаимно уничтожается.
Если представить две основные щели в виде двухэлементной ре-
шетки с расстоянием между элементами, равным L, можно найти
их суммарное излучение. Поле излучения в удаленной зоне для это-
го случая может быть описано следующим выражением:
„ ,2hE0 e~:jkr
Еф = J-----------— tan V sin
sin 0 sin
(8-7)
В удаленной зоне остальными компонентами поля можно пренебречь.
8.2.2. Расчет параметров микрополосковых
антенн
По сравнению с моделью, рассмотренной в предыдущем разделе, мо-
делирование микрополосковых антенн, основанное на аналогии с ли-
ниями передач, позволяет лучше понять суть их принципа действия.
В такой модели излучатель заменяется на линейный резонатор, рас-
считанный приблизительно на половину длины волны, а излучение
происходит вследствие действия граничных полей на его разомкну-
тых концах (Bahl, Bhatia, 1980). Увеличение ширины антенны при-
водит к повышению ее излучающей способности. Но при ширине
антенны, превышающей некоторое оптимальное значение, начина-
ют возбуждаться волны более высоких порядков, что ухудшает из-
лучательные характеристики. Оптимальная ширина прямоугольно-
го излучателя микрополосковой антенны может быть найдена при
помощи выражения:
= рчр) . (8.8)
2/о \ 2 /
Среда вокруг излучателя не является однородной. С одной сторо-
Глава 8. Микро антенны
ны излучателя находится диэлектрик, с другой стороны — воздух.
Поэтому эффективная диэлектрическая проницаемость излучателя
оценивается по формуле:
-Г:) £r + 1 8Г — 1/1 + 12/l\
Ее = ~-------h ~---- --------
2 2 \ W )
Длица излучателя равна: i;
L =
где AZ — изменение длины из-за действия граничных полей на кон-
цах излучателя, а ее — эффективная диэлектрическая проницае-
мость. Величину AZ можно оценить при помощи выражения:
AZ = 0.412/г
(£е + 0.3) (^+0.264)
(ее- 0.258) (^+0.8)
(8-11)
Из данной модели видно, что длина излучателя сильно влияет
на резонансную частоту антенны. В то время как диэлектрическая
проницаемость и высота подложки определяют ширину полосы про-
пускания, т.е. величину добротности антенны, а также ее эффек-
тивность. Потери антенны, как правило, состоят из четырех ком-
понентов: радиационные потери (г), потери в проводниках (с) и ди-
электрике (tZ), потери из-за возникновения поверхностных волн (s).
Поэтому полную добротность антенны (Qi_) можно определить в виде:
Г Q't^Q~r + Q~c + Qd + 'Qs (8Л2)
Ниже приведены оценочные выражения для определения составляю-
щих добротности антенны при излучении основной волны (Carver,
Mink, 1981):
•FH г > . * 1 :
«ЛЙЖШ Qr hG, , 4 ’ ^-13)
г.’.' щ.. Qc = (8.14)
где 1 -
Gt/L = ~, (8.16)
8.2. Обзор микрополосковых антенн
a Grad — радиационная проводимость антенны. Для большинства
практических случаев составляющей добротности от поверхност-
ных волн можно пренебречь, при условии, что рабочая частота бу-
дет меньше, чем частота среза волн более высокого порядка:
пс
4h(er — I)1/2
(8-17)
Четные и нечетные индексы обозначают поперечные электрические
(ТЕ) и поперечные магнитные (ТМ) моды волны антенны : индек-
сы п = 1, 3, 5, ... соответствуют ТЕ„ модам, а п = 2, 4, 6, ... —
ТМ„ модам. Величину магнитного сцепления между двумя соседни-
ми элементами дипольной решетки антенны, обусловленного модой
TMq, можно оценить по формуле (Griffin, 1995, Sayyah, Griffin, 1997):
ТДмо 3.33 Рсуммарнал,
Am
(8.18)
где d — толщина подложки, Хт — длина волны в материале под-
ложки.
Ширина частотного диапазона антенны может быть выражена
при помощи полной добротности Qt, резонансной частоты /о и мак-
симального коэффициента стоячей волны напряжения Smax'-
д j. _ /о >$max 1
Qt "\/ 5тах
(8.19)
Поскольку ширина частотного диапазона обратно пропорциональ-
на диэлектрической проницаемости подложки (Balanis, 1997), она
увеличивается с ростом высоты подложки.
В модели полой структуры механизм излучения антенны состоит
из полей, формируемых на концах антенны вдоль ее длины, исходя-
щих из двух щелей. Направленность каждой щели задается следую-
щим выражением:
4Ш27г2
(8.20)
где
kW COS0\ 2 л • л ,л
------- I tan2 OsmOdO.
2 /
(8-21)
о
Полная направленность излучателя антенны может быть найдена
при помощи формулы:
Глава 8.
r. 2-0
-Dw = —-----,
1 +012
(8.22)
где взаимная проводимость дщ определяется как:
1 Г sin2 (^cosg) ип2 в sin0 Jo sin 0)
G-------“-------~dS- <8'23>
Эффективность антенны(ее к. п. д.) оценивается по формуле:
’ - ; ч=® • - (8.24)
>. ЦЛг
На рис. 8.5 показаны зависимости эффективности и полосы частот
антенны от высоты подложки и длины волны.
Ptac. 8.5. Эффективность и полоса частот микрополосковой антенны для
подложек разной высоты (BW — полоса частот, ecdavl — эффек-
тивность , гг — относительная диэлектрическая проницаемость).
Репродукция из книги С. A. Balanis, 1997, Antenna Theory: Analisis
and Design Wiley, Chichester с разрешения Wiley, ©1997 Wiley
Большинство вышерассмотренных параметров показывают за-
висимость свойств подложки от рабочих характеристик микропо-
лосковой антенны, состоящей из одного элемента. Однако одним из
8.2. Обзор микрополосковых антенн
основных достоинств микрополосковых антенн является простота
построения линейных и планарных решеток. Поэтому необходимо
познакомиться еще с одним важным рабочим параметром — коэф-
фициентом связи между элементами решетки. Этот коэффициент
влияет на многие свойства антенны, например, на степень участия
боковых сторон на излучение, и является необходимым при проек-
тировании антенны.
Рис. 8.6. Коэффициент взаимной связи между двумя коаксиальными про-
водниками микрополосковой антенны в плоскостях Е и Н. Ре-
. продукция из книги D.M. Pozar, 1982, «Input impedance and mu-
,,! tial coupling of rectangular microstrip antenna», IEEE Transactions
on Antennas and Propagation 30: 1191-1196 с разрешения IEEE,
©1982 IEEE
Коэффициент связи между двумя соседними элементами опре-
деляется их относительным расположением. На рис. 8.6 коэффици-
ент взаимной связи между двумя элементами показан в виде функ-
ции от расстояния между ними в двух ортогональных плоскостях.
Взаимная связь между элементами антенны осуществляется при по-
мощи волн: пространственных, поверхностных и утечек, возника-
ющих вследствие действия полей вдоль границы раздела воздух-
диэлектрик и перемещающихся между элементами. Для электриче-
ски толстых подложек на значение коэффициента связи сильно влия-
Глава 8. Микроантенны
ют поверхностные волны в плоскости Е, особенно при значительном
расстоянии между элементами.
Все рассуждения в этом разделе касались только микрополос-
ковых антенн с прямоугольными излучателями. Однако основные
принципы расчета применимы и для излучателей других форм. В лю-
бом случае поведение диэлектрических подложек остается практи-
чески неизменным. Это свойство будет использовано в следующих
разделах.
8.3. Способы улучшения рабочих характеристик
микроантенн
В предыдущих разделах этой главы рассматривались рабочие ха-
рактеристики микрополосковых антенн и некоторые конструкцион-
ные параметры, влияющие на эти характеристики. Для построения
полностью интегрированных систем некоторые параметры антенн
необходимо улучшать. Цель данного раздела — описание способов
улучшения рабочих характеристик антенн методами микротехно-
логий.
Для построения полностью интегрированных систем необходи-
мо, чтобы все компоненты системы были совместимы друг с дру-
гом. В микроволновом частотном диапазоне бывает трудно подо-
брать оптимальное значение диэлектрической проницаемости под-
ложки. С точки зрения построения электрической схемы для под-
ложки предпочтительнее использовать материалы с высокой диэлек-
трической проницаемостью, что позволяет уменьшать размеры уст-
ройства, а также снижать потери, например, радиационные. С дру-
гой стороны, если антенна интегрируется на подложку объекта,
возникает вопрос использования этой подложки. Как упоминалось
в предыдущих разделах, излучательные характеристики антенны и
антенных решеток ухудшаются при применении материалов подло-
жек с высокими значениями диэлектрической проницаемости. Сле-
довательно, всегда приходится искать компромисс при выборе ма-
териала подложки.
Один из способов решения этой проблемы — использования двух
разных подложек: одной для схемы, а другой для антенны. Но та-
кой подход значительно увеличивает стоимость устройства. Микро-
технологии позволяют формировать устройства на одной подложке,
удовлетворяющие требованиям, как со стороны схем, так и со сто-
роны антенн (Yook, Katehi, 1998).
8.3. Способы улучшения рабочих характеристик микроантенн
Современные устройства связи вторгаются все в более высокий
частотный диапазон. При этом размеры антенн и других компо-
нентов, работающих на таких частотах, значительно уменьшаются,
что позволяет реализовывать интегрированные на одном кристалле
системы со встроенными антеннами. В таких системах для форми-
рования антенн, а также активных и пассивных элементов, приме-
няются полупроводниковые подложки. Интегрированные системы,
построенные на полупроводниковых подложках, совсем не имеют
внешних компонентов или имеют их ограниченное количество.
Для реализации активных устройств требуются материалы с вы-
сокой диэлектрической проницаемостью (обычно порядка 12), что в
диапазоне микро- и миллиметровых волн приводит к необходимости
применения подложек с большой электрической толщиной, которая
для промышленно выпускаемых подложек, например, для 200 мкм
GaAs или кремниевых подложек составляет Ат/20 на частоте 20 ГГц
и Ат/4 на частоте 100 ГГц, где Хт — длина волны внутри сре-
ды подложки (Papapolymerou, Drayton, Katehi, 1998). Большая тол-
щина приводит к усилению распространения поверхностных волн,
что неизбежно вызывает увеличение потерь. Очевидно, что допу-
щения, сделанные для тонких подложек при расчете характеристик
антенн, при большей толщине уже не действительны. Хотя толщину
подложки можно потом уменьшить, это влечет за собой снижение
прочности структуры, что является серьезной проблемой при изго-
товлении больших подложек, необходимых для схем, работающих в
миллиметровом диапазоне. Исходя из этого, более перспективными
являются методы снижения диэлектрической проницаемости среды
непосредственно под антенной. Оценив перспективы развития ин-
тегрированных систем, перейдем к рассмотрению методов изгото-
вления микросистем на полупроводниковых подложках.
Одна из идей улучшения характеристик антенны заключает-
ся в формировании на подложке близко расположенных отверстий.
Наличие заполненных воздухом отверстий уменьшает эффектив-
ную диэлектрическую проницаемость среды, окружающей антенну.
Для изучения этого эффекта была разработана емкостная модель.
В этой модели (рис. 8.7) рассматривается конденсатор с параллель-
ными пластинами, образованными излучателем и плоскостью зазем-
ления. Диэлектрическая проницаемость перфорированной диэлек-
трической среды между пластинами описывается следующим вы-
Глава 8. Микроантенны
ражением (Gauthier, Courtay, Rabeiz, 1997):
£r,syn —
^dh\ ,
2d-? J 2cPc ’
(8.25)
где dh — диаметр отверстий, dc — расстояние между:центрами тре-
угольной сетки. г-.». !, луг
Рис. 8.7. Микрополосковая антенна с отверстиями, просверленными в под-
! ложке. Диэлектрическая проницаемость подложки зависит от раз-
мера дырок и их плотности распределения. Репродукция из книги
G.P. Gauthier, A. Courtay, G.M. Rabeiz, 1997, «Microstrip antennas
, ; 4i.. on synthesized low dielectric constant substrates», IEEE Transactions
t on Antennas and Propagations 45: 1310-1314 с разрешения IEEE,
©1997 IEEE
Треугольная сетка для формирования серии отверстий позволя-
ет реализовать максимальную эффективность антенны. Такой под-
ход позволяет повысить излучающую эффективность антенны на
25%. Рассмотренный метод был применен для построения антенн
на полупроводниковых подложках, только при этом отверстия не
сверлились, а вытравливались. Форма получаемых отверстий зави-
8.3. (Jnocoo у учшения раоочил upuMiK.pai.iiiun MUilbpvwiviiv^itiiv
сит от метода травления, от продолжительности травления и от
ориентации кристаллов подложки (рис. 8.8, Bean, 1978). Кроме того,
поскольку полупроводниковые подложки обладают хорошими меха-
ническими характеристиками, возможно почти полное удаление ма-
териала подложки из-под антенны (рис. 8.9, Zheng et al, 1998).
