CC BY
15Обзор
УДК.537.533.2:539-022.532: 620.3:620.22-022.532
МЭМС-переключатели в радиочастотной электронике I. Актуальность, проблемы реализации, предварительные оценки
12 1 В.А. Беспалов , Э.А. Ильичев , А.Е. Кулешов , 2 2 2 Р.М. Набиев , Г.Н. Петрухин , Г.С. Рычков
1 Национальный исследовательский университет «МИЭТ» 2НИИ физических проблем им. Ф.В. Лукина (г. Москва)
Выполнен сравнительный анализ параметров известных радиочастотных микроэлектромеханических (МЭМС) переключателей. Обсуждены преимущества и недостатки твердотельных переключателей, возможные пути их технической реализации, оптимизации рабочих параметров, технологические и конструктивные проблемы. Даны оценки предельных величин основных параметров МЭМС-переключателей, позволившие определить область их предпочтительного использования.
Ключевые слова: микроэлектромеханический переключатель, терагерцовый частотный диапазон, приемопередающий модуль, активные фазированные антенные решетки (АФАР), резонансная частота, углеродные алмазоподобные пленки, добротность, модуль Юнга, коэффициент развязки, гальваническая связь, емкостная связь, сопротивление цепи антенна/эфир.
Успехи в разработке радиочастотных устройств гига- и терагерцового диапазона являются показателями уровня технического развития общества и определяют стратегическую безопасность страны. Одна из актуальных задач радиочастотной электроники -визуализация объектов. При этом частотный диапазон активной локации определяет качество диагностирования (дальность, пространственное разрешение, массу и габариты локационных устройств и систем, их помехозащищенность). Помимо применений, связанных с решением задач локации наземных, воздушных и космических объектов, радиочастотные устройства (Ха-частотного диапазона) эффективно используются при диагностике в метрологии, медицине и биологии, при позиционировании объектов (антитеррористическая деятельность) и т.п.
В современной радиолокации в области частот до 10 ГГц используются приборы на арсениде галлия и его твердых растворах. Освоение частотного диапазона выше 10 ГГц в силовых приборах и устройствах предполагается посредством использования электронной компонентной базы на гетероструктурах GaN-AlN [1, 2] и на алмазных монокристаллических пленках [3, 4]. Дальнейшее развитие техники радиолокационного позиционирования и визуализации объектов связывают с использованием активных фазированных антенных решеток (АФАР). Их основу составляют приемопередающие модули (ППМ), электронной компонентной базой которых являются усиливающие и формирующие фазу аналоговые схемы и устройства гигагерцового диапазона частот. Бортовые радиолокационные станции (РЛС) с АФАР представляют собой чрезвычайно сложную комплексную радиотехническую систему, отличающуюся от РЛС с пассивной фазированной антенной решеткой переносом основной тяжести обработки сигналов из
© В.А. Беспалов, Э.А. Ильичев, А.Е. Кулешов, Р.М. Набиев, Г.Н. Петрухин, Г.С. Рычков, 2013
тракта приема и передачи в апертуру антенны, где эта обработка проводится включением в каждый из каналов системы новых функциональных блоков, блоков приемопередающих модулей. Плотность расположения ППМ определяется постоянной антенной решетки (расстояние между ближайшими ППМ составляет ~ 1/2 длины волны, в частности для Х-диапазона оно оказывается ~ 15-20 мм).
Изменения архитектуры трактов системы РЛС при использовании АФАР значительно усиливают роль переключающих элементов. При этом последние не только должны соответствовать частотным, фазовым и мощностным характеристикам системы (полоса рабочих частот ^ 10 ГГц, излучаемая мощность в импульсном режиме ~ 10 Вт, раздельное управление амплитудой и фазой передаваемых и принимаемых сигналов с точностью регулировки не менее 5 бит по амплитуде и 6 бит по фазе), но и должны обладать минимальным тепловыделением, а также приемлемыми массой и габаритами. Таким образом, изготовление ППМ для АФАР в Х- и ^-частотном диапазоне требует реализации для их базовых узлов (фазовращателей и аттенюаторов) высокодобротных и широкополосных переключателей с малой управляющей мощностью.
Современные фазовращатели СВЧ-диапазона изготавливаются в виде монолитных интегральных GaAs-схем, в которых в качестве переключающих элементов используются GaAs-транзисторы с затвором Шоттки (metal semiconductor field effect transistor -MESFET). В гибридных вариантах схем фазовращателей для АФАР в качестве переключающих элементов используются также и кремниевые p-i-n-диоды.
Недостатками ключей обоих типов являются чрезмерно большое сопротивление в открытом состоянии, недопустимо высокие значения входной емкости затвора (входная емкость MESFET более 1 пФ), а значит, величины емкостной составляющей токов утечки на высоких частотах, большие величины управляющих мощностей в любом режиме работы (для p-i-n-диода ~ 10 мВт), значительная величина активной компоненты тока утечки затвора MESFET (~ 0,1 мкА). В результате на высоких частотах (> 30 ГГц) и в больших (~ 105 излучающих элементов) полотнах фазированных антенных решеток коэффициенты «развязки» ключей, следовательно, добротность схемы в целом становятся недопустимо низкими, а суммарные потери мощности - значительными. Например, для p-i-n-диодов мощность на управление антенным полотном АФАР бортовых систем достигает ~ 0,1-1,0 кВт.
Возникшие трудности разработчики СВЧ-систем надеются преодолеть путем использования радиочастотных микроэлектромеханических систем (РЧ МЭМС) [5-7]. РЧ МЭМС-элементы могут стать основой высокодобротных подстроечных компонентов антенных цепей. В частности, РЧ МЭМС-переключатели рассматриваются рядом фирм, ориентированных на разработку и производство СВЧ-приборов и схем, как перспективные высокодобротные и радиационно стойкие переключающие элементы интегральных и интегрированных сверхширокополосных СВЧ-схем и устройств.
Для АФАР в основном используются «конденсаторные» РЧ МЭМС-ключи (микроэлектромеханические переключатели с электростатическим управлением) из-за малого потребления энергии и сверхвысокой линейности, что указывает на весьма вероятную их востребованность в радиолокационной и космической технологии, широкополосными системами радио- и телекоммуникаций и т. д.
Сравнительные параметры переключающих элементов различного типа приведены в табл.1 [6].
Таблица 1
Сравнительные параметры переключающих элементов различного типа
Параметр РЧ МЭМС р-1-н-диод МЕ8ЕЕТ
Напряжение, В 20-80 ±3-5 3-5
Ток 1 нА 3-20 мА 1 мкА
Мощность потребления, мВт 0,05-1 5-100 0,05-1
Время переключения 0,3-1,0 мкс 1-100 нс 1-100 нс
Последовательное сопротивление, Ом 0,5-20 2-4 4-6
Отношение емкостей 40-500 10 -
Частота отсечки, ТГц 20-80 1-4 0,5-2
Изоляция (1-10 ГГц) Очень высокая Высокая Средняя
Изоляция (10-40 ГГц) Очень высокая Средняя Низкая
Изоляция (60-100 ГГц) Высокая Средняя -
Потери (1-100 ГГц), дБ 0,05-0,2 0,3-1,2 0,4-2,5
Мощность переключения, Вт <1 <10 <10
«-• 8 9
Достигнутые рабочий ресурс 10-10 циклов и мощность 20 дБм вполне допустимы для сотовых телефонов, где требуются подстроечные переключения входных и выходных ВЧ-цепей. Тенденции и объемы потребления РЧ МЭМС-переключателей в современных коммуникационных системах показаны в табл.2 и на рис.1.
Таблица 2
Потребность РЧ МЭМС-переключателей за период 2006-2011 гг.
Область применения 2006 2007 2008 2009 2010 2011
Инфраструктура теле-
коммуникационных 0 0 0,000 0,06 4,9 25
систем
Сотовые телефоны 0 0 4,1 92 339 754
Замена РЧ-реле 0 0 0,000 0,0 0,2 1
Автотранспорт 0 0 0 0 0 0
Оборона 0,001 0,004 0,010 0,022 0,045 0,072
Космос 0 0 0 0 0,0000 0,0001
Контрольно-измерительная 0,032 0,032 0,05 0,19 0,4 0,7
аппаратура
Как видно из таблицы, РЧ МЭМС-переключатели затребованы для сотовых телефонов, что же касается АФАР и космических применений, то здесь требуются РЧ МЭМС-ключи с надежной работой в течение десятка лет, что соответствует рабо-
12 13
чему ресурсу, оцениваемому в 10 -10 циклов.
Таким образом, с появлением АФАР и развитием бортовых вариантов антенных полотен МЭМС-переключатели все более позиционируются для радиочастотных систем как перспективные спецстойкие и высокодобротные ключевые элементы.
Млн долл. USA
Млн шт.
/
800
400
600
300
400
200
100
0 -•- ■ " -^--
2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012
Рис. 1. Рынок ВЧ МЭМС-переключателей
200
о
Проблемы твердотельных переключающих элементов и пути их преодоления.
Сравнительный анализ характеристик различных типов переключателей (см. табл.1) позволяет сделать ряд предварительных выводов относительно эффективности их применения. По ряду таких крайне важных выходных параметров, характеризующих качество СВЧ-переключающих элементов, как радиационная стойкость, «широкополосность», коэффициент «развязки», добротность, МЭМС-переключатели предпочтительнее их твердотельных аналогов. Однако РЧ МЭМС-переключатели имеют и ряд недостатков:
- высокие значения управляющих напряжений (больше нормативных напряжений цифровых схем);
- недостаточно высокая скорость переключений;
- недостаточно большой для решения множества радиочастотных задач временной ресурс работы;
- трудности интеграции в рамках единого кристалла МЭМС и микроэлектронных элементов и технологий.
Основным недостатком РЧ МЭМС-переключателей при использовании в АФАР является малый временной ресурс из-за разрушения контактных групп выходных цепей, вызванного микроразрядами и механическими деформациями, сопровождающими процесс переключения. В то же время следует отметить, что достигнутый передовыми фирмами рабочий временной ресурс
10-109 циклов переключений при мощности 20 дБм (режим «hot») вполне допустим для использования таких ключей в сотовых телефонах и в спецприменениях, не требующих большого числа переключений.
Перечисленные недостатки РЧ МЭМС-переключателей, а также достаточно высокая эффективность работы их твердотельных аналогов в частотном диапазоне до 10 ГГц до последнего времени сдерживали развитие МЭМС-ключевых элементов. В