1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Микроэлектроника
  4. T. 52, № 6, 2023

Микроэлектроника, 2023, T. 52, № 6, стр. 469-480

Расчет рабочих характеристик МЭМС‑переключателя c “плавающим” электродом

М. О. Морозов 1, 2, *, И. В. Уваров 1, **

1 Ярославский филиал Физико-технологического института имени К.А. Валиева РАН
150007 Ярославль, ул. Университетская, 21, Россия

2 Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова
150003 Ярославль, ул. Советская, 14, Россия

* E-mail: matvey19991@mail.ru
** E-mail: i.v.uvarov@bk.ru

Поступила в редакцию 28.07.2023
После доработки 10.09.2023
Принята к публикации 10.09.2023

Аннотация

Переключатели, изготовленные по технологии микроэлектромеханических систем (МЭМС), рассматриваются в качестве перспективной элементной базы радиоэлектроники. Основной характеристикой МЭМС-переключателя является отношение емкостей в замкнутом и разомкнутом состоянии. В изделиях стандартной конфигурации оно составляет несколько единиц, но может быть существенно увеличено за счет оригинальных конструкторских решений. Работа посвящена переключателю, представляющему собой комбинацию устройств емкостного и резистивного типа. Рассматриваются его рабочие характеристики в зависимости от свойств подложки и контактного сопротивления. Ключ обеспечивает отношение емкостей 27.7 и 46.1 при использовании подложек из сапфира и боросиликатного стекла, в то время как высокоомный кремний не позволяет достичь значений выше 7.4 вследствие большой паразитной емкости. Изоляция и вносимые потери составляют 14.7–19.4 и 0.8–1.1 дБ в диапазоне частот 4–10 ГГц на сапфировой подложке. Приемлемые S-параметры достигаются при сопротивлении контакта балки с электродом не более 1 Ом.

Ключевые слова: МЭМС-переключатель, плавающий потенциал, отношение емкостей, паразитная емкость, изоляция, вносимые потери, контактное сопротивление

Список литературы

  1. Rebeiz G.M. RF MEMS: Theory, Design, and Technology. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., 2003. 512 p.

  2. Rebeiz G.M., Patel C.D., Han S.K., Ko C.-H., Ho K.M.J. The search for a reliable MEMS switch // IEEE Microw. Mag. 2013. V. 14. P. 57–67.

  3. Iannacci J. RF-MEMS for high-performance and widely reconfigurable passive components – A review with focus on future telecommunications, Internet of Things (IoT) and 5G applications // J. King Saud Univ. Science. 2017. V. 29. P. 436–443.

  4. Shekhar S., Vinoy K.J., Ananthasuresh G.K. Low-voltage high-reliability MEMS switch for millimeter wave 5G applications // J. Micromech. Microeng. 2018. V. 28. 075012.

  5. Ma L.-Y., Soin N., Daut M.H.M., Hatta S.F.W.M. Comprehensive study on RF-MEMS switches used for 5G scenario // IEEE Access. 2019. V. 7. 107506.

  6. Xu Y., Tian Y., Zhang B., Duan J., Yan L. A novel RF MEMS switch on frequency reconfigurable antenna application // Microsyst. Technol. 2018. V. 24. P. 3833–3841.

  7. Haupt R.L., Lanagan M. Reconfigurable antennas // IEEE Antennas Propag. Mag. 2013. V. 55. P. 49–61.

  8. Haider N., Caratelli D., Yarovoy A.G. Recent developments in reconfigurable and multiband antenna technology // Int. J. Antennas Propag. 2013. V. 2013. 869170.

  9. Tian W., Li P., Yuan L. Research and analysis of MEMS switches in different frequency bands // Micromachines. 2018. V. 9. 185.

  10. Grichener A., Rebeiz G.M. High-reliability RF-MEMS switched capacitors with digital and analog tuning characteristics // IEEE Trans. Microw. Theory Techn. 2010. V. 58. P. 2692–2701.

  11. Zareie H., Rebeiz G.M. High-power RF MEMS switched capacitors using a thick metal process // IEEE Trans. Microw. Theory Techn. 2013. V. 61. P. 455–463.

  12. Yang H.-H., Zareie H., Rebeiz G.M. A high power stress-gradient resilient RF MEMS capacitive switch // J. Microelectromech. Syst. 2015. V. 24. P. 599–607.

  13. Persano A., Quaranta F., Martucci M.C., Cretì P., Siciliano P., Cola A. Transport and charging mechanisms in Ta2O5 thin films for capacitive RF MEMS switches application // J. Appl. Phys. 2010. V. 107. 114502.

  14. Persano A., Quaranta F., Cola A., De Angelis G., Marcelli R., Siciliano P. Development of capacitive RF MEMS switches with TaN and Ta2O5 thin films // Proc. SPIE. 2011. V. 8066. 80660V-1.

  15. He X.J., Lv Z.Q., Liu B., Li Z.H. High-isolation lateral RF MEMS capacitive switch based on HfO2 dielectric for high frequency applications // Sens. Actuators A. 2012. V. 188. P. 342–348.

