RU159172U1 - RF MEMS VARACTOR WITH ELECTROSTATIC ACTIVATION - Google Patents

Abstract

1. РЧ МЭМС варактор с электростатической активацией, содержащий подложку, отличающийся тем, что на подложку нанесен нижний слой меди; покрытый диэлектрическим слоем управляющий электрод, на который подается напряжение активации; медный кантилевер, изгибаемый под действием приложенного постоянного напряжения и таким образом меняющий свою емкость; воздушный зазор расположен между кантилевером и диэлектрическим слоем.2. РЧ МЭМС варактор с электростатической активацией по п. 1, отличающийся тем, что размеры подвижных элементов конструкции и конструкционные особенности обуславливают низкое энергопотребление.1. RF MEMS electrostatic activation varactor containing a substrate, characterized in that the lower layer of copper is applied to the substrate; a control electrode coated with a dielectric layer to which an activation voltage is applied; copper cantilever, bent under the action of an applied constant voltage and thus changing its capacity; an air gap is located between the cantilever and the dielectric layer. 2. RF MEMS varactor with electrostatic activation according to claim 1, characterized in that the dimensions of the moving structural members and structural features cause low power consumption.

Description

Настоящая полезная модель относится к области СВЧ электроники. Радиочастотные микроэлектромеханические (РЧ МЭМС) варакторы найдут применение в устройствах, где возникает потребность в настройке импеданса в ходе их работы. Это относится, например, к управляемым напряжением СВЧ генераторам, а также множеству элементов приемопередающих модулей, для которых в современных условиях требуется перестройка частоты - перестраиваемые согласующие схемы, перестраиваемые усилители мощности, перестраиваемые фильтры. В коммерческом сегменте пример актуальности перестройки частоты - мобильная радиосвязь, для которой в последние годы характерно увеличение числа стандартов связи. Сегодня для поддержки всех применяемых в смартфонах стандартов связи приходится использовать широкополосную антенну и десятки узкополосных фильтров и усилителей (отдельный для каждой частоты).This utility model relates to the field of microwave electronics. Radio-frequency microelectromechanical (RF MEMS) varactors will find application in devices where there is a need to adjust the impedance during their operation. This applies, for example, to voltage-controlled microwave generators, as well as many elements of transceiver modules, which in modern conditions require frequency tuning - tunable matching circuits, tunable power amplifiers, tunable filters. In the commercial segment, an example of the relevance of frequency tuning is mobile radio communication, which in recent years has been characterized by an increase in the number of communication standards. Today, to support all the communication standards used in smartphones, you have to use a broadband antenna and dozens of narrow-band filters and amplifiers (separate for each frequency).

Из существующего уровня техники известен электростатический МЭМС ключ, который содержит кремниевый кристалл со сформированным подвижным электродом в виде консоли с выполненными в ней симметричными щелевидными отверстиями, образующими гибкие поддерживающие балки разной длины, перпендикулярные друг другу, и подложку, на которой размещен по меньшей мере один неподвижный электрод и токовые шины, и которая соединена с кремниевым кристаллом с образованием зазора между подвижным и неподвижным электродами. Подвижный электрод снабжен шунтом, закорачивающим токовые шины при контакте и расположенным со смещением относительно центра в сторону от свободного края подвижного электрода. Технический результат заключается в уменьшении напряжения управления МЭМС ключом и увеличении максимально допустимого тока коммутации. RU 2541439 C1, D8D 7/02, 10.02.2015 г.An electrostatic MEMS key is known from the prior art, which contains a silicon crystal with a movable electrode formed in the form of a cantilever with symmetrical slit-like openings formed in it, forming flexible support beams of different lengths perpendicular to each other, and a substrate on which at least one fixed an electrode and current buses, and which is connected to a silicon crystal to form a gap between the movable and fixed electrodes. The movable electrode is equipped with a shunt shorting the current busbars upon contact and located offset from the center away from the free edge of the movable electrode. The technical result is to reduce the control voltage MEMS key and increase the maximum allowable switching current. RU 2541439 C1, D8D 7/02, 02/10/2015

Недостаток данного технического решения состоит в больших потерях и низкой добротности.The disadvantage of this technical solution is the large losses and low quality factor.

Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в снижении потерь и энергопотребления, повышении добротности, уменьшении влияния нелинейностей в СВЧ устройствах, а также создании нового типа СВЧ элементной базы.The problem to which the claimed utility model is directed is to reduce losses and power consumption, increase the quality factor, reduce the influence of nonlinearities in microwave devices, and also create a new type of microwave element base.

Поставленная задача решается за счет того, что РЧ МЭМС варактор с электростатической активацией включает в себя подложку, покрытый диэлектрическим слоем управляющий электрод, на который подается напряжение активации, кантилевер, расположенный над диэлектрическим слоем. Основным материалом элемента выбрана медь из-за ее высокой проводимости. Эта характеристика является важным требованием для получения высокой добротности и низких потерь.The problem is solved due to the fact that the RF MEMS varactor with electrostatic activation includes a substrate, a control electrode coated with a dielectric layer, to which an activation voltage is applied, a cantilever located above the dielectric layer. The main material of the element is copper because of its high conductivity. This characteristic is an important requirement for obtaining high quality factor and low losses.

Размеры подвижных элементов конструкции и конструкционные особенности обуславливают низкое энергопотребление.The dimensions of the moving structural members and structural features result in low power consumption.

Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи, состоит в повышении добротности, достижении низких потерь и электропотребления за счет правильно подобранных конструкционных материалов переключателя.The technical result, which provides a solution to the problem, consists in improving the quality factor, achieving low losses and power consumption due to correctly selected structural materials of the switch.

Устройство поясняется на фиг. 1, на которой изображен поперечный разрез "А-А" РЧ МЭМС варактора с электростатической активацией в неактивированном состоянии.The device is illustrated in FIG. 1, which shows a cross-section "AA" of a RF MEMS varactor with electrostatic activation in an inactive state.

Устройство поясняется на фиг. 2, на которой изображен РЧ МЭМС варактор с электростатической активацией, вид сверху.The device is illustrated in FIG. 2, which shows an RF MEMS varactor with electrostatic activation, top view.

РЧ МЭМС варактор с электростатической активацией включает в себя подложку 1, на которую нанесен нижний слой меди 2, далее расположен металлический кантилевер 3, изгибаемый под действием приложенного постоянного напряжения и таким образом меняющий свою емкость. На подложке 1 расположен управляющий электрод 4, который покрыт диэлектрическим слоем 5, между кантилевером 3 и диэлектрическим слоемThe RF MEMS varactor with electrostatic activation includes a substrate 1, on which a lower layer of copper 2 is deposited, then a metal cantilever 3 is located, bending under the action of an applied constant voltage and thus changing its capacitance. On the substrate 1, there is a control electrode 4, which is coated with a dielectric layer 5, between the cantilever 3 and the dielectric layer

расположен воздушный зазор 6. Верхний слой меди 7 состоит из кантилевера 3 и копланарных линий. На диэлектрический слой 5 наносят жертвенный слой 8, который в ходе производства вытравливается, и образуется воздушный зазор 6.there is an air gap 6. The upper layer of copper 7 consists of a cantilever 3 and coplanar lines. A sacrificial layer 8 is applied to the dielectric layer 5, which is etched during production and an air gap 6 is formed.

РЧ МЭМС варактор имеет подводящие линии, минимальный размер которых определяется размерами корпуса, и контактные площадки. Для уменьшения нежелательного влияния подводящих линий (паразитной индуктивности) в качестве подложки используется материал с меньшей диэлектрической проницаемостью и подводящая линия с меньшим характеристическим импедансом.RF MEMS varactor has supply lines, the minimum size of which is determined by the dimensions of the housing, and contact pads. To reduce the undesirable effect of supply lines (stray inductance), a material with a lower dielectric constant and a supply line with a lower characteristic impedance are used as a substrate.

Послойная топология РЧ МЭМС варактора состоит из нескольких слоев: нижний слой меди, слой нитрида кремния, слой оксида кремния, верхний слой меди. При этом данная топология не включает несколько дополнительных служебных слоев.The layered topology of the RF MEMS varactor consists of several layers: the lower layer of copper, the layer of silicon nitride, the layer of silicon oxide, the upper layer of copper. Moreover, this topology does not include several additional service layers.

На подложку наносится нижний слой меди. Основным структурным материалом РЧ МЭМС варактора выбрана медь, благодаря ее высокой проводимости. Эта характеристика является важным требованием для получения высокой добротности. Процесс нанесения меди состоит из четырех этапов: напыление адгезионного подслоя, напыление меди, утолщение меди (при необходимости), напыление защитного слоя. Для напыления необходима технология вакуумного напыления металлов, которая также применяется для формирования копланарного волновода и подвижной мембраны. Для утолщения меди, а именно для увеличения толщины линий и формирования мембраны - электрохимическое осаждение. Металлизацию нижнего и верхнего слоев меди возможно выполнить, используя одну и ту же подпоследовательность операций.A lower layer of copper is applied to the substrate. Copper is chosen as the main structural material of the RF MEMS varactor due to its high conductivity. This characteristic is an important requirement for high quality. The copper deposition process consists of four stages: spraying an adhesive sublayer, spraying copper, thickening copper (if necessary), spraying a protective layer. For spraying, the technology of vacuum deposition of metals is required, which is also used to form a coplanar waveguide and a movable membrane. To thicken copper, namely to increase the thickness of the lines and the formation of the membrane - electrochemical deposition. Metallization of the lower and upper layers of copper can be performed using the same subsequence of operations.

Третий слой РЧ МЭМС варактора - слой диэлектрика, основным материалом которого является нитрид кремния, имеющий относительную проницаемость равную 7. Технология изготовления определяет шероховатость и позволяет варьировать толщину нитрида кремния, т.е.шероховатость определяет максимально достижимую емкость варактора при всех остальных зафиксированных параметрах. Поскольку толщина нитрида кремния определяется технологией изготовления и варьируется лишь в ограниченных пределах, то основным способом увеличения максимальной емкости является увеличение площади обкладок варактора. Площадь обкладок варактора в зависимости от толщины и шероховатости диэлектрика должна составлять от 0,007 мм² до 0,032 мм², чтобы он имел максимальную емкость 2 пФ, что соответствует квадратным обкладкам размерами от 84×84 мкм до 180×180 мкм.The third layer of RF MEMS varactor is a dielectric layer, the main material of which is silicon nitride, which has a relative permeability of 7. The manufacturing technology determines the roughness and allows you to vary the thickness of silicon nitride, i.e., the roughness determines the maximum achievable varactor capacity for all other fixed parameters. Since the thickness of silicon nitride is determined by the manufacturing technology and varies only to a limited extent, the main way to increase the maximum capacity is to increase the area of the varactor plates. The area of the varactor plates, depending on the thickness and roughness of the dielectric, should be from 0.007 mm ² to 0.032 mm ² so that it has a maximum capacitance of 2 pF, which corresponds to square plates with sizes from 84 × 84 μm to 180 × 180 μm.

Далее наносится жертвенный слой - оксид кремния. Осаждение нитрида и оксида кремния может производиться последовательно в одном процессе при использовании технологии плазмохимического осаждения. Для формирования контуров планарных структур в каждом слое необходима технология лазерной фотолитографии, селективного химического травления и плазмохимического травления. Для удаления жертвенного слоя, а также меди требуется операция селективного химического травления.Next, a sacrificial layer is applied - silicon oxide. The deposition of nitride and silicon oxide can be carried out sequentially in one process using the technology of plasma chemical deposition. To form the contours of planar structures in each layer, the technology of laser photolithography, selective chemical etching and plasma chemical etching is necessary. Selective chemical etching is required to remove the sacrificial layer, as well as copper.

После удаления жертвенного слоя образуется воздушный зазор. Минимальный воздушный зазор для достижения минимальной емкости 0,4 пФ должен составлять от 0,16 мкм до 0,67 мкм, это также позволяет получить коэффициент перекрытия (соотношение между максимальной и минимальной емкостью) равный 5. Такой разброс значений зазора обусловлен сильной зависимостью максимальной емкости от шероховатости диэлектрика. При необходимости получения коэффициента перекрытия больше 5, достаточно увеличить зазор, максимальная величина составляет порядка 1 мкм.After removing the sacrificial layer, an air gap is formed. The minimum air gap to achieve a minimum capacitance of 0.4 pF should be from 0.16 microns to 0.67 microns, this also allows you to get the overlap coefficient (the ratio between the maximum and minimum capacitance) equal to 5. This variation in the values of the gap is due to the strong dependence of the maximum capacitance from the roughness of the dielectric. If it is necessary to obtain an overlap coefficient of more than 5, it is enough to increase the gap, the maximum value is about 1 μm.

Время переключения 50 мкс теоретически достижимо при использовании электростатической активации, если в качестве верхнего слоя РЧ МЭМС варактора выбрана медь. Также теоретически достижимы напряжения активации меньше 100 В.A switching time of 50 μs is theoretically achievable using electrostatic activation, if copper is selected as the upper layer of the RF MEMS varactor. Also theoretically achievable activation voltages less than 100 V.

Работа устройства осуществляется следующим образом.The operation of the device is as follows.

Стационарное устройство находится в неактивном состоянии. При приложении управляющего напряжения смещения кантилевер, нависающий над линией, покрытой диэлектриком, притягивается под действием приложенного постоянного напряжения и таким образом меняет свою емкость. Величина емкости между кантилевером и нижним электродом зависит от величины воздушного зазора.The stationary device is inactive. When a bias control bias voltage is applied, the cantilever hanging over the line covered by the dielectric is attracted by the applied direct voltage and thus changes its capacitance. The capacity between the cantilever and the lower electrode depends on the size of the air gap.

Claims (2)

1. РЧ МЭМС варактор с электростатической активацией, содержащий подложку, отличающийся тем, что на подложку нанесен нижний слой меди; покрытый диэлектрическим слоем управляющий электрод, на который подается напряжение активации; медный кантилевер, изгибаемый под действием приложенного постоянного напряжения и таким образом меняющий свою емкость; воздушный зазор расположен между кантилевером и диэлектрическим слоем.1. RF MEMS electrostatic activation varactor containing a substrate, characterized in that the lower layer of copper is applied to the substrate; a control electrode coated with a dielectric layer to which an activation voltage is applied; copper cantilever, bent under the action of an applied constant voltage and thus changing its capacity; an air gap is located between the cantilever and the dielectric layer. 2. РЧ МЭМС варактор с электростатической активацией по п. 1, отличающийся тем, что размеры подвижных элементов конструкции и конструкционные особенности обуславливают низкое энергопотребление.

2. RF MEMS varactor with electrostatic activation according to claim 1, characterized in that the dimensions of the movable structural elements and structural features cause low power consumption.

Images