Рис. 8.8. Форма отвер-
стия в зависимости от
ориентации кристаллов
подложки при анизо-
тропном жидкостном
травлении кремния: а —
кремний (ЮО), б —
кремний (110). Репро-
дукция из книги К.Е.
Bean, 1978, «Anisotropic
etching of silicon», IEEE
Transactions in Electronic
Devices 25: 1185-1193 c
разрешения IEEE, ©1978
IEEE
(a)
Рис. 8.9. Микрополосковая микро-
антенна с частью удаленного мате-
риала подложки из-под излучателя.
Репродукция из книги I. Papapoly-
merou, R.F. Drayton, L.P.B. Katehi,
1998, «Micromachined patch antennas»,
IEEE Transactions on Antennas and
Propagation 46: 275-283 с разрешения
IEEE, ©1998 IEEE
(6)
Глава 8. Микроантенны
С учетом вертикальных стенок полости эффективную диэлек-
трическую проницаемость можно оценить при помощи выражения
(Papapolymerou, Drayton, Katehi, 1998): / - г. г,-
|'Г: Еполости / г _ Л г Екраевая \ • i /о
£r^ff = г . ?д7 L + ----- > (8-26)
-ОТ у t-полости /
где диэлектрическая проницаемость в зоне краевых полей и в зоне
полости смешанной подложки задается в следующем виде:
Екраевая __ ^воздуха + (.Еподложки ЕвоздуХа)хвоздуха
Евоздуха % (.Еподложки ^воздуха}-^краевое
___________ ЕвоздухаЕподложки
Еполости___/ 7 •
Евоздуха + [Еподложки Е воздуха) % воздуха
Еполости
(8.27)
(8.28)
Здесь хвоз&уХа и хкраевое — отношения толщины слоя воздуха к тол-
щине подложки в зоне полости смешанной подложки и в зоне крае-
вых полей. Такая конструкция антенны позволяет значительно улуч-
шить полосу частот антенны, а также повысить ее излучающую
эффективность (ее к.п.д). По сравнению с обычными подложками
ширина частотного диапазона улучшается на 60% (рис. 8.10, Papa-
polymerou, Drayton, Katehi, 1998). Для улучшения полосы частот
форму полости под излучателям выбирают так, чтобы резонансная
частота была близка к частоте излучателя.
Рис. 8.10. Частотные ха-
рактеристики микрополос-
ковых антенн: улучшен-
ной и традиционной. Ре-
продукция из книги I. Pa-
papolymerou, R.F. Drayton,
L.P.B. Katehi, 1998, «Mi-
cromachined patch anten-
nas», IEEE Transactions on
Antennas, and Propagation
46: 275-283 с разрешения
IEEE, ©1998 IEEE
В работе (Chen et al, 1998) был предложен другой метод улучше-
ния характеристик антенны. В нем вместо формирования полости
под всем излучателем, вытравливаются канавки только под его кра-
ями, над которыми нависает проводник излучателя (рис. 8.11). Для
8.3. Способы улучшения рабочих характеристик микроантенн 481
получения угла наклона канавок, равного 55 °, применяются высоко-
резистивные кремниевые подложки с ориентацией кристаллов (100)
и метод травления с обратной стороны кристалла. При таком под-
ходе удается получить 40% улучшение ширины полосы частот, а
также повышение к.п.д. антенны, спроектированной для работы на
частоте 13.8 ГГц. В работе (Gauther et al, 1999) описано применение
такого подхода к построению микрополосковой антенны с копла-
нарным волноводом, рассчитанной на частоту 94 ГГц.
: единица: мм , •%,.
А-А' поперечное сечение
Рис. 8.11. Микрополосковая антенна с канавками под излучающими кра-
. ями излучателя. Репродукция из книги Q. Chen, V.F. Fusco, М.
Zheng, P.S. Hall, 1998, «Micromachined silicon antennas», Proceed-
ings of the International Conference on Microwave and Millime-
ter Wave Technology, IEEE, Washington, DC с разрешения IEEE,
©1998 IEEE
Глава 8. Микро антенны
Подобный подход применим и для уменьшения взаимной свя-
зи между элементами решетки (рис. 8.12). Как указывалось ранее,
основными источниками взаимной связи являются поверхностные
волны, распространяющиеся между элементами излучателя. Поверх-
ностные волны начинают возбуждаться на подложке на частотах,
превышающих частоту среза, определяемую ее толщиной. По оцен-
кам за счет поверхностных волн на подложке толщиной 200 мкм мо-
жет теряться более 2/3 мощности. Это ведет к увеличению связи
между элементами решетки. Полости, сформированные под излу-
чателями, уменьшают вклад поверхностных волн. В работе (Yook,
Katehi, 2001) приведен количественный анализ влияния разных форм
полостей на коэффициент связи. Для уменьшения взаимной связи
необходимо также подбирать оптимальное значение глубины ми-
крообработки.
излучатели
земля
Рис. 8.12. Двухэлементная решетка микрополосковой антенны с полостями
под излучателями, применяемыми для уменьшения взаимного
влияния. Репродукция из книги J.W. Yook, L.P.B. Katehi, 2001,
«Micromachined microstrip patch antenna with controlled mutual
coupling and surface waves», IEEE Transactions on Antennas and
Propagation 49: 1282-1289 с разрешения IEEE, ©2001 IEEE
8.4. Процесс изготовления микроантенн
Размеры антенн сильно зависят от частот, на которых они работа-
ют. При росте частоты до значений, соответствующих длинам волн
менее миллиметра, производственные допуски становятся настоль-
ко строгими, что традиционные способы изготовления перестают
справляться. Микротехнологии предлагают альтернативные мето-
ды построения ВЧ антенн и других микрокомпонентов. Изготавли-
ваемые такими методами структуры необязательно должны быть
планарными, что дает возможность формировать широкий спектр
разнообразных элементов.
Например, в работе (Shenouda, Pearson, Harriss, 2001) описан ме-
тод изготовления рупорной антенны для W-диапазона. Для этого на
кремниевой подложке с ориентацией кристаллов (100) формируются
две отдельных V-образных секции. Следует отметить, что кристал-
8-4- Процесс изготовления микроантенн
лическая структура подложки определяет угол клина каждой сек-
ции. Например, ориентация (100) позволяет формировать рупорные
антенны с характеристическим отношением между диагоналями ру-
пора, равным 1.42 (рис. 8.13).
Рис. 8.13. Рупорная микроантенна для W-диапазона: а — схема, б — фо-
тография антенны, изготовленной на экспериментальной уста-
новке. Репродукция из книги Shenouda et al, 2001 с разрешения
IEEE, ©2001 IEEE
О
В литературе есть несколько других примеров изготовления ру-
порных антенн методами микротехнологий. Для формирования пи-
рамидальных отверстий применяется анизотропное травление крем-
ниевой подложки с ориентацией (100) раствором этилен диамин пи-
ракатехола. Две таких подложки складываются вместе, как показа-
но на рис. 8.14, для получения решетки из рупорных антенн. Угол ру-
пора определяется кристаллической ориентацией подложки, в дан-
ном случае он равен 70.6°. Такой технологический подход позво-
ляет использовать хорошо отработанную технологию жидкостного
травления полупроводников для прецизионного формирования по-
лостей.
В .<другом способе построения антенн для оптимизации таких
параметров, как усиление и направленность излучений, угол рупо-
ра определяется литографическим методом. В работе (Hesler et al,
2001) дано описание октогональной рупорной антенны, работающей
на частоте 585 ГГц. Такая антенна может применяться в прибо-
рах химической спектроскопии и радио астрономии. На рис. 8.15
(стр. 485) показана технология изготовления октогональной антен-
ны. Угол рупора определяется оксидным слоем, нанесенным фотоли-
тографическим способом. После чего через треугольное отверстие
раствором EDP вытравливается кремниевая подложка. Удалив ок-
сидный слой, получают сформированную треугольную полую струк-
туру рупора. Далее на верхнюю часть подложки наносится ультра-
тонкий слой фоторезиста, и поверхность металлизируется, для чего
применяются методы осаждения и электролитические методы. Для
получения рупора две половинки соединяются вместе.
контактные площадки
Рис. 8.14. Поперечное сечение
двухмерной решетки рупорной
микроантенны, полученной при
соединении двух подложек.
Репродукция из книги G.M.
Rebeiz, D.P. Kasilingam, Y. Guo,
P.A. Stimson, D.B. Tutledge,
1990, «Monolithic millimeter-wave
two-dimensional horn imaging
array», IEEE Transactions on
Antennas and Propagations 38:
1473-1482 с разрешения IEEE,
1990 IEEE
я- Микротехнологии позволяют также изготавливать интегриро-
ванные структуры, состоящие из антенн и волноводов, работающие
на частотах миллиметровых волн. В работе (Digby et al, 1997) при-
ведено описание экспоненциального рупора, реализованного при по-
мощи толстого слоя фоторезиста, используемого в качестве защит-
ного слоя при формировании полой структуры волновода и антен-
ны. Антенна, показанная на рис. 8.16 (стр. 486), на частоте 200 ГГц
в горизонтальной и вертикальных плоскостях имеет ширину луча,
8-4- Процесс изготовления микроантенн
соответственно равную 23° и 31°. Рассматриваемая антенна рас-
считана для работы в G-диапазоне (140... 220 ГГц).
• ‘ Рис. 8.15. Октогональная рупорная антенна для субмиллиметрового диа-
‘ ’ пазона: а — треугольный профиль после завершения процесса
травления, б — ровная нижняя площадка, полученная методом
• . .* . управляемого травления, в — верхняя секция, г — покомпонент-
u ное изображение нижней секции октогональной рупорной антен-
ны. Репродукция из книги J.I. Hesler, К. Hui, R.K. Dahlstorm,
R.M. Wekle, T.W. Crowe, C.M. Mann, H.B. Wallace, 2001, «Analysis
of an octagonal micromachined horn antenna for submillimeter-wave
applications», IEEE Transactions on Antennas and Propagation 49:
B!ii’ 997-1001 с разрешения IEEE, ©2001 IEEE
Для изготовления антенн, работающих в миллиметровом диа-
пазоне волн, может быть применена технология LIGA, позволяю-
Глава 8. Микроантенны
щая производить травление очень толстых металлических струк-
тур. Описание заостренных щелевых антенн, изготовленных на Ga-
As подложке по технологии LIGA, рассчитанных на частоту 94...
184ГГц, приведено в работе (Gearhart, Willke, 1998). При изгото-
влении таких антенн непосредственно на подложке, ее толщина t
должна удовлетворять следующему критерию:
0.005 Z - 0.03,
А
(8.29)
Рис. 8.16. Антенна с экспоненциальным щелевым
рупором, интегрированная с волноводом для G-
диапазона. Репродукция из книги J.W. Digby, С.Е.
Collins, В.М. Towlson, L.S. Karatzas, G.M. Parkhurst,
J.M. Chamberlain, J.W. Bowen, R.D. Pollard, R.E.
Miles, D.P. Steenson, D.A. Brown, N.J. Cronin, 1997,
«Integrated micro-matched antenna for 200 GHz op-
eration», Proceedings of the 1997 IEEE MTT-S Inter-
national Microwave Symposium, Volume 2, June 8-13
1997, IEEE, Piscataway, NJ: 561-564 с разрешения
IEEE, ©1997 IEEE
Для того чтобы
выполнить это условие
на частоте 184 ГГц,
толщина GaAs под-
ложки должна быть
менее 20 мкм. Для ра-
боты в Ка-диапазоне
частот для антенн та-
кого типа могут при-
меняться подложки с
отверстиями, аналогич-
ные используемым в
микрополосковых ан-
теннах, описанных в
предыдущем разделе
(Muldavin, Ellis, Re-
beiz, 1997). Отверстия
в подложке служат для
снижения эффективной
диэлектрической про-
ницаемости. Значение диэлектрической проницаемости в этом
случае определяется диаметром и расположением отверстий в под-
ложке.
Однако для работы на более высоких частотах требуется разра-
ботка альтернативных схем. В работе (Gearhart, Willke, 1998) при-
веден метод изготовления щелевых антенн с использованием LIGA
технологии. В этом методе на GaAs подложку сначала наносится
толстый слой металла толщиной приблизительно 150 мкм, из кото-
рого формируется структура антенны (рис. 8.17). LIGA технология
наиболее эффективна при рентгеновском травлении вертикальных
структур (раздел 1.3.4). После того, как методом травления уда-
лена подложка из-под металлических структур, толщина подложки
8.5. Микроантенны с переменной конфигурацией 487
становится практически равной нулю, поэтому и потери в ней ста-
новятся незначительными. Оставшаяся часть подложки служит для
размещения остальных элементов схемы.
Рис. 8.17. Заостренная щелевая антенна, изготовленная по технологии
LIGA. Репродукция из книги S.G. Gearhart, Т. Willke, 1998,
«Integrated antennas and filters fabricated using micromachining
techniques», IEEE Aerospace Applications Conference Proceedings,
Volume 3, 1998, March 21-28 1998, IEEE Computer Society, Los
Alamitos, CA: 249-254 с разрешения IEEE, ©1998 IEEE
8.5. Микроантенны с переменной конфигурацией
Антенны, способные менять свои характеристики, называются пе-
рестраиваемыми антеннами. Первоначально такие антенны исполь-
зовались в спутниковых системах связи. Совершенствование техно-
логии производства спутниковых систем позволило увеличить срок
службы самих спутников. Антенны играют важную роль в рабо-
те всей спутниковой системы. Поэтому их разработку начинают на
самых ранних проектных стадиях спутниковой системы. Зоны дей-
ствия Антенны в период запуска спутника и во время его функцио-
нирования в космосе не обязательно должны совпадать, потому что
требования к зоне действия могут периодически меняться, а также
может меняться положение самого спутника в пространстве. К тому
же может потребоваться динамическое переключение направленно-
сти антенны на разные географические зоны земной поверхности
для согласования трафика связи из-за смены часовых поясов. Из
всего вышесказанного следует, что спутниковые системы связи не
могут обойтись без перестраиваемых антенн (Balcewicz, 1983). Воз-
Глава 8. Микроантенны
можно создание системы, управляющей формой и направленностью
таких антенн с земли.
Перестраиваемые антенны, располагающиеся на спутниках, как
правило, строятся на основе отражательных антенн с одним упра-
вляющим приводом или блоком смещающих механизмов. Схема фор-
мирования луча в типовой конфигурации, состоящая из большо-
го количества механических элементов, очень сложная и тяжелая.
В ней используются силовые устройства, такие как делители мощ-
ности и силовые переключатели, реализованные на основе полупро-
водников или электромеханических систем. Более простой подход
заключается в управлении относительной фазой входных сигналов,
поступающих на элементы решетки (Bucci, Mazzarella, Panariello,
1991). Предполагается, что такая схема будет обладать большей
гибкостью и эффективностью. Более того, при таком подходе уси-
ление антенны может быть значительно увеличено без добавления
большого количества элементов в схему управления решеткой, что
существенно упрощает всю систему.
Группа исследователей во главе с Clarricoats (Clarricoats, Zhou,
1991) предложили заменить сложную цепь формирования луча в ре-
флекторной антенне с управляемой решеткой схемой, в которой пе-
рестройка антенны осуществляется за счет изменения поверхности
отражателя. Для этой цели подходят рефлекторы либо с жесткими
пластинами, либо сетчатого типа. Для простоты управления исполь-
зуемый отражатель изготавливают из пластин, опутанных сеткой
покрытых слоем золота молибденовых проводов. Для перестройки
антенны меняется профиль сетки, который регулируется механи-
ческими приводами при помощи кордовых нитей (Hai, Clarricoats,
Monk, 1991). Также был предложен вариант использования пьезо-
электрических приводов вместо электрических моторов для измене-
ния конфигурации антенны. Один из таких вариантов схемы описан
в работе (Washington, 1996). В предложенной схеме для получения
требуемого перемещения используются тонкие полоски из PVDF
(подивинилидин фторида), прикрепленные к поверхности антенны.
Рассматриваемые модификации предназначены для антенн, ра-
ботающих на спутниках связи с географической привязкой, в кото-
рых требуется обеспечение высокого коэффициента усиления сиг-
нала. Для таких применений электромеханические микрострукту-
ры не годятся из-за серьезных ограничений по размерам и мощ-
ности сигналов. Однако последние разработки рефлекторов и кон-
фигураций антенн позволяют осуществлять интеграцию в их си-
стемы отдельных микрокомпонентов. Также стоит отметить, что
существующие системы не успевают за экспоненциальным увеличе-
нием трафика, поэтому требуется разработка более высокочастот-
ных устройств. Для этого в схемы управления изменением конфи-
гурации антенн, работающих в диапазоне частот миллиметровых
волн и выше, встраиваются регулировочные микрокомпоненты, та-
кие как переключатели и фазовращатели, для которых необходимо
применение микроприводов и других ВЧ элементов.
Рис. 8,18. Микрополосковая микроантенна, управляющая лучом. Репро-
дукция из книги D. Chauvel, N. Haese, P.-А. Rolland, D. Collard,
H. Fujita, 1997, «А micromachined microwave antenna integrated
with its electrostatic spatial scanning», IEEE Micoelectromechanical
Systems Conference Proceedings, IEEE, Washington, DC: 84-87 c
:i разрешения IEEE, @1997 IEEE
Несмотря на то, что в настоящее время перестраиваемые ми-
кроантенны не применяются в спутниковых системах связи, их раз-
работке уделяется повышенное внимание (Chauvel et al, 1997, Chiao
et al, 1999). В работе (Chauvel et al, 1997) подробно обсуждается
процесс изготовления микрополосковых микроантенн, в которых
излучающий радиатор способен вращаться вокруг оси для осуще-
ствления функции управления лучом. Такая антенна формирует-
ся на кварцевой пластине толщиной 100 мкм, расположенной сверху
кремниевой подложки толщиной 500 мкм с ориентацией кристаллов
(ПО). Структура антенны при этом подвешена на двух торсионных
пружинах (рис. 8.18). Вращение осуществляется за счет действия
электростатических сил, возникающих при подаче напряжения на
(490 Глава 8. Микроантенны
электроды, встроенных в подложку. Был проведен детальный ста-
тический и динамический анализ такой конфигурации антенны, но
на практике она осуществлена не была.
В работе (Chiao et al, 1999) дано описание применения микропри-
водов для регулировки углов наклона плечей антенны Вия, работа-
ющей на частоте 17.5 ГГц (рис. 8.19). При изменении угла между
плечами антенны меняется форма луча. При синхронном вращении
плечей в одном направлении осуществляется функция сканирования.
Изготовленный прототип такой антенны доказал правильность ее
концепции. Преимуществами применения технологий в этом случае
являются уменьшение стоимости, малые потери и возможность осу-
ществления функции сканирования, а также реализации ВЧ антен-
ны на одном кристалле. Предполагается, что именно такие антенны
найдут свое применение в беспроводных и спутниковых системах
связи, в навигационном военном оборудовании и радарах.
Рис-. 8.19. Микроантенна Вия, способная управлять формой и направлен-
ностью луча. Репродукция из книги J.C. Chiao, Y. Fu, I.M. Chio,
M. DeLisio, L.-Y. Lin, 1999, «MEMS reconfigurable Vee antenna»,
IEEE Microwave Theory and Techniques Symposium, Digest, IEEE,
Washington, DC: 1515-1518 с разрешения IEEE, ©1999 IEEE
Разработка перестраиваемых микроантенн только началась, ожи-
дается, что дальнейшие качественные изменения в работе таких ан-
тенн произойдут благодаря внедрению микроприводов в состав их
8.6. Выводы 491
структур. Однако из-за малых размеров компонентов микротехно-
логии имеют сильные ограничения при создании устройств, работа-
ющих на частотах миллиметровых волн.
8.6. Выводы
В этой главе описаны несколько вариантов применения микротех-
нологий в области проектирования и изготовления антенн. Посколь-
ку современные системы связи работают на частотах миллиметро-
вых волн, размеры антенн, применяемых в них, тоже значительно
уменьшились, что сильно усложнило процесс их изготовления. Ан-
тенны таких размеров невозможно реализовывать без применения
микротехнологий, которые позволяют организовать серийный вы-
пуск таких устройств, обладающих более высокой точностью при
одновременном снижении их стоимости.
Благодаря своему низкому профилю, планарные микрополоско-
вые антенны, более чем все остальные, подходят для применения
в устройствах, работающих в диапазоне миллиметровых волн. Для
улучшения таких характеристик, как ширина полосы частот и из-
лучающая эффективность, предпочтительнее иметь более толстую
подложку и низкую диэлектрическую проницаемость. С другой сто-
роны, для снижения размеров, а, следовательно, и потерь, микро-
волновые схемы обычно строятся на тонких подложках с высокой
диэлектрической проницаемостью. Эти два противоречивых требо-
вания мешают интеграции антенн с другими схемами. В этой главе
дано описание применения метода травления нижней части подлож-
ки для удаления части материала, расположенной непосредственно
под антенной, что позволяет в этой области значительно снизить ди-
электрическую проницаемость, оставляя нетронутой часть подлож-
ки, где будет располагаться остальная часть схемы. Такой подход
дает возможность построения полностью интегрированных систем
на одной подложке.
Литература
Bahl, I.J., Bhatia, Р., 1981, Microstrip Antennas, Artech House, Dedham, MA.
Balanis, C.A., 1997, A Antenna Theory: Analysis and Design, Wiley, New York.
Balcewicz, J.F., 1983, «In-orbit reconfigurable communications-satellite antennas»,
RCA Engineer 28(2): 36-41.
Bean, K.E., 1978, «Anisotropic etching of silicon», IEEE Transactions on Electronic
Devices 25: 1185-1193.
492 Глава 8. Микроантенны
Bucci, О.М., Mazzarella, G., Panariello, G., 1991, «Reconfigurable antennas by phase-
only control», IEEE Transactions on Antennas and Propagation 39: 919-926.
Carver, K.R., Mink, J.W., 1981, «Microstrip antenna technology», IEEE Transaction
on Antennas and Propagation 29: 2-24.
Chauvel, D., Haese, N., Rolland, P.-А., Collard, D., Fujita, H., 1997, «А microma-
chined microwave antenna integrated with its electrostatic spatial scanning», in
IEEE Microelectromechanical Systems Conference, Proceedings, IEEE, Washing-
ton, DC: 84-87.
Chen, Q., Fusco, V.F., Zheng. M., Hall, P.S., 1998, «Micromachined silicon antennas»,
Proceedings of the International Conference on Microwave and Millimeter Wave
Technology, IEEE, Washington, DC: 289-292.
Chiao, J.C., Fu, Y., Chio, I.M., DeLisio, M., Lin, L.-Y., 1999, «MEMS reconfigurable
Vee antenna», in IEEE Microwave Theorv and Techniques Symposium, Digest,
IEEE, Washington, DC: 1515-1518.
Clarricoats, P.J.B., Zhou, H., 1991, «Design and performance of a reconfigurable mesh
t. reflector antenna, part 1: antenna design», IEEE Proceedings Part. H: Microwave,
Antennas and Propagation 138: 485-492.
Digby, J.W., Collins, C.E., Towlson, B.M., Karatzas, L.S., Parkhurst, G.M., Chamber-
lain, J.M., Bowen, J.W., Pollard, R.D., Miles, R.E., Steenson, D.P., Brown, D.A.,
Cronin, N.J., 1997, «Integrated micro-matched antenna for 200GHz operation», in
Proceedings of the 1997 IEEE MTT-S International Microwave Symposium, Vol-
ume 2, June 8-13 1997, IEEE, Piscataway, NJ: 561-564.
Gauthier, G.P., Courtay, A., Rebeiz, G.M., 1997, «Microstrip antennas on synthesized
low dielectric constant substrates», IEEE Transactions on Antennas and Propaga-
tion 45: 1310-1314.
Gauthier, G.P., Raskin, J.P., Katehi, L.P.B., Rebeiz, G.M., 1999, «А 94-GHz aperture-
coupled micromachined microstrip antenna», IEEE Transactions on Antennas and
Propagation 47: 1761-1766.
Gearhart, S.G., Willke, T., 1998, «Integrated antennas and filters fabricated using
micromachining techniques», IEEE Aerospace Applications Conference Proceedings,
Volume 3, 1998, Mar 21-28 1998, IEEE Computer Society, Los Alamitos, CA: 249-
254.
Griffin, D.W., 1995, «Monolithic active array limitations due to substrate modes», in
IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, 1995, AP-S.
Digest, Volume 2, IEEE, Washington, DC: 1300-1303.
Hai, Z., Clarricoats, P.J.B., Monk, A., 1991, «Experimental verification of an electron-
ically controlled reconfigurable reflector antenna», Electronics Letters 27: 64-65.
Hesler, J.L., Hui, K., Dahlstrom, R.K., Weikle, R.M., Crowe, T.W., Mann, CM.,
Wallace, H.B., 2001, «Analysis of an octagonal micromachined horn antenna for
submillimeter-wave applications», IEEE Transactions on Antennas and Propaga-
tion 49: 997-1001.
Jedlicka, R.P., Рое, M.T., Carver, K.R., 1981, «Measured mutual coupling between
microstrip antennas», in IEEE Transactions on Antennae and Propagation, AP-29:
147-149.