  16. Tsaur J., Onodera K., Kobayashi T., Wang Z.-J., Heisig S., Maeda R., Suga T. Broadband MEMS shunt switches using PZT/HfO2 multi-layered high k dielectrics for high switching isolation // Sens. Actuators A. 2005. V. 121. P. 275–281.

  17. Chen Z., Tian W., Zhang X., Wang Y. Effect of deposition parameters on surface roughness and consequent electromagnetic performance of capacitive RF MEMS switches: a review // J. Micromech. Microeng. 2017. V. 27. 113003.

  18. Fouladi S., Mansour R.R. Capacitive RF MEMS switches fabricated in standard 0.35-µm CMOS technology // IEEE Trans. Microw. Theory Techn. 2010. V. 58. P. 478–486.

  19. Maninder K., Bansal D., Soni S., Singh S., Rangra K.J. On characterization of symmetric type capacitive RF MEMS switches // Microsyst. Technol. 2019. V. 25. P. 729–734.

  20. Park J.Y., Kim G.H., Chung K.W., Bu J.U. Monolithically integrated micromachined RF MEMS capacitive switches // Sens. Actuators A. 2001. V. 89. P. 88–94.

  21. Bansal D., Kumar A., Sharma A., Kumar P., Rangra K.J. Design of novel compact anti-stiction and low insertion loss RF MEMS switch // Microsyst. Technol. 2014. V. 20. P. 337–340.

  22. Wei H., Deng Z., Guo X., Wang Y., Yang H. High on/off capacitance ratio RF MEMS capacitive switches // J. Micromech. Microeng. 2017. V. 27. 055002.

  23. Han K., Guo X., Smith S., Deng Z., Li W. Novel high-capacitance-ratio MEMS switch: design, analysis and performance verification // Micromachines. 2018. V. 9. 390.

  24. Swarnkar A., DasGupta A., Nair D.R. Design, fabrication and characterization of RF MEMS shunt switch for wideband operation of 3 to 30 GHz // J. Micromech. Microeng. 2019. V. 29. 115009.

  25. Uvarov I.V., Marukhin N.V., Shlepakov P.S., Lukichev V.F. Calculation of performance of MEMS-switch with increased capacitance ratio // Russ. Microelectron. 2020. V. 49. P. 253–262.

  26. Deng K., Yang F., Wang Y., Lai C., Han K. Design and fabrication of a Ka band RF MEMS switch with high capacitance ratio and low actuation voltage // Micromachines. 2022. V. 13. 37.

  27. Uvarov I.V., Kupriyanov A.N. Stiction-protected MEMS switch with low actuation voltage // Microsyst. Technol. 2019. V. 25. P. 3243–3251.

  28. Lide D.R. CRC handbook of chemistry and physics, 90th edn. Boca Raton: CRC Press/Taylor and Francis, 2009. 2760 p.

  29. Kim S.-B., Yoon Y.-H., Lee Y.-B., Choi K.-W., Jo M.-S., Min H.-W., Yoon J.-B. 4 W power MEMS relay with extremely low contact resistance: theoretical analysis, design and demonstration // J. Microelectromech. Syst. 2020. V. 29. P. 1304–1313.

  30. Kim S.-B., Min H.-W., Lee Y.-B., Kim S.-H., Choi P.-K., Yoon J.-B. Utilizing mechanical adhesion force as a high contact force in a MEMS relay // Sens. Actuators A. 2021. V. 331. 112894.

  31. Seki T., Uno Y., Narise K., Masuda T., Inoue K., Sato S., Sato F., Imanaka K., Sugiyama S. Development of a large-force low-loss metal-contact RF MEMS switch // Sens. Actuators A. 2006. V. 132. P. 683–688.

  32. Zareie H., Rebeiz G.M. Compact high-power SPST and SP4T RF MEMS metal-contact switches // IEEE Trans. Microw. Theory Techn. 2014. V. 62. P. 297–305.

  33. Yang H.-H., Yahiaoui A., Zareie H., Blondy P., Rebeiz G.M. Symmetric and compact single-pole multiple-throw (SP7T, SP11T) RF MEMS switches // J. Microelectromech. Syst. 2014. V. 24. P. 685–695.

  34. Patel C.D., Rebeiz G.M. A high-reliability high-linearity high-power RF MEMS metal-contact switch for DC–40-GHz applications // IEEE Trans. Microw. Theory Techn. 2012. V. 60. P. 3096–3112.

  35. Patel C.D., Rebeiz G.M. RF MEMS metal-contact switches with mN-contact and restoring forces and low process sensitivity // IEEE Trans. Microw. Theory Techn. 2011. V. 59. P. 1230–1237.

  36. Stefanini R., Chatras M., Blondy P., Rebeiz G.M. Miniature MEMS switches for RF applications // J. Microelectromech. Syst. 2011. V. 20. P. 1324–1335.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Микроэлектроника

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал