CC BY
296
УДК 621.318.51
ПРИМЕНЕНИЕ МЭМС ТЕХНОЛОГИЙ В ПРАКТИКЕ РАЗРАБОТКИ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ РЕЛЕ
А.В.Орлов, А.Е.Кукушкин, И.А.Афиногенов APPLICATION OF MEMS TECHNOLOGY FOR DESIGNING ELECTROSTATIC RELAYS
А-У^НОУ, А.Е.Kukushkin, LА.Aflnogenov
ОАО «СКТБ по релейной технике», Великий Новгород, [email protected]
Представлены работы в области микроэлектромеханических систем. Показаны принципы разработки и проектирования слаботочных и высокочастотных микрореле и микропереключателей.
Ключевые слова: электростатические реле; МЭМС; ВЧ реле; моделирование; гистерезис напряжения управления
This paper presents the working results on microelectromechanical systems. The authors show the principles of designing low-current, high-frequency, optical microrelays and microswitches.
Keywords: electrostatic relays; MEMS; high-frequency relay; modelling; control voltage hysteresis
Введение
Общая тенденция как отечественной, так и зарубежной техники в последние годы — повышение надежности, сокращение габаритов, объема, массы электрорадиоизделий, сокращение мощности управления при сохранении функциональных возможностей. Электромагнитные и герконовые реле, переключатели исчерпали свои возможности в части увеличения частоты сигнала, миниатюризации и снижения мощности управления. Они обладают значительными габаритами контактных систем, катушек управления, реле в целом, большим количеством деталей, требующих механической обработки с высокой трудоемкостью, необходимостью регулировки.
Эти задачи при реализации серии микрореле и микропереключателей можно решить, применяя принципиально новые МЭМС (микроэлектромеханические системы) технологии [1], соответствующие мировому уровню, которые будут обладать: — высокой надежностью;
— способностью к интегрированию с другими электронными компонентами;
— более широким диапазоном рабочих частот — до 9 ГГц;
— незначительным потреблением энергии (в 23 раза ниже в сравнении с существующими электромагнитными реле);
— массой и габаритами, уменьшенными в 3-4 раза по сравнению с электромагнитными реле;
— высокой технологичностью производства за счет совместимости его с существующими технологическими процессами изготовления цифровых и СВЧ интегральных схем.
1. Виды микроэлектромеханических переключателей с электростатическим принципом управления
Разрабатываемые электростатические микрореле можно разделить на несколько групп по различным признакам:
1) по виду коммутируемого сигнала:
— слаботочные микрореле;
— высокочастотные микрореле;
— оптические микрореле;
2) по виду исполнительного механизма:
— мембранные;
— консольные;
— встречно-штыревые;
3) по принципу коммутации:
— с резистивным соединением (металл — металл);
— с емкостным соединением (металл — диэлектрик — металл);
— с отражением сигнала.
Для формирования структур микрореле, где перемещения исполнительного механизма редко превышают величину 5 мкм, наиболее подходящими видами являются мембранные и консольные актюа-торы с электростатическим принципом управления. Данные структуры просты и могут быть выполнены в сверхминиатюрном исполнении.
Классический ключ (рис.1) с резистивным соединением служит для получения омического контакта. Такие ключи могут коммутировать как постоянные токи, так и работать в СВЧ диапазоне до 18 ГГц и более. Ресурс таких ключей ограничен деградацией контактных площадок.
Рис.1. Схема микрореле с резистивным соединением консольного типа
В ключе же с емкостным соединением (рис.2) используется отношение емкостей во включенном и выключенном состоянии. Применение емкостных ключей исключает низкочастотный диапазон. Неоспоримым преимуществом такого рода микрореле является отсутствие омического контакта. Исключая электрическую деградацию контактной системы, можно на 2-3 порядка увеличить ресурс контактной системы. Ограничением в таком случае будет только усталостное разрушение мембранного исполнительного механизма.
Рис.2. Схема микрореле с емкостным соединением мембранного типа
2. Моделирование МЭМС компонентов
2.1. Моделирование и анализ электромеханических характеристик МЭМС структуры
Стремление рассмотреть все более близкие к действительности форму и условия работы конструкции, а также учесть реальные особенности деформирования материала потребовало совершенствования численных методов [2]. Метод конечных элементов (МКЭ), лежащий в основе программного комплекса ANSYS, ориентирован на решение такого рода задач [3].
Определение на начальном этапе мест наибольшей дислокации остаточных напряжений позволило своевременно доработать конструкцию и уменьшить их количественное значение.
При разработке МЭМС колебательных систем неизбежно возникает вопрос о расчете резонансной частоты исполнительного механизма. Определение резонансной частоты обусловлено необходимостью обеспечения стабильной работоспособности под воздействием внешних воздействующих факторов, что исключает появление резонансных частот в заданном частотном диапазоне.
При анализе частотных характеристик микромеханических переключающих элементов основной интерес представляет зависимость первой моды колебаний, при которой максимальное отклонение имеет место на рабочем конце колеблющегося элемента — актюатора.
Моделирование позволяет исследовать геометрию, отличную от стандартных примитивов (балок, стержней), благодаря чему сокращается время за счет исключения длительного расчета нестандартных форм подвесов. При этом благодаря моделированию удается получить данные по форме колебания не только первой резонансной частоты, но и последующих. Это обеспечено тем, что для некоторых форм исполнительных механизмов необходимо знать особенности влияния резонанса на присутствие таких эффектов как кручение, а не простой изгиб.
2.2. Моделирование и анализ высокочастотных
характеристик микрореле
На базе программного комплекса CST STUDIO в ходе разработки проводится моделирование СВЧ структур и расчет характеристик до непосредственных измерений. В основе метода расчета, так же как и для моделирования механических свойств, лежит метод конечных элементов, что позволяет вести расчет сложных 3D структур.
На данный момент результаты моделирования и анализа высокочастотных характеристик 3D структур обеспечивают 80%-ю сходимость с экспериментальными данными, что позволяет широко внедрять использование данного подхода при разработке высокочастотных компонентов.
3. Гистерезис напряжения управления
(зона стабилизации)
В данной работе рассматриваются микрореле на основе электростатического преобразователя. Приближенную модель взаимодействия управляющих обкладок принято рассматривать как плоскост-ный конденсатор, в котором силы притяжения равномерно распределены по эффективной площади конденсатора (преобразователя).
В таком случае силу Fстат, действующую на
подвижную консоль (мембрану), можно рассчитать по формуле (1).
(в0 • А-V2)
F =
стат
^
(1)
где g — зазор между обкладками конденсатора.
Условие «падения» консоли (мембраны) под действием напряжения управления:
^0
^пр ^ Fстат, пРи Х =
(2)
где g0 — первоначальный зазор, x — смещение.
Условие «падения» устанавливается на границе 2/3 от начального зазора, при котором система становится нестабильной, и мембрана резко падает на нижнюю пластину (установлено из графика зависимости высоты зазора от приложенного напряжения [4]).
Для разработанной нами типичной конструкции микрореле сила электростатики в начальный момент времени (при g0) меньше, чем сила электростатики в конце переключения (при g = 0) приблизительно в 44,5 раза.
Примером такого гистерезиса служит напряжение управления слаботочного микрореле с напряжением срабатывания 100 В и напряжением отпускания на уровне 40-50 В (рис.3).
Рис.3. Зависимость изменения размеров зазора от приложенного напряжения
В случае если требуется снижение гистерезиса по напряжению управления, разрабатывается конструкция микрореле, в которой диапазон перемещений механической структуры находится в зоне стабильности (рис.4). При начальном зазоре в 2 мкм максимально возможное перемещение консоли (мембраны) находится в пределах 0,5-0,7 мкм.
Снижению величины размеров зазора в слаботочных микрореле в разомкнутом режиме препятствует величина коммутируемого напряжения, так как при достаточно малых зазорах и достаточно больших значениях напряжения возможен пробой межконтактного пространства. Та же ситуация по коэффициенту ослабления бегущей волны в ВЧ микрореле. При сверхмалых размерах зазора ухудшается изоляция по ВЧ сигналу.
Немаловажным критерием выбора величины начального зазора в контактной системе является и ударостойкость.
В работе были просчитаны прогибы консольной и мембраной механической системы микрореле под воздействием ударов в 150 g длительностью 3 мс.
Максимальные прогибы: консоль — 3,9 мкм, мембрана — 0,37 мкм.
Из величин прогибов видно, что консольная структура будет иметь несанкционированные срабатывания при ударных воздействиях, максимальное перемещение в 3,9 мкм на данной конструкции (начальный зазор 2 мкм) не позволит избежать замыканий без изменения величины начального зазора или топологических размеров. Обратная ситуация на механической структуре, основанной на двуопорной мембране. Устойчивость к ударным воздействиям и величина прогиба позволяет говорить не только об отсутствии несанкционированных срабатываний, но и о возможности увеличения высоты нижних контактов, т. е. о формировании механической структуры, работающей в зоне стабильности с узкой петлей гистерезиса по напряжению управления.
Толщина консоли (мембраны) выбирается с учетом требований к конструкции микрореле. Для
й б мкм зазор
1.3 шш зазор
Рис.4. Схемное изображение деформации консоли микрореле: а) микрореле с межконтактным зазором 0,6 мкм (разомкнуто); б) микрореле межконтактным зазором 0,6 мкм (замкнуто); в) микрореле с межконтактным зазором 1,3 мкм (разомкнуто); г) микрореле с большим межконтактным зазором 1,3 мкм (замкнуто)
механических структур, работающих в зоне стабильности, мембрана должна быть достаточно жесткой, чтобы деформации происходили на упругих подвесах, тем самым будет выдержан заданный зазор в замкнутом режиме микрореле. В разработанной нами конструкции мембрана состоит из двух слоев золота: 1) термовакуумное 0,5 мкм; 2) гальваническое 1,5 мкм. При длине 380 мкм и ширине 200 мкм мембрана подвешена на двух кантилеверах шириной по 40 мкм и длинной 90 мкм. Основные деформации в таком случае сконцентрированны на участках кантилеве-ров, расположенных ближе к опоре консоли (рис.5 и 6).
WY
NODAL SOLUTION
5 33.7 4 9 3 950 61 7S958S .118Е+07 .158Е+07
197797 592324 98Ё851 .138Е+07 .178Е+07
Konkin
Рис.6. Места дислокации остаточных напряжений
В работе не затрагиваются технологические моменты, при которых мембрана после вытравливания жертвенного слоя изначально имеет большие величины внутренних напряженностей, связанных со способами и режимами формирования механической структуры, которые вызывают деформацию консоли (мембраны). Такие дефекты приводят к отклонениям в значениях напряжения управления микрореле, часто в несколько раз превышающим расчетные данные.
4. Слаботочные микроэлектромеханические реле с электростатическим принципом управления
На рис.7 показана фотография разработанного слаботочного МЭМС реле с электростатическим принципом управления. Такая конструкция реле предназначена для коммутации токов до 50 мА и напряжения до 60 В. Напряжение управления составляет порядка 100 В.
Рис.7. Фотография слаботочного микроэлектромеханического реле
Реле изготовлено по поверхностной технологии с применением жертвенного слоя. Подвижная структура сформирована на кремниевой подложке толщиной 450 мкм. Подложка покрыта термическим SiO2 толщиной 0,3 мкм. Консоль состоит из высокотемпературного PoSi и А1. В качестве жертвенного слоя применялась тонкая пленка SiO2. Консоль после удаления оксида кремния прогибалась, и начальный зазор в контактной системе составлял от 10 до 15 мкм. Размеры кристалла 1,5x2,2x0,5 мм.
5. Высокочастотные микроэлектромеханические реле с электростатическим принципом управления
Логическим продолжением работ в области разработки слаботочного реле по МЭМС технологии стали работы по созданию серии СВЧ микрореле. Широкополосные реле с частотным диапазоном 0-6 ГГц стали отправной точкой в развитии номенклатуры СВЧ микрореле на основе МЭМС технологий в частотном диапазоне до 18 ГГц.
Для изготовления ВЧ МЭМС реле выбрана поверхностная технология, которая позволяет на базе классических технологий микроэлектроники создавать микромеханические структуры (рис.8).
Рис.8. Схема ВЧ МЭМС реле
S-Parameter Magnitude in dB
a)
S-Parameter Magnitude in dB
б)
Рис.9. S-паpаметpы: а) ВЧ реле; б) модернизированное ВЧ реле
Как видно из графиков, изменения конструкции, позволяют снизить потери в диапазоне от 1 до 5 ГГц и расширить рабочий частотный диапазон.
Перспективным частотным диапазоном для высокочастотных реле является 0-18 ГГц.
При уменьшении топологических размеров микрореле сокращается время срабатывания с 50 мкс до 5 мкс с одновременным увеличением ресурса контактной системы микрореле (109—1010 циклов коммутации). Логичным будет снижение мощности коммутируемого сигнала с 1 Вт до уровня 500 мВт при дальнейшей миниатюризации, однако эти меры позволят применять микрореле при построении систем управления АФАР.
6. Выводы
Рассмотрены основные аспекты применения МЭМС технологий в практике разработке электростатических реле. Показаны принципы разработки и проектирования микропереключателей. Представленные методы моделирования и анализа электромеханических и высокочастотных характеристик позволяют облегчить и ускорить процесс проектирования МЭМС устройств.
1. Варадан В., Виной К., Джозе К. ВЧ МЭМС и их применение. М.: Техносфера, 2004. 528 с.
2. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы / Пер. с англ. М.: Мир, 1984. 428 с.
3. Басов К.А. ANSYS. Справочник пользователя. М.: ДМК Пресс, 2005. 640 с.
4. Гридчин В.А., Драгунов В.П. Физика микросистем: Учеб. пособие. В 2 ч. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. Ч.1. 416 с.
Bibliography (Transliterated)
1. Varadan V., Vinoi K., Dzhoze K. VCh MEMS i ikh prime-nenie. M.: Tekhnosfera, 2004. 528 s.
2. Gallager R. Metod konechnykh elementov. Osnovy / Per. s angl. M.: Mir, 1984. 428 s.
3. Basov K.A. ANSYS. Spravochnik pol'zovatelia. M.: DMK Press, 2005. 640 s.
4. Gridchin V.A., Dragunov V.P. Fizika mikrosistem: Ucheb. posobie. V 2 ch. Novosibirsk: Izd-vo NGTU, 2004. Ch.1. 416 s.