Muldavin, J.B., Ellis, T.J., Rebeiz, G.M., 1997, «Tapered slot antennas on thick dielec-
tric substrates using micromachining techniques», in Proceedings of the 1997 IEEE
Antennas and Propagation Society International Symposium, Volume 2, July 13-18
1997, IEEE, Piscataway, NJ: 1110-1113.
Papapolymerou, I., Drayton, R.F., Katehi, L.P.B., 1998, «Micromachined patch an-
tennas», IEEE Transactions on Antennas and Propagation 46: 275-283.
Pozar, D.M., 1982 «Input impedance and mutual coupling of rectangular microstrip
antenna», IEEE Transactions on Antennas and Propagation 30: 1191-1196.
Rebeiz, G.M., Kasilingam, D.P., Guo, Y., Stimson, P.A., Tutledge, D.B., 1990, «Mono-
lithic millimeter-wave two-dimensional horn imaging array», IEEE Transactions on
Antennas and Propagation 38: 1473-1482.
Sayyah, A.A., Griffin, D.W., 1997, Thick substrate mode transmitting antennas for
monolithic millimeter wave development», in Proceedings of the 1997 IEEE Anten-
nas and Propagation Society International Symposium, Part 4, July 13-18 1997,
IEEE, Piscataway, NJ: 2472-2474.
Shenouda, B.A., Pearson, L.W., Harriss, J.E., 2001, «Etched-silicon micromachined
W-band waveguides and horn antennas», IEEE Transactions on Microwave Theory
and Techniques 49: 724-727.
Washington, G., 1996, «Smart aperture antennas», Smart Material Structures 5: 801-
805.
Yook, J.-G.; Katehi, L.P.B., 1998 «Suppression of surface waves using the micro-
machining technique», in IEEE Antennas and Propagation Society International
Symposium, 1998, Volume 2, IEEE, Washington, DC: 652-655.
Yook, J.W., Katehi, L.P.B., 2001, «Micromachined microstrip patch antenna with
controlled mutual coupling and surface waves», IEEE Transactions on Antennas
and Propagation 49: 1282-1289.
Zheng, M., Chen, Q., Hall, P.S., Fusco, V.F., 1998, «Broadband microstrip patch
antenna on micromachined silicon substrates», Electronics Letters 34: 3-4.
;-.V j 1 1 il
• . ?' 5
-1 *? r 1 '
ru g.
-4'i
Uf.
ГЛАВА 9
МОНТАЖ
ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ
. МИКРОСИСТЕМ
.4 . .-н - , ,ч, *- • >г .. :
9.1. Введение
Поскольку первые микросистемы были изготовлены по технологии
производства кремниевых ИС, из области микроэлектроники были
взяты и ранние способы их монтажа. Под монтажом микросистем
подразумевается построение внутренних соединений между частя-
ми систем и обеспечение оперативного пространства для функци-
онирования электромеханических схем. Большинству микросистем
необходимо иметь физический контакт с окружающим миром ли-
бо для механического воздействия на внешнее устройство, либо для
осуществления сенсорных функций. Микросистемы не только пре-
образуют сигналы, но также способны совершать контролируемые
перемещения в пространстве. Современные технологии изготовле-
ния микродатчиков позволяют отделять сенсорную часть от осталь-
ной схемы, которая является полностью изолированной и гермети-
зированной, а связь с окружающей средой осуществляется при помо-
щи электрических разъемов. В большинстве случаев монтаж микро-
систем сильно отличается от сборки микроэлектронных устройств.
Хотя некоторые инерционные и оптические устройства не попадают
под это правило. Если в случае микроэлектронных устройств почти
каждый стандартный корпус используется для построения множе-
ства разнообразных схем, корпуса микросистем, как правило, раз-
рабатываются под каждую конкретную задачу, что повышает их
стоимость, эффективность и надежность.
При проектировании нет особой разницы в том, для чего раз-
рабатывается корпус: для пользовательской микросистемы или для
устройства, работающего в составе высокопроизводительного во-
енного оборудования. Основные отличия заключаются в их стои-
мости и степени контроля за оптимизацией параметров, точностью
соответствия рабочих характеристик и надежностью. При проекти-
ровании корпусов необходимо учитывать следующие факторы: раз-
мер корпуса, его форму, используемые для изготовления материалы,
9.2. Роль корпуса в
ориентацию устройства, монтажные приспособления для обеспече-
ния защиты от вибрации и ударов и герметизацию всего устройства.
При разработке монтажа микросистем часто пользуются опытом,
накопленным в области микроэлектроники. В состав корпусов ми-
кросистем, как правило, входит много электрических и механиче-
ских компонентов, соединенных друг с другом. Все электрические
соединения необходимо согласовывать с самой схемой. Структура
микросистем может быть очень хрупкой, поэтому ее требуется за-
щищать от механических повреждений и неблагоприятных условий
окружающей среды. Корпуса микросистем могут включать в себя
элементы механических и электрических структур, а также их ком-
бинации, входящих в состав самой системы.
В этой главе рассматриваются корпуса, принцип построения ко-
торых взят из микроэлектроники, адаптированные под технологию
изготовления микросистем, а также представлены корпуса, разра-
ботанные для современных механических микроустройств. Совер-
шенствование корпусов ведется с целью построения оптимальных
микросистем, обладающих меньшими размерами и стоимостью, а
также большим быстродействием.
Основная проблема монтажа микросистем заключается в разде-
лении кристаллов. В настоящее время для разрезания кремниевой
подложки применяются алмазные лезвия. Во время процедуры раз-
резки, взятой из стандартной технологии изготовления ИС, лезвие
вращается со скоростью 45000 оборотов в минуту, при этом вся
система заливается водой высшей степени очистки. При изготовле-
нии стандартных ИС при проведении такой процедуры не возника-
ет никаких проблем, поскольку их поверхность хорошо защищена
от попадания воды и кремниевой пыли. В случаях же применения
этой технологии при производстве микросистем, на них попадает
вода или крошки подложки, что может привести к серьезным по-
вреждениям. Попытки защитить поверхности микроструктур при
помощи фоторезистивных или других покрытий принесли только
ограниченный эффект.
&
9.2. Роль корпуса в микросистемах
Главная цель разработки корпусов — уменьшение стоимости, ве-
са и сложности микросистемы в целом. Основные функции корпу-
сов микросистем заключаются в создании механической опоры и
обеспечении электрического согласования с другими компонентами
систем, а также в защите от внешних воздействий. Корпус осуще-
Глава 9. Монтаж высокочастотных микросистем
ствляет связь кристалла с окружающим миром. Корпус должен за-
щищать устройство, но при этом не мешать выполнению его основ-
ных функций и не ослаблять полезный сигнал. Важной характери-
стикой корпусов является их стоимость, которую всегда стремятся
сделать, как можно, ниже (Blackwell, 2000, Elwenspoek, Wiegerink,
2001). Стоимость корпусов возрастает, когда осуществляется до-
полнительная защита отдельных хрупких элементов системы. Для
стандартных ИС стоимость монтажа может достигать 95% от всей
производственной стоимости. В случае же микросистем монтажные
операции могут быть еще дороже, вследствие их сложности, трудо-
емкости и хрупкости микроструктур, разнообразие используемых
материалов также создает дополнительные проблемы.
Для многих микродатчиков требуется разработка дополнитель-
ных компонентов для согласования с измеряемыми величинами. На-
пример, корпуса датчиков давления должны иметь в своем составе
порт для передачи давления жидкости к чувствительному элемен-
ту. Именно в этом заключается главное различие между корпусами
стандартных полупроводниковых устройств и микроустройств.
9.2.1. Механическая защита
Поскольку большинство микросистем являются механическими уст-
ройствами, их необходимо защищать и изолировать от термических
и механических перегрузок, вибрации, ускорений и других физиче-
ских воздействий. Механические нагрузки, влияющие на систему,
зависят от ее предназначения. Например, одна и та же микроси-
стема, используемая в военном самолете и на спутнике связи, будет
в каждом случае иметь разные корпуса, что объясняется различ-
ными условиями эксплуатации. Для обеспечения надежности систе-
мы коэффициенты температурного расширения корпуса и кремния
должны быть равны, поскольку при тепловой обработке несоответ-
ствие материалов может привести к возникновению трещин и рас-
слоений. Корпуса не должны вносить дополнительные напряжения
в саму систему, это особенно важно для микродатчиков, т. к. эти
напряжения могут изменить рабочие характеристики устройства.
Если механические микроустройства связаны друг с другом про-
водами или другими электрическими соединениями, которые, как
правило, проходят через стенки корпусов, вся сборка должна быть
либо защищена специальным покрытием, либо помещена в герме-
тичную упаковку из пластика или керамики.
9.2. Роль корпуса в микросистемах 497
9.2.2. Электрические соединения
При осуществлении электрических соединений при помощи прово-
дов и других элементов необходимо защищать микроустройства от
царапин и других физических повреждений. Электрические соеди-
нения в микросистемах используются для передачи ВЧ сигналов и
постоянного напряжения, что требуется для объединения отдель-
ных электромеханических микроустройств в единую систему. Вы-
полнение такой распределительной функции также является зада-
чей корпуса микросистемы. Для ввода ВЧ сигналов внутрь кор-
пусов, как правило, используются металлизированные линии пере-
дач или коаксиальные кабели, либо для этого применяются устрой-
ства, обеспечивающие ввод сигналов за счет электромагнитной свя-
зи. Связь выходов микросистемы и ВЧ линий чаще всего выполня-
ется при помощи проводов. Иногда для этого применяются много-
слойные внутренние соединения или контактные площадки, сфор-
мированные методом перевернутого кристалла.
i 9.2.3. Защита от вредных воздействий
окружающей среды
Многие микросистемы служат для измерения внешних параметров
окружающей среды. Герметичные корпуса, обычно применяемые в
микроэлектронных устройствах, часто не подходят для микроси-
стем, которые могут быть интегрированы со схемами или размеще-
ны с ними на одной плате и должны быть защищены от механиче-
ских повреждений. Для изоляции микроустройств от агрессивной
среды необходимо применять специальные корпуса. Защита начи-
нается с уровня кристаллов (Sparks, 2001). Для многих микроси-
стем важным является предохранение металлических линий и дру-
гих компонентов от факторов, которые могут привести к коррозии
или физическим повреждениям, например, от влаги. Влага, попав-
шая внутрь корпуса во время изготовления и перед герметизацией,
можст^вызвать порчу материалов. Например, алюминиевые линии
быстро корродируют в присутствии влаги, в то время как золотые
линии выходят из строя гораздо медленнее. Соединения разных ме-
таллов во влажной среде также довольно быстро корродируют. По-
этому корпуса микросистем должны быть герметичными, с хорошей
защитой от жидкостей и газов.
Большинство микросистем, разрабатываемых для космической
промышленности, изготавливаются герметичными, что значитель-
но повышает их надежность, но препятствует выходу газов. При
Глава 9. Монтаж высокочастотных микросистем
использовании для крепления подложек эпоксидных смол и слож-
ных эфиров образуется некоторое количество газов, которые могут
осесть на компоненты и ухудшить рабочие характеристики устрой-
ства. Оставшиеся газы могут привести к склеиванию компонентов,
а также к коррозии устройства. Если для соединения элементов ми-
кросистемы применяются материалы с низким модулем Юнга, во
время ультразвуковой пайки может произойти смещение кристал-
ла, что сильно ослабляет прочность конструкции.
9.2.4. Тепловой режим
Современные микросистемы, как правило, имеют небольшую рассе-
иваемую мощность. Поскольку во время работы электромеханиче-
ских микроустройств температура обычно увеличивается незначи-
тельно, выделение тепла здесь также не является проблемой. Одна-
ко при интеграции в одном корпусе микросистем с другими мощ-
ными устройствами, например, усилителями, необходимо предусма-
тривать отвод тепла от микроструктур, чтобы предотвратить их
выход из строя из-за действия высоких температур. Поэтому при
разработке микросистем всегда необходимо учитывать тепловой ре-
жим работы всего устройства в целом.
9.3. Виды корпусов микросистем
Методы сборки миниатюрных механических устройств разработа-
ны уже довольно давно. В космической промышленности такие ме-
тоды применяются уже более полувека, а в часовой — еще больше.
Каждая микросистема, как правило, требует разработки индивиду-
ального корпуса, который определяется областью применения и ме-
тодами оптимизации. Существуют четыре основных типа корпусов:
1 — полностью металлический, 2 — керамический, 3 — пластико-
вый и 4 — многослойный.
9.3.1. Металлические корпуса ,
Поскольку металлические корпуса обеспечивают отличный отвод
тепла и надежное электромагнитное экранирование, они часто при-
меняются для ИС. Металлические корпуса также используются и
для монолитных СВЧ ИС, а также гибридных схем. Такие матери-
алы как CuW (10/90), NiFe, CuMo (15/85) и CuW (15/85) обладают
хорошей теплопроводностью и имеют более высокий коэффициент
термического расширения по сравнению с кремнием. Все эти ме-
I
9.3. Виды корпусов микросистем
таллы, покрытые медью, золотом или серебром, применяются для
изготовления корпусов микросистем.
9.3.2. Керамические корпуса
Керамические корпуса являются самыми распространенными кор-
пусами, используемыми в микроэлектронной промышленности. Их
I достоинства — малый вес, низкая стоимость и возможность серий-
ного выпуска. Керамические корпуса могут быть выполнены гер-
метичными и адаптированными к многослойным схемам. Они лег-
ко интегрируются при организации сквозных сигнальных линий.
I Многослойные конструкции позволяют уменьшать размеры и стои-
мость интегрированных корпусов, объединяющих несколько микро-
устройств. Электрическая разводка схем внутри корпуса выполня-
ется при помощи многослойной керамики и внутренних соедини-
I тельных линий. Для производства таких корпусов обычно применя-
ется технология совместного спекания многослойной керамики.
Многослойный монтаж состоит из формирования отдельных сло-
ев тонких пленок, происходящего на подготовительных стадиях до
I начала процесса спекания. На поверхность каждой пленки методом
трафаретной печати наносятся металлические проводники, а для
организации внутренних межслоевых соединений сверлятся сквоз-
ные отверстия. По окончании формирования всех слоев, пленки скла-
। дываются вместе и выравниваются, после чего полученная слоевая
структура обжигается при высокой температуре. Далее выполня-
ется соединение микросистем и других необходимых компонентов,
для чего применяются методы склеивания при помощи эпоксидной
1 смолы, пайки или проволочных креплений, аналогичные способам,
используемым при производстве металлических корпусов.
При такой технологии монтажа могут возникнуть следующие
проблемы. Во-первых, во время температурной обработки происхо-
дит уменьшение размеров конструкции, величина которого зависит
от количества сквозных отверстий и технологических прорезей, вы-
полненных в каждом слое. Во-вторых, адгезия между керамикой и
металлом намного слабее адгезии между двумя керамическими сло-
ями. В-третьих, обработка керамики происходит при высоких тем-
пературах, что ограничивает выбор материалов для металлических
линий, к тому же металлы в процессе обжига не должны вступать
ни в какие реакции. В процессе совместного низкотемпературного
спекания керамики (LTCC) для формирования металлических ли-
ний, как правило, применяются вольфрам и молибден, а в качестве
проводников — золото, серебро и AuPt.
17'
500 Глава 9. Монтаж высокочастотных микросистем
9.3.3. Пластиковые корпуса
Из-за низкой стоимости производства пластиковые корпуса доста-
точно часто применяются в электронной промышленности. Однако
изготовить пластиковые корпуса герметичными нельзя, что делает
невозможным их использование в областях, где требуется высокая
прочность и надежность устройств. Другим недостатком пластико-
вых корпусов является подверженность к растрескиванию в процес-
се температурной обработки. •
9.3.4. Многослойный монтаж микросистем
углубление,
формируемое
сухим травлением
устройства
двухмодовый
на GaAs подложке
(крепление методом
перевернутого кристалла) кольцевой фильтр
держатель подложки высокорезистивная
кремниевая подложка
Рис. 9.1. Трехмерный мно-
гослойный монтаж микро-
системы миллиметрового
диапазона. Репродукция
из книги К. Takahashi, U. San-
gawa, S. Fujita, M. Matsuo,
T.Urabe, H. Ogura, H. Yu-
buki, 2001, «Packaging using
microelectromechanical tech-
nologies and planar compo-
nents», IEEE Transactions
or Microwave Theory and
Techniques 49(11): 2099-
2104 с разрешения IEEE,
©2001 IEEE
На рис. 9.1 показано поперечное сечение трехмерного многослойной
конструкции, используемой для микроструктур на кремниевой под-
ложке. Пассивные элементы, такие как фильтры и согласующие це-
пи, формируются в каждом слое, а активные устройства собира-
ются на верхнем слое по технологии перевернутого кристалла. Так
строятся структуры трехмерных ИС на основе кремния, которые
обладают лучшим соотношением цена-эффективность по сравнению
с GaAs. На рис. 9.2 показана схема монтажа 25-ти ГГц приемника
со встроенным микрофильтром, а также приведены его экспери-
ментально полученные частотные характеристики (Takahashi et al,
2000). Размеры корпуса такого устройства равны 11 х 11мм2. Об-
щий коэффициент усиления преобразователя составляет 22 дБ при
факторе шума менее 4 дБ.
9.3. Виды корпусов микросистем
(а)
Рис. 9.2. а — схема монтажа 25-ти ГГц приемника со встроенным филь-
тром, б — его частотные характеристики. Репродукция из книги
К.Takahashi, U. Sangawa, S. Fujita, К. Goho, T. Urabe, H. Ogura,
H. Yubuki, 2000, «Packaging using microelectromechanical technolo-
gies and planar components», 200 Asia Pacific Microwave Conference,
; IEEE, Washington, DC: 904-907 с разрешения IEEE, ©2000 IEEE
ВЧ= -50 дБм
частота генератора = +1 дБм
промежуточная частота -1,72 ГГц
частота генератора = ВЧ промежуточная частота
(б)
9.3.5. Монтаж микросистем на гибких печатных
платах
Этот способ монтажа был предложен в работе (Butler, Bright, 2000)
для сборки оптоэлектромеханических микросистем и ВЧ микро-
устройств. Он был взят из микроэлектронной технологии изготовле-
ния схем на гибких печатных платах (COF). COF — это высокопро-
изводительная многокристалльная технология сборки, при которой
кристаллы монтируются внутри пластиковой подложки, а электри-
ческие соединения выполняются при помощи тонкопленочных овер-
лейных структур, сформированных сверху компонентов (рис. 9.3).
При помощи полиимида или термопластиков кристаллы прикрепля-
ются снизу оверлейной структуры, нанесенной на гибкой печатной
плате. После чего вокруг кристаллов и их компонентов формирует-
ся сама подложка. Для этого применяется технология формования
пластмассы, включающая в себя перенос рисунка, прессование или
литье при температуре 210 °C. Внутренние соединения выполняют-
ся через сквозные отверстия, выполненные при помощи аргонового
ионного лазера. Для обеспечения электрических связей по трафаре-
ту напыляется слой металлизации из Ti/Cu. Совместное применение
лазера переменной мощности и методов очистки при помощи плаз-
мы и струи воды под высоким давлением позволяет эффективно
502 Глава 9- Монтаж высокочастотных микросистем
удалять оверлейную структуру, не повреждая при этом встроенные
микроструктуры. На рис. 9.4 показана матрица микрозеркал (5x5)
со встроенной схемой управления, для сборки которой применялся
метод оверлейного монтажа.
отверстия, сделанные при помощи лазера
Рис. 9 .3. Принцип монтажа микросистем на гибких печатных платах. Ре-
продукция из книги J.T. Butler, V.M. Bright, 2000, «Ап embed-
,r. ded overlay concept for microsystems packaging», IEEE Transactions
... on Advanced Packaging 23(4): 617-622 с разрешения IEEE, ©2000
, IEEE
Рис. 9.4. Матрица
управляемых микро-
зеркал (5 х 5), из-
готовленная мето-
дом оверлейного мон-
тажа. Репродук-
ция из книги J.T.
Butler, V.M. Bright,
2000, «Ап embed-
ded overlay concept
for microsystems
packaging», IEEE
Transactions on
Advanced Packaging
23(4): 617-622 c
разрешения IEEE,
©2000 IEEE
9.3.6. Монтаж на подложке
Способ монтажа должен выбираться на самых ранних стадиях раз-
работки микросистем. Самое лучшее соотношение стоимость-эф-
фективность достигается при применении монтажа, проводимого
непосредственно на подложке (Gilleo, 2001а, Reichal, Grosser, 2001).
9.3. Виды корпусов микросистем
Разработка схем монтажа и внедрение их в технологический про-
цесс производства микроустройств может помочь снизить стоимость
всего устройства. Для сборки устройств, в которых на одной под-
ложке размещены и микросистема, и электрическая схема, необхо-
димы методы универсального монтажа. При таком подходе каждое
микроустройство может монтироваться своим собственным спосо-
бом. Для электромеханических микросистем, имеющих в своем со-
ставе структуры, перемещающиеся по поверхности подложки, не-
обходимо предусматривать дополнительные защитные кремниевые
конструкции. Эти защитные структуры обеспечивают не только ме-
ханическую защиту устройства, но и позволяют предотвратить по-
падание влаги. Для организации такой конструкции подложка, на
которой сформирован активный элемент, скрепляется с другой под-
ложкой. Соединение двух подложек осуществляется либо при помо-
щи плавления стекла, либо анодной сварки. Прецизионное соедине-
ние подложек является ключевым моментом при сборке микроси-
стем (Helsen et al, 2001, Mirza, 2000).
Монтаж на подложке включает в себя проведение дополнитель-
ных технологических операций, которые заключаются в вытравли-
вании специальных полостей в защитной подложке и в непосред-
ственном соединении двух подложек. На рис. 9.5 схематично показа-
на сборка микросистемы на подложке. Такой способ монтажа позво-
ляет микроустройству свободно перемещаться в вакууме или инерт-
ной атмосфере при условии герметичности соединений, что также
защищает микроструктуры от попадания различных видов загряз-
нений. Вытравливание полостей в кремниевой подложке, размеще-
ние полученной структуры сверху микросистемы и склеивание их
вместе позволяет реализовать герметичную сборку.
' Рис. 9.5. Монтаж ВЧ микросистемы на кремниевой подложке
Методом анизотропного жидкостного травления кремниевых под-
ложек вдоль определенных кристаллических плоскостей при помо-
щи сильных растворов щелочей, например, КОН, можно формиро-
вать тонкие диафрагмы, сквозные отверстия и V-образные проре-
Глава 9. Монтаж высокочастотных микросистем
зи. Наибольшая скорость травления кремния соответствует плоско-
стям (100) и (ПО), а наименьшая — (111). Для формирования мас-
кирующих слоев, как правило, применяется диоксид кремния или
нитрид кремния, нанесенный методом химического осаждения из
газовой фазы при низком давлении. Примерами применения монта-
жа на подложке являются головки для струйных принтеров и крем-
ниевые пьезоэлектрические датчики давления, используемые в си-
стемах промышленной автоматизации. Для крепления двух подло-
жек разработано довольно много методов. Их примерами являются:
анодная сварка кремния со стеклом, низкотемпературное склеива-
ние кремния с кремнием при помощи расплава стекла, непосред-
ственное соединение кремниевых подложек, эвтектическое плавле-
ние и склеивание при помощи эпоксидных смол.
9.3.7. Экранирование и самоупаковка
(б) линия с диэлектрическим экраном
Рис. 9.6. Схема самоупаковывающихся линий передач: а — линия, опира-
ющаяся на диэлектрическую мембрану, б — линия с диэлектри-
ческим экраном. Репродукция из книги R.F. Dryton, 1995, The
Devepopment and Characterization of Self-packages using Microma-
chining Techniques for High Frequency Circuit Applications, PhD dis-
, sertation, University of Michigan, Ann Arbor, MI с разрешения Uni-
versity of Michigan
Существующие микротехнологии обеспечивают гибкий подход к раз-
работке линий передач, обладающих низкими потерями (Dryton,
1995). Они также позволяют изготавливать отдельные планарные
компоненты схем методом самоупаковки (Hinderson et al, 2000). При-
меры изготовления микроустройств методами самоупаковки пока-
заны на рис. 9.6, 9.7 и 9.8. На рис. 9.6 приведены варианты двух ли-
ний передач: в одном из них металлические проводники опираются
на мембрану, в другом — под проводящими линиями находится по-
9-4- Монтаж методом перевернутых кристаллов 505
лость. На рис. 9.7 и 9.8 в верхней подложке сформирована полость,
заполненная воздухом. Эта подложка монтируется над металличе-
скими проводниками. Объединение верхней и нижней экранирован-
ных схем приводит к построению ВЧ системы.
Рис. 9.7. Самоупаковывающаяся линия пе-
редач, состоящая из двух кремниевых под-
ложек. Репродукция из книги R.F. Dryton,
1995, The Devepopment and Characterization
of Self-packages using Micromachining Tech-
niques for High Frequency Circuit Applica-
tions, PhD dissertation, University of Michi-
gan, Ann Arbor, MI с разрешения University
of Michigan
заполненная
проводники
материалом подложки
Рис. 9.8. а — Типичный монтаж линии передач с копланарным волново-
дом, б — вид сверху, в — вид сбоку. Репродукция из книги S.J.
Kim, Y.S. Kwon, H.Y. Lee, 2000, «Silicon MEMS Packages for copla-
nar MMICs», Proceedings of 2000 Asia-Pacific Microwave Confer-
ence, Australia, December 2000, IEEE, Washington, DC с разреше-
ния IEEE, ©2000 IEEE
9.4. Монтаж методом перевернутых кристаллов
Метод перевернутых кристаллов часто применяется для сборки ЕЧ
систем. Это связано с тем, что такой способ монтажа позволяет
обеспечивать очень малую протяженность межкомпонентных со-
единений и за счет этого уменьшать паразитный импеданс. В дан-
ном методе сборки кристалл ИС помещается лицевой стороной вниз
на подложку, на которую заранее нанесены капли припоя для осуще-
ствления непосредственной связи кристалла с подложкой. Контакт-
ные шарики обеспечивают не только механическое соединение, но
и электрический контакт. Такой метод крепления уменьшает длину
электрического пути, и, соответственно, снижает связанные с ним
емкость и индуктивность, что особенно важно для ВЧ микросистем.
Уменьшение паразитных емкостей и индуктивностей позволяет ми-
нимизировать задержку сигналов в быстродействующих схемах.
При осуществлении монтажа методом перевернутых кристал-
лов кристалл прикрепляется на подложку корпуса верхней стороной
вниз. Электрические соединения выполняются через капли припоя
между контактными площадками на кристалле и металлическими
контактами на подложке (Oppermann et al, 2000). Такой метод креп-
ления позволяет оставлять между кристаллом и подложкой очень не-
большое расстояние (~ 100мкм). При этом капли припоя формиру-
ют не только электрическую связь с подложкой, но и используются
в качестве механической опоры.
изоляционный слой
/
световод
На рис. 9.9 показана схема
корпуса микросистемы, изго-
товленного методом перевер-
нутого кристалла. Посколь-
ку активная поверхность ми-
кросистемы размещена ря-
дом с подложкой, полость за-
щищает ее подвижную часть.
Величина нейтральной зоны
определяется высотой кап-
ли припоя. Метод перевер-
нутого кристалла отличается
большой универсальностью,
поэтому он подходит для из-
готовления многих типов ми-
кросистем. Существует дру-
гой способ монтажа на под-
Рис. 9.9. Сборка микросистемы методом
перевернутого кристалла. Репродукция из
книги S.J. Kim, Y.S. Kwon, H.Y. Lee,
2000, «Silicon MEMS Packages for coplanar
MMICs», Proceedings of 2000 Asia-Pacific
Microwave Conference, Australia, December
2000, IEEE, Washington, DC с разрешения
IEEE, ©2000 IEEE
ложке, заключающийся в том, что сначала над микроустройством
формируется защитный колпак, после чего проводится сборка ми-
кросистемы стандартным методом перевернутого кристалла. На
рис. 9.10 (стр. 507) проиллюстрирован данный способ монтажа. На
рис. 9.11а (стр. 508) показана последовательность операций при
сборке микросистемы на керамической подложке методом перевер-
нутого кристалла, а на рис. 9.116 представлены два типа каплей
9.5. Многокристальные микросистемы
припоя, сформированных из золота на контактных площадках на
подложке. Капля с острым концом легче деформируется, поэтому
соединение, осуществляемое с ее помощью имеет большую темпера-
турную стабильность.
1. формирование защитного колпака
для микроустройства или подложки;
пайка, сварка или склеивание
ИС микросистемы
может потребоваться
дополнительное покрытие
для защиты тонкого колпака
2. крепление микроустройства
3. обычная защита
от механических повреждений
Рис. 9.10. Монтаж микросистемы с защитным колпаком. Репродукция из
книги К. Gilleo, 2001b, «MEMS packaging issues and materials»,
Proceedings of IEEE International Symposium on Advanced Pack-
aging: Process, Properties and Interfaces, IEEE, Washington, DC:
t 1-5 с разрешения IEEE, ©2001 IEEE
Сборка методом перевернутых кристаллов широко применяет-
ся для изготовления микросистем. Это объясняется тем, что этот
метод позволяет на одной подложке крепить несколько близко рас-
положенных кристаллов и осуществлять многоуровневые электри-
ческие соединения. Аналогичные микросистемы могут быть изго-
товлены также при помощи проволочных соединений, но при этом
площадь монтажа будет значительно больше, а огромное количе-
ство проводов внутри системы может привести к ухудшению надеж-
ности устройства. Однако микросистемы, изготовленные методом
перевернутого кристалла, несовместимы с устройствами, в состав
которых входят микроструктуры, открытые для воздействия окру-
жающей среды.
9.5. Многокристальные микросистемы
Из-за несовместимости технологий изготовления электромеханиче-
ских микросистем и ИС возникают проблемы при их интеграции
на одной подложке. Метод монтажа в виде многокристалльных мо-
дулей является эффективным способом интеграции микросистем с
микроэлектронными схемами, поскольку он позволяет объединять
множество кристаллов разного типа на одной подложке без значи-
тельных изменений технологических процессов. Этот метод монта-
жа, основанный на технологии высокой плотности межсоединений,
заключается во встраивании бескорпусных кристаллов внутрь об-
щей подложки.
1) Формирование капли припоя 2) монтаж кристалла '
стадия сварки 200 *
стадия сварки 300
(а)
(б)
Г' Ри& 9.11. а — последовательность операций при монтаже методом пе-
ревернутого кристалла, б — фотографии двух форм припоя:
капли с острым концом и капли с плоским концом. Репродук-
Ц , ция из книги Н. Kusamitsu, Y. Morishita, К. Murushashi, М. Ito,
К. Ohata, 1999, «The flip-chip bump interconnection for millimeter
" wave GaAs MMIC>>, IEEE Transactions on Electronics Packaging
and Manufacturing 22(1): 23-28 с разрешения IEEE, @1999 IEEE
Для построения микромодульных систем часто используется тех-
нология нанесения многокристалльных модулей. По этой техноло-
гии сначала формируются коммутационные слои, сверху которых
монтируются кристаллы. Коммутационные слои состоят, как пра-
вило, из проводных соединений (Butler, Bright, Comtios, 1997, Butler
et al, 1998, Cohn et al, 1998, Coogan, 1990, Sardborn, Swaminathan,
Subramanian, 2000).
На рис. 9.12 а показана последовательность операций, соответ-
ствующая стандартной технологии высокой плотности межсоедине-
ний. Для построения электромеханических устройств эту техноло-
гию можно расширить, добавив в нее дополнительную стадию селек-
тивного лазерного удаления диэлектрического слоя для обеспечению
доступа к кристаллу микросистемы (рис. 9.12 б). На рис. 9.13 показа-
на фотография многокристальной микросистемы, в состав которой
входит КМОП-схема и кристалл электромеханического устройства.
Рис. 9.12. а — пос-
ледовательность опера-
ций при технологии
высокой плотности
межсоединений, б —
усовершенствованная
технология высокой
плотности межсоедине-
ний, обеспечивающая
доступ к кристаллам
микросистемы. Репро-
дукция из книги J.T.
Butler, V.M. Bright,
Р.В. Chu, R.J. Saia,
1998, «Adapting mul-
tichip module foudries
for MEMS packaging»,
Proceedings of IEEE
International Conference
on Multichip Modules
and High-Density
Packaging, IEEE, Wash-
ington, DC: 106-111
с разрешения IEEE,
©1998 IEEE
v
Формирование подложки контактные площадки
(а)
Формирование окошек при помощи лазера
(б)
Среди микромодульных систем можно выделить многокристаль-
ные микросистемы, реализованные на керамической многослойной
подложке из оксида алюминия, и вертикальные многокристальные
модули (Gotz et al, 2001). В этих микросистемах линии и сквозные
отверстия формируются на разных слоях, которые затем все вме-
сте подвергаются высокотемпературной обработке (спеканию). При
Глава 9. Монтаж высокочастотных микросистем
необходимости к этой конструкции методом эвтектической пайки
прикрепляются рамки с внешними выводами и теплоотводы.
Рис. 9.13. Многокристалльная система, состоящая из КМОП схемы и ми-
кросистемы. Репродукция из книги J.T. Butler, V.M. Bright, J.H.
Comtios, 1997, «Advanced multichip module packaging of microelec-
tromechanical systems», Transducers ’97, IEEE, Washington DC:
261-264 с разрешения IEEE, @1997 IEEE
9.5.1. Соединение подложек
При сборке микросистем иногда используют защитные подложки
с внутренним углублением, прикрепленные к основной подложке.
Однако традиционные методы соединений, такие как плавление и
анодная сварка, не могут быть применены при монтаже механиче-
ских микроустройств из-за опасности их повреждений от действия
высоких температур или сильных электрических полей. Использова-
ние же низкотемпературных методов крепления может привести к
значительному увеличению стоимости сборки. Выход из этой ситуа-
ции — сначала проводить монтаж микроустройства, а потом сборку
оставшейся части системы, применяя традиционные методы монта-
жа ИС. Для сборки микроустройств могут быть применены методы
заклепочного соединения (Lin, 1993, Shivkumar, Kim, 1997) или эв-
тектической пайки (Cheng, Lin, Najafi, 2000), которые выполняются
направленным травлением кремния для получения отверстий для за-
клепок и направленным гальваноосаждением в электрическом поле
для формирования самих заклепок. Такое соединение подложек про-
9.5. Многокристальные микросистемы 51 I
водится при комнатной температуре и низком напряжении. После
установки защитной подложки микроустройства могут подвергать-
ся любым технологическим процедурам, необходимым для изгото-
вления ИС, включая построение проводных соединений и отливку
пластиковых корпусов.
На рис. 9.14 показан принцип монтажа дополнительной подлож-
ки для защиты микроустройства методом заклепочного соединения.
Для соединения основной и защитной подложек вокруг дополнитель-
ной подложки формируются заклепки. На рис. 9.15 показаны защит-
ная и основная подложки и гальваническая установка. В качестве
материала для изготовления заклепки используется никель.
поперечное сечение
Принцип монтажа защитной подложки методом заклепочного
соединения. Репродукция из книги В. Shivkumar, C.J. Kim, 1997,
«Microrivets for MEMS packaging: concept, fabrication and strength
testing », Journal of Microelectromechanical Systems 6(3): 217-225
; и . с разрешения IEEE, ©1997 IEEE
j. На поверхность основной подложки методом термического оса-
ждения из газовой фазы наносится затравочный слой, состоящий
из 125 А хрома и 750 А никеля. Во время проведения гальваническо-
го процесса основная и защитная подложки удерживаются вместе.
Осаждение никеля начинается с незащищенной области затравоч-
ного слоя, после чего происходит заполнение всего отверстия под
заклепку на защитной подложке и формирование самой заклепки.
Простого механического фиксирования двух подложек в электроли-
те достаточно для осуществления их прочного соединения, при этом
в микроскопическом зазоре между ними гальванический процесс не
проходит.
отверстия
для
[защитная подложк
углубление
Рис. 9.15. Схемы: а — основ-
ной и защитной подложек, б —
гальванической установки. Репро-
дукция из книги В. Shivkumar,
C.J. Kim, 1997, «Microrivets for
MEMS packaging: concept, fabrica-
tion and strength testing», Jour-
nal of Microelectromechanical Sys-
tems 6(3): 217 225 с разрешения
IEEE, ©1997 IEEE
(основание для заклепки) активная зона
) микросистемы
В методе плавления в качестве нагревательного и соединяюще-
го материала используется поликремний. Плавление применяется в
основном в структурах кремний-на-изоляторе, таких как Si—SiO2
(Laskey, 1986, Li et al, 2002, Mirza, 2000), или для скрепления кремни-
евых элементов (Shimbo et al, 1986). Соединение алюминия и стекла,
осуществляемое методом локального нагрева, проводится для обес-
печения герметичности корпусов (Cheng, Lin, Najafi, 2001). При про-
ведении эвтектического плавления на поверхность одной из подло-
жек напыляются резистивные нагревательные элементы из золота,
которое также используется как соединительный-материал. Темпе-
ратура таких микронагревателей растет пропорционально силе то-
ка, протекающего по ним и управляющего процессом соединения.
Принцип соединения методом локального нагрева проиллюстриро-
ван на рис. 9.16. К. п. д. микронагревателя зависит от выбора мате-
риала и геометрической формы соединяемых структур. Например,
температура на микронагревателе, равная 1000 °C, падает на рас-
стоянии менее 2 мкм до 100 °C (Mirza, 2000). На рис. 9.17 показа-
на установка для проведения локального эвтектического плавления.
»
Процесс обычного соединения подложек проходит, как правило, в
течение часа, в то время как при эвтектическом нагреве для этого
достаточно менее 5 минут.
4
В процессах соединения подложек из
кремния и стекла, а также для эвтектиче-
ского плавления кремния и золота приме-
няется поликремний, легированный фос-
фором, и золотые нагревательные элемен-
ты. В обоих случаях процесс соединения
длится менее 5 минут.
Процесс соединения подложек, как
правило, состоит из двух этапов (табли-
ца 9.1). Сначала подложки выравнивают-
ся друг относительно друга при помощи
специального устройства, которое также
4
Рис. 9.16. Схема установки
локального нагрева
позволяет совмещать с ними и фотомаску. После чего выровненные
подложки фиксируются в специальном зажимном устройстве. При
этом между ними устанавливается определенный зазор. На следую-
щем этапе зажимное устройство с подложками помещается в ваку-
умную камеру, где и проходит процесс их соединения.
микронагреватель
ВЯВН диоксид кремния
I I кремний
Рис. 9.17. Экспериментальная установка для проведения локального на-
грева и проведения тестирования соединений. Репродукция из
книги L. Lin, 2000, «MEMS post-packaging by localized heating
and bonding», IEEE Transactions on advanced Packaging 23(4):
608-616 с разрешения IEEE, ©2000 IEEE
5 14 Глава 9. Монтаж высокочастотных микросистем
Таблица 9.1. Типовые технологические условия проведения процесса со-
единения подложек методами: анодной сварки, плавления
стекла и прямого контакта
Условие Процесс соединения
Анодная сварка Плавление стекла Прямой контакт
Температура, °C 300500 400-500 1000
Давление, Бар Не применяется 1 Не применяется
Напряжение, кВ 0,1-1 Не применяется Не применяется
Шероховатость поверхности, нм 20 Не применяется 0,5
Точность зазора? + __ +
Герметичность? + + +
Уровень вакуума во время процес- са, Торр 10~5 10 10“3
Источник: Mirza, Ayon, 1998
9.6. Монтаж ВЧ микросистем: вопросы надежности
9.6.1. Материалы корпусов
Поскольку микросистемы могут изготавливаться не только на крем-
ниевых подложках, необходимо учитывать технологическую совме-
стимость используемых материалов. В настоящее время требует-
ся разработка систем автоматизированного монтажа микросистем.
Разработку корпусов микросистем необходимо начинать с рассмо-
трения условий, в которых им предстоит работать. Например, в
таблице 9.2 приведены условия, при которых работают большинство
автомобильных датчиков.
9.6.2. Интеграция микросистем с
микроэлектронными схемами
Интеграция микродатчиков с электронными схемами дает много
преимуществ, особенно при работе с малыми сигналами. Однако в
этих случаях важно, чтобы методы, используемые для изготовления
микросистем, не входили в противоречие с методами построения
ИС. Микросистемы могут формироваться до или после проведения
непосредственной интеграции с микроэлектронными схемами. Ре-
шение вопроса: стоит проводить интеграцию или нет, зависит от
области применения датчиков и различных аспектов применяемых
9.6. Монтаж ВЧ микросистем: вопросы
технологий. Современный технологический уровень позволяет объ-
единять микросистемы и ИС двумя способами: в одном корпусе или
на одной подложке (Malshe et al, 2001).
Таблица 9.2. Рабочие параметры для автомобильных датчиков
Окружающие условия Значение параметра
Температура, °C
Внутри ведущего вала 40-85
Под капотом 120
На двигателе 150
В катализаторе и выхлопной трубе 200-600
Механический удар, г
Сборка (тест на падение) 3000
На автомобиль 50-500
Механическая вибрация при 15 г, Гц 100-2000
Электромагнитный импульс, В/м 100-200
Примечание: в зависимости от зоны применения датчика может также потре-
боваться рассмотрение воздействия влажности, солевых брызг, бензина, масла,
тормозной и трансмиссионной жидкостей, этилен гликоля и выхлопных газов.
Источник: Sparks, Chang, Eddy, 1998
В самой простой форме интегрированных микросистем все слои вы-
полняют функции либо структурных, либо защитных слоев (French,
1999, Hsu, 2000, Ramesham, Ghaffarian, 2000). Большинство микро-
систем состоят из множества слоев, нанесенных сверху подложки:
оксидных, поликремниевых, металлических и нитридных. Построе-
ние каждого слоя влечет за собой дополнительные операции по на-
несению масок и травлению (рис. 9.18).
Существуют три основных метода монолитной интеграции КМОП
схем и микросистем: а — начинающийся с изготовления электрон-
ной схемы (University of California, Berkeley, CA), 6 — формирующий
микросистему в середине процесса (Analog Devices, Cambridge, МА),
в — начинающийся с изготовления микросистемы (Sandia National
Laboratories, Livermore) (O’Neal et al, 1999). Каждый из этих мето-
дов имеет свои достоинства и недостатки. Sandia сначала форми-
рует микросистему, потом вытравливает полость, покрывает ее за-
щитным оксидным слоем, который предохраняет электромеханиче-
ское устройство в процессе изготовления КМОП схемы. После того
как полость полностью заполняется SiC>2, поверхность выравнивает-
ся и служит основой для изготовления КМОП схемы. По окончании
формирования электронной схемы защитный слой оксида, покрыва-
ющий микросистему, удаляется.
16 Глава 9. Монтаж высокочастотных микросистем
I п-легированный
поликремний
Г" пассивация
I карман
п-типа
алюминий
| | р+легированный кремний
диоксид кремния
Г I п-кремний
I ....-I каРман n+легированный кремний
р-типа
фоторезист
нитрид кремния
Рис. 9.18. Интеграция микроакселерометра с КМОП схемой. Репродукция
из книги P.J. French, 1999, «Integration of MEMS devices», Pro-
ceedings of SPIE Device and Process Technologies for MEMS and
,; Microelectronics, Queensland Australia, SPIE volume 3892: 39-48 c
, ' разрешения SPIE
Альтернативным способом монолитной интеграции является из-
отовление многокристальных модулей, в которых ИС и микроси-
гемы размещаются в одном корпусе. Используя такую технологию,
а одном кристалле можно разместить несколько датчиков и при-
одов одновременно (Butler et al, 1998). Основными недостатками
аких интегрированных систем являются ослабление сигнала из-за
аразитных эффектов между ее компонентами и увеличение стои-
:ости монтажа.
В работе (Kim, Kwon, Lee, 2000) было показано, что копланар-
ые монолитные СВЧ ИС, реализованные в корпусе на кремниевой
одложке (1... ~ ЗОООм-м), обладают меньшими паразитными и
езонансными эффектами, а также более низким коэффициентом
вязи по сравнению с бескорпусными устройствами. Для копланар-
ых линий передач оптимальным способом монтажа, обеспечиваю-
1им низкую стоимость и высокие рабочие характеристики, являет-
я сборка устройства на общей кремниевой подложке без золотого
окрытия.
9.6. Монтаж ВЧ микросистем: вопросы
9.6.3. Разводка микросистем
Корпуса микросистем должны защищать микроустройства от вред-
ного воздействия окружающей среды, а также обеспечивать раз-
водку электрических сигналов и взаимодействие с внешним миром.
В герметичных корпусах места ввода и вывода электрических разъ-
емов должны быть тщательно заизолированы. Для реализации элек-
трических соединений между кристаллом и корпусом чаще всего
используются провода. Для разводки микросистем лучше исполь-
зовать золотые, а не алюминиевые провода. В диапазоне частот
50... 100 кГц при использовании проводных соединений внутри ми-
кросистем могут возникнуть серьезные проблемы, связанные с ко-
лебаниями микростуктур на этих частотах. Поскольку резонансные
частоты большинства микроструктур находятся в том же частот-
ном диапазоне, увеличивается вероятность поломки микроустрой-
ства из-за отсоединения каких-либо проводов (Maluf, 2000).
9.6.4. Надежность и основные неисправности
механизмов
Требования по надежности для разных микросистем значительно
различаются.
Поэтому невозможно организовать стандартное тестирование
по надежности всех микросистем. Для оценки надежности системы
необходимо анализировать все источники возможных неисправно-
стей. Основными причинами выхода из строя механических частей
микросистем являются:
Склеивание и износ: Склеивание и износ являются причи-
нами большинства поломок микросистем. Склеивание происхо-
„ дит из-за адгезии между микроскопическими частицами при
контакте двух поверхностей, а износ — из-за коррозии вслед-
ствие вредного воздействия окружающей среды.
Расслаивание: Микросистемы могут выходить из строя из-
за расслоения соединенных вместе тонкопленочных материа-
лов. Разрушение разнородных или однородных материалов, а
также соединений между подложками также могут привести
к расслоениям (Sandborn, Swaninathan, Subramanian, 2000).
ью Увлажнение: Попадание влаги является критичным для ми-
кросистем с точки зрения их механической природы и резо-
нансной частоты. Существует много вероятных способов по-
падания влаги в систему, например, из атмосферы. Поэто-
му для микросистем важным является хорошая герметизация.
Наиболее страдают от попадания влаги микросистемы, имею-
щие в своем составе подвижные части.
Механические поломки: Изменение упругости влияет на
резонансные и демпфирующие характеристики балки, что ве-
дет к изменению рабочих характеристик датчика.
9.7. Тепловой режим
Для микросистем, помещенных в корпус, значительно усложняет-
ся расчет тепловых режимов и контроль температуры. Уменьшение
размеров микроустройств затрудняет нахождение суммарного вы-
деления тепла в окружающую среду, определяемого конфигурацией
микросистемы (Lin, 2000, Nakayama, 2000). Распространение тепла в
микросхемах и микросистемах осуществляется, в основном, за счет
теплопередачи в тонких слоях. При уменьшении габаритов микро-
устройств в них не находится места для размещения вентиляторов
и помп, вследствие чего все генерируемое тепло может выводится
в окружающее пространство одним единственным способом — че-
рез корпус микросистемы. Поэтому для обеспечения приемлемых
тепловых режимов работы микросистем необходимо так разраба-
тывать корпуса, чтобы выполнялись следующие два условия: во-
первых, обеспечивался быстрый отвод тепла от источников тепла,
во-вторых, рассеяние тепла через корпус было максимальным.
9.8. Заключение
Существуют три уровня монтажа микросистем: 1 — уровень кри-
сталлов, 2 — уровень устройств, 3 — уровень системы. Монтаж на
уровне кристаллов включает в себя операции пассивации и изоляции
тонких и хрупких устройств. Эти устройства необходимо разрезать
и соединить при помощи проводов. Монтаж на уровне устройств
заключается в подсоединении источников питания, сигнальных ли-
ний и разъемов. Системный уровень монтажа — интеграция микро-
систем со схемами формирования сигнала или специализированны-
ми ИС.
Большинство трудностей, с которыми приходится сталкивать-
ся при разработке монтажа микросистем, связаны с недостатком
информации, знаний и опыта на пересечениях таких областей, как
электричество, механика, ВЧ техника, оптика, материаловедение,
технология, программное обеспечение. Монтаж микросистем явля-
ется той областью, где необходимо совмещать и практические, и
научные знания во всех перечисленных сферах, где требуется об-
мен опытом и достижениями. В таблице 9.3 приведены проблемы,
возникающие при монтаже микросистем, и способы их решения.
Необходимо провести унификацию методов монтажа микроси-
стем. Кроме некоторых типов инерционных датчиков и датчиков
давления, используемых в автомобильной промышленности, боль-
шинство микросистем разрабатывались по частным заказам. Из-за
недостатка доступа ко многим данным в этих сферах до сих пор
было невозможно стандартизировать методы разработки и монта-
жа микросистем. Однако в настоящее время уже накоплен опреде-
ленный опыт в области проектирования микроустройств, и, объ-
единив усилия промышленных предприятий, академических и ис-
следовательских институтов, уже возможно разработать набор до-
кументов, унифицирующих процесс создания микросистем. Также
необходимо построить математические модели механических ми-
кроустройсв, основанные на базовых соотношениях для тонкопле-
ночных материалов, полученных при помощи метода конечных эле-
ментов и других методов численного анализа.
Таблица 9.3. Операции при проведении монтажа, проблемы и способы их
решения
Операции при про- ведении монтажа Проблемы Способы решения
Освобождение, травле- ние и сушка Склеивание устройств Применение холодной сушки, применение сушки в потоке СО2, шлифовка контакт- ных поверхностей углублений и выступов
Разделение на кристал- лы и разрезка Риск загрязнения, уда- ление образующихся частиц Освобождение пластин после разделения, раз- резка подложек, приме- нение лазера, гермети- зация на уровне под- ложки
Обработка кристалла . Поломка устройства, очень нежная верхняя сторона кристалла Применение фиксиру- ющих приспособлений, удерживающих пласти- ну микросистемы по боковым сторонам, а не сверху
высокочастотных микросистем
Продолжение таб. 9.3.
Воздействия, вызываю- щие напряженное со- стояние Ухудшение рабочих ха- рактеристик и смеще- ние резонансной часто- ты , ъ Использование матери- алов с низким моду- лем упругости, приме- нение отжига, исполь- зование материалов с совместимыми коэффи- циентами температур- ного расширения
Удаление газа Залипание, коррозия Применение эпоксид- ных смол с низким газовы делением, ци- анатовых эфиров, припоев с низким модулем упругости, новых материалов для крепления кристалла, удаление выделяющих- ся паров
Тестирование Подключение неэлек- трических входных сигналов Тестируются все воз- можные компоненты системы, определяется соотношение цена — эффективность по специальной тестовой модели.
Источник: Malshe et al, 2001
Литература
Blackwell, G.R. (Ed.), 2000, The Electronic Packaging Handbook, CRC Press, Boca
Raton, FL.
Butler, J.T., Bright, V.M., Comtios, J.H., 1997, «Advanced multichip module pack-
aging of micro-electromechanical systems», in Transducers ’97, IEEE, Washington,
DC: 261-264.
Butler, J.T., Bright, V.M., Chu, P.B., Saia, R.J., 1998, «Adapting multichip module
foundries for MEMS packaging», in Proceedings of IEEE International Conference
on Multichip Modules and High Density Packaging, IEEE, Washington,. DC: 106-
111.
Butler, J.T., Bright, V.M., 2000, «An embedded overlay concept for microsystems
packaging», IEEE Transactions on Advanced Packaging 23(4): 617-622.
Cheng, Y.T., Lin, L., Najafi, K., 2000, «Localized silicon fusion and eutectic bonding
for MEMS fabrication and packaging», Journal of Microelectromechanical Systems
9(1): 3-8.
Cheng, Y.-Y., Lin, L., Najafi, K., 2001, «А hermetic glass-silicon package formed
using localized aluminum/silicon-glass bonding», Journal of Microelectroinechanical
Systems 10(3): 392-399.
Литература 521
Cohn, M.B., Bohringer, K.F., Noworolski, J.M., Singh, A., Keller, C.G., Goldberg.
K.Y., Howe, R.T., 1998, «Microassembly technologies for MEMS», Proceedings of
SPIE Conference on Microfluidic Devices and Systems 3515 (September): 2-16.
Coogan, S.A., 1990, «System engineering: a summary of electronics packaging tech-
niques available for present and future systems», in Proceedings of Third Annual
IEEE ASIC Seminar and Exhibit, IEEE, Washington, DC: P4-3.1-3.4.
Dryton, R.F., 1995, The Development and Characterization of Self-packages using
Micromachining Techniques for High Frequency Circuit Applications. Ph.D. dis-
sertation, University of Michigan, Ann Arbor, MI.
Elwenspoek, M., Wiegerink. R., 2001. Mechanical Microsensors, Springer, Berlin.
French, P.J., 1999, «Integration of MEMS devices», Proceedings of SPIE Device and
Process Technologies for MEMS and Microelectronics; Queensland Australia, SPIE
3892: 39-48.
Gilleo, K., 2001a, «Overview of new packages, materials and Processes», IEEE Inter-
national Symposium on Advanced Packaging Materials, IEEE. Washington, DC:
1-5.
Gilleo, K., 2001b, «MEMS packaging issues and materials», in Proceedings of IEEE In-
ternational Symposium on Advanced Packaging: Process, Properties and Interfaces,
IEEE, Washington, DC: 1-5.
Gotz, A., Garcia, I., Cane, C., Morrissey, A., Aldreman. J., 2001, «Manufacturing
and packaging of sensors for their integration in a vertical MCM microsystem for
biomedical applications», Journal of Microelectromechanical Systems 10(4): 569-
579.
Helsel, M.P., Berger, J.D., Wine, D.W., Osborn, T.D., 2001, «Wafer scale packaging
for a MEMS video scanner», in Proceedings of SPIE Symposium on MEMS Design,
Fabrication, Characterization and Packaging 4407: 214-220.
Hindreson, R.M., Herrick, K.J., Weller, T.M., Robertson, S.V., Kihm, R.T., Katehi,
L.P.B., 2000, Three-dimensional high frequency distribution network, part II: pack-
aging and integration, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques
48(10): 1643-1651.
Hsu, T.-R., 2000, «Packaging design of microsystems and meso-scale devices», IEEE
Transactions on Advanced Packaging 23(4): 596-601.
Kim, S.J., Kwon, Y.S., Lee. H.Y., 2000, «Silicon MEMS packages for coplanar MMICs»,
in Proceedings of 2000 Asia-Pacific Microwave Conference, Australia, December
2000, IEEE, Washington, DC: 17-20.
Kusamitsu, H., Morishita, Y., Marushashi, K., Ito, M., Ohata, K., 1999, «The flip-
chip bump interconnection for millimeter wave GaAs ММ1С», IEEE Transactions
on Electronics Packaging and Manufacturing 22(1): 23-28.
Laskey, J., 1986, «Wafer bonding for silicon-on-insulator technologies», Applied Physics
Letters 48(l):78-80.
Li, Z., Hao, Y., Zhang. D., Li. T., Wu. G., 2002, «An SOI-MEMS technology using
substrate layer and bonded glass as wafer level package», Sensors and Actuators A
96: 34-42.
Lin, L., 1993, Selective Encapsulations of MEMS: Micro Channels, Needles, Res-
onators and Electromechanical Filters, Ph.D. dissertation, University of California
at Berkeley, Berkeley, C A.
Lin, L., 2000, «MEMS post-packaging by localized heating and bonding», IEEE Trans-
actions on Advanced Packaging 23(4): 608-616.
Malshe, A.P., O’Neal, C., Singh. S., Brown, W.D., 2001, «Packaging and integration
of MEMS and related microsystems for system-on-a-package (SOP)», Proceedings
of SPIE Symposium on Smart Structures and Devices 4235: 198-208.
высокочастотных микросистем
Maluf, N., 2000, An Introduction to Micromechanical System Engineering, Artech
House, Boston, MA.
Mirza, A.R., Ayon. A.A., 1998, «Silicon wafer bonding», Sensors December: 24 33.
Mirza. A.R., 2000, «One micron precision wafer-level aligned bonding for intercon-
nect, MEMS and packaging applications», in Proceedings of IEEE 2000 Electronic
Components and Technology Conference: 676-680.
Mirza, A.R., 2000, «Wafer level packaging technology fort MEMS», in Proceedings of
IEEE 2000 Inter Society Conference on Thermal Phenomena, IEEE. Washington,
DC: 113-119.
Nakayama, W., 2000, Thermal issues in microsystems packaging», IEEE Transactions
on Advanced Packaging 23(4): 602-607.
O«Neal, C.B., Malshe, A.P., Singh. S.B., Brown. W.D., 1999, «Challenges in packag-
ing of MEMS», IEEE International Symposium on Advanced Packaging Materials,
IEEE, Washington, DC: 41-47.
Oppermann, H.H., Kallmayer, C., Klein, C., Aschenbrenner, R., Reichl, H., 2000, «Ad-
vanced flip chip technologies in RF, microwave and MEMS applications», Proceed-
ings of SPIE Design, Test, Integration and Packaging of MEMS/MOEMS 4019:
308-314.
Ramesham, R., Ghaffarian, R., 2000, «Challenges in interconnection and packaging
of microelec-tromechanical systems (MEMS)», in Proceedings of 2000 Electronic
components and Technology-Conference, IEEE, Washington, DC: 666-675.
Reichal, H., Grosser, V., 2001, «Overview and development trends in the held of
MEMS packaging», in Proceedings of the 14th IEEE International Conference on
MEMS, 2001. IEEE, Washington, DC: 1-5.
Sandborn, P., Swaminathan, R., Subramanian, G., 2000, Test and evaluation of chip-
to-chip attachment of MEMS devices», in Proceedings of IEEE 2000 Inter Society
Conference on Thermal Phenomena, IEEE, Washington, DC: 133-140.
Shimbo, M., Furukawa, K., Fukuda, F., Tanzawa, K., 1986. «Silicon-to-silicon direct
bonding method», Journal of Applied Physics Letters 60: 2987-2989.
Shivkumar, B., Kim, C.J., 1997, «Microrivets for MEMS packaging: concept, fab-
rication and strength testing», Journal of Microelectromechanical Systems 6(3):
217-225.
Sparks, D.R., Chang, S.C., Eddy, D.S., 1998, «Application of MEMS technology in au-
tomotive sensors and actuators», in Proceedings of IEEE International Symposium
on Micromechatronics and Human Science., IEEE, Washington, DC: 9-15.
Sparks, D.R., 2001, «Packaging of microsystems for harsh environments», IEEE In-
strumentation and Measurement Magazine: 30-33.
Литература
Takahashi, К., Sangawa, U., Fujita, S., Goho, K., Urabe, T., Ogura. H., Yabuki. H.,
2000, «Packaging using MEMS technologies and planar components», in Proceed-
ings of 2000 Asia Pacific-Microwave Conference, Australia, December 2000, IEEE,
Washington, DC: 904-907.
Takahashi, K., Sangawa, U., Fujita, S., Matsuo, M., Urabe. T., Ogura, H., Yabuki.
H., 2001. «Packaging using Microelectromechanical technologies and planar com-
ponents», IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 49(11): 2099-
. 2104.
Предметный указатель
SU-8, 127 :
Барьерный слой, 31, 133
BST, 106
Взаимная индукция, 256
Волны
SH-ПАВ, 74
Лэмба, 75
ПАВ, 73,375
Рзлея, 74, 375
Встречно-штыревые (гребенчатые)
преобразователи (ВШП), 71, 75,
373, 376
Глубина проникновения (скин-слой),
244, 429
Законы
Кирхгофа, 165
Планка, 119
Фарадея, 264, 265
Коэффициент электромеханичес-
кой связи, 50, 55, 58, 375
Магнитострикция, 54
Материалы микросистем
Защитные, 34, 43, 143, 145
Структурные, 34, 40, 79, 143, 145
Травильные реагенты, 31, 32, 34,
144, 145
Металлизация, 89
Методы
, Золь-гелевый, 108
Интеграции КМОП схем и мик-
росистем, 514
Напыления при помощи магне-
трона, 107
Перевернутых кристаллов, 505
Самоупаковки, 504
Термоокисления, 102
Химического осаждения, 103
Чохральского, 97
Эпитаксии, 100 4 .
Методы соединений -
Анодное соединение (термическая
сварка), 36, 141
Заклепочное соединение, 510
При помощи вспомогательного
слоя, 36
Прямое соединение, 37
Сплавление, 138, 512
Микроиндукторы
Из меандров, 269
Соленоидные, 274
Спиральные, 271
Микроконденсаторы
Пьезоэлектрические, 314
Электростатические, 305
Электротермические, 310
Микролинии передач
Вносимые потери, 238
Коэффициент ослабления, 246
Коэффициент отражения, 238
Коэффициент передачи, 238
Коэффициент распространения,
241
Потери на отражение, 238
СВЧ параметры, 239
Фазовая скорость, 241
Микромодульные системы, 507
Микропереключатели
На два направления, 182
На одно направление, 181
Нормально закрытые, 177
Нормально .открытые, 177
Параллельные, 182
Повышенной надежности, 178
Последовательные, 182
Микростериолитография
Двухфотонная, 149 „
Для керамики, 157
Проекционная, 147, 151
Сканирующая, 147, 148
Микрофазовращатели
Предметный указатель
Ha PIN-диодах, 395
На полевых транзисторах, 396
Микрофильтры
Дисковый резонатор, 346
Стержневой резонатор
с продольной волной, 342
с волной изгиба, 345
с волной кручения, 344
Характеристики,337
Поликонденсация, 116
Типа АА-ВВ, 117
Типа А-В, 117
" ' Полимеризация
' Анионная, 116
Ионная, 115
- Катионная, 115
Радикальная, 113
Полимеры
«Живые», 116
Линейные, 110
С разветвленными цепями, 111
Сетчатые, 111
Термоотверждающиеся, 112
Термопластичные, 111
Функциональность, 111
Функциональные группы, 111
Полупроводники
п-типа, 96
р-типа, 96
Беспримесные, 95
Кремний, 92, 93
Легированные, 95
Одноэлементные, 93
Сложные, 93
Пьезоэффект, 48, 70
PIN-диоды, 179
Технологии
LIGA, 38
SCREAM, 31, 137
AMANDA, 44
Защитного слоя, 142
Изготовления схем на гибких
платах (COF), 501
Микростереолитографии
(МСЛ), 147, 407
Несвязанных форм, 43
Объемной формовки, 159
Совместного спекания много-
слойной керамики, 500
Травление
Вертикальное, 35
Жидкостное, 31, 132, 503
Методом окисления, 138
Плазменное, 32, 35, 145
Реактивно-ионное, 32, 35
С барьерным слоем, 133
Селективное, 133, 134
Сухое, 32, 137
Электрохимическое, 134
Фотополимеризация, 118
Катионная, 121
Кинетика, 124
Радикальная, 121
Электромеханические аналогии, 47
Электрострикция, 51