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

Микроэлектроника, 2023, T. 52, № 6, стр. 449-458

МЭМС-переключатель на основе кантилевера с увеличенным контактным усилием

И. А. Белозеров 1, *, И. В. Уваров 1, **

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

* E-mail: igas2580@yandex.ru
** E-mail: i.v.uvarov@bk.ru

Поступила в редакцию 09.09.2023
После доработки 22.09.2023
Принята к публикации 22.09.2023

Аннотация

МЭМС-переключатели представляют значительный интерес для перспективных радиоэлектронных систем, но до сих пор не нашли широкого применения вследствие невысокой надежности микроконтактов. Переключатель развивает малое контактное усилие, что приводит к высокому и нестабильному контактному сопротивлению. Усилие обычно увеличивается за счет использования электродов сложной формы и большой площади, однако простая и компактная конфигурация более предпочтительна. В настоящей работе представлен ключ на основе кантилевера длиной 50 мкм. Впервые описана методика подбора вертикальных размеров изделия, увеличивающая силу прижима до значений свыше 100 мкН, необходимых для надежной работы контактов. Изготовлены и испытаны тестовые образцы, выполнено сравнение рабочих характеристик с результатами расчетов.

Ключевые слова: МЭМС-переключатель, кантилевер, контактное усилие, контактное сопротивление, напряжение срабатывания

Список литературы

  1. 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. № 1. P. 57–67. https://doi.org/10.1109/MMM.2012.2226540

  2. 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. № 7. P. 075012. https://doi.org/10.1088/1361-6439/aaba3e

  3. Haider N., Caratelli D., Yarovoy A.G. Recent developments in reconfigurable and multiband antenna technology // Int. J. Antennas Propag. 2013. V. 2013. P. 869170. https://doi.org/10.1155/2013/869170

  4. Daneshmand M., Mansour R.R. RF MEMS satellite switch matrices // IEEE Microw. Mag. 2011. V. 12. № 5. P. 92–109. https://doi.org/10.1109/MMM.2011.941417

  5. Kurmendra, Kumar R. A review on RF micro-electro-mechanical-systems (MEMS) switch for radio frequency applications // Microsyst. Technol. 2021. V. 27. P. 2525–2542. https://doi.org/10.1007/s00542-020-05025-y

  6. Petersen K.E. Dynamic micromechanics on silicon: Techniques and devices // IEEE Transactions on electron devices. 1978. V. 25. № 10. P. 1241–1250. https://doi.org/10.1109/T-ED.1978.19259

  7. Dey S., Koul S.K., Poddar A.K., Rohde U.L. Ku to V-band 4-bit MEMS phase shifter bank using high isolation SP4T switches and DMTL structures // J. Micromech. Microeng. 2017. V. 27. P. 105010. https://doi.org/10.1088/1361-6439/aa8071

  8. Park J.-H., Lee S., Kim J.-M., Kim H.-T., Kwon Y., Kim Y.-K. Reconfigurable millimeter-wave filters using CPW-based periodic structures with novel multiple-contact MEMS switches //J. Microelectromech. Syst. 2005. V. 14. P. 456–463. https://doi.org/10.1109/JMEMS.2005.844849

  9. Li M., Zhang Y., Zhao Y., Xue P., Wu Q. Design and fabrication of a 4-bit RF MEMS attenuator with a high attenuation accuracy // Analog Integr. Circ. Sig. Process. 2020. V. 102. P. 617–624. https://doi.org/10.1007/s10470-020-01608-x

  10. Heredia J., Ribó M., Pradell L., Wipf S.T., Göritz A., Wietstruck M., Wipf C., Kaynak M. A 125–143-GHz frequency-reconfigurable BiCMOS compact LNA using a single RF-MEMS switch // IEEE Microw. Compon. Lett. 2019. V. 29. P. 339–341. https://doi.org/10.1109/LMWC.2019.2906595

  11. Saleem M.M., Nawaz H. A systematic review of reliability issues in RF-MEMS switches // Micro Nanosyst. 2019. V. 11. P. 11–33. https://doi.org/10.2174/1876402911666190204113856

  12. Huang Y., Vasan A.S.S., Doraiswami R., Osterman M., Pecht M. MEMS reliability review // IEEE Trans. Device Mater. Rel. 2012. V. 12. P. 482–493. https://doi.org/10.1109/TDMR.2012.2191291

  13. Basu A., Adams G.G., McGruer N.E. A review of micro-contact physics, materials, and failure mechanisms in direct-contact RF MEMS switches // J. Micromech. Microeng. 2016. V. 26. P. 104004. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/10/104004

  14. Ma Q., Tran Q., Chou T.-K.A., Heck J., Bar H., Kant R., Rao V. RF Metal contact reliability of RF MEMS switches // Proc. SPIE. 2007. V. 6463. P. 646305. https://doi.org/10.1117/12.702177

  15. Chen L., Guo Z.J., Joshi N., Eid H., Adams G.G., McGruer N.E. An improved SPM-based contact tester for the study of microcontacts // J. Micromech. Microeng. 2012. V. 22. P. 045017. https://doi.org/10.1088/0960-1317/22/4/045017

  16. Coutu R.A., Tomer D. Micro-contacts testing using a micro-force sensor compatible with biological systems // Int. J. Biosens. Bioelectron. 2017. V. 3. P. 00052. https://doi.org/10.15406/ijbsbe.2017.03.00052

  17. Blondy P., Pothier A., Stefanini R., Gauvin J., Passerieux D., Vendier O., Courtade F. Development of an all-metal large contact force reliable RF-MEMS relay for space applications // In Proceedings of the 42nd European Microwave Conference, Amsterdam, Netherlands, 29 October–1 November. 2012. https://doi.org/10.23919/EuMC.2012.6459332

  18. 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. https://doi.org/10.1109/TMTT.2012.2211888

  19. Sedaghat-Pisheh H., Rebeiz G.M. Variable spring constant, high contact force RF MEMS switch // In Proceedings of the 2010 IEEE MTT-S International Microwave Symposium, Anaheim, CA, USA, 23–28 May 2010. https://doi.org/10.1109/MWSYM.2010.5517083

  20. Stefanini R., Chatras M., Blondy P., Rebeiz G.M. Miniature MEMS switches for RF applications // J. Microelectromech. Syst. 2011. V. 20. P. 1324–1335. https://doi.org/10.1109/JMEMS.2011.2170822

  21. Liu B., Lv Z., He X., Liu M., Hao Y., Li Z. Improving performance of the metal-to-metal contact RF MEMS switch with a Pt-Au microspring contact design // J. Micromech. Microeng. 2011. V. 21. P. 065038. https://doi.org/10.1088/0960-1317/21/6/065038

  22. Belozerov I.A., Uvarov I.V. Performance optimization of the cantilever-based MEMS switch // St. Petersburg State Polytechnical University J. Physics and Mathematics. 2022. V. 15. № 3.2. P. 140–144. https://doi.org/10.18721/JPM.153.226

  23. Rebeiz G.M. RF MEMS: theory, design, and technology. John Wiley & Sons, 2004.

  24. Uvarov I.V., Kupriyanov A.N. Investigation of Characteristics of Electrostatically Actuated MEMS Switch with an Active Contact Breaking Mechanism // Russ. Microelectron. 2018. V. 47. № 5. P. 307–316. https://doi.org/10.1134/S1063739718050086

  25. Uvarov I.V., Kupriyanov A.N. Stiction-protected MEMS switch with low actuation voltage // Microsystem Technologies. 2019. V. 25. № 8. P. 3243–3251. https://doi.org/10.1007/s00542-018-4188-4

  26. Uvarov I.V., Marukhin N.V., Naumov V.V. Contact resistance and lifecycle of a single- and multiple-contact MEMS switch // Microsyst. Technol. 2019. V. 25. P. 4135–4141. https://doi.org/10.1007/s00542-018-4279-2

  27. Do C., Lishchynska M., Delane K., Fitzgerald P., Goggin R., Hill M. Model-based analysis of switch degradation effects during lifetime testing // 2012 IEEE 25th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS). 2012. P. 460–463. https://doi.org/10.1109/MEMSYS.2012.6170169

  28. Бабичев А.П. Физические величины: справочник // А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина, А.М. Братковский и др., Под ред. Григорьева И.С., Мейлихова Е.З. // М.: Энергоатомиздат. 1991.

  29. Uvarov I.V., Naumov V.V., Kupriyanov A.N., Izyumov M.O., Amirov I.I. A seesaw-type MEMS switch with Pt and Ru contacts // St. Petersburg State Polytechnical University J. Physics and Mathematics. 2022. V. 15. № 3.3. P. 335–339. https://doi.org/10.18721/JPM.153.366

  30. Czaplewski D.A., Nordquist C.D., Dyck C.W., Patrizi G.A., Kraus G.M., Cowan W.D. Lifetime limitations of ohmic, contacting RF MEMS switches with Au, Pt and Ir contact materials due to accumulation of ‘friction polymer’ on the contacts // J. Micromech. and Microengin. 2012. V. 22. № 10. P. 105005. https://doi.org/10.1088/0960-1317/22/10/105005

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Микроэлектроника

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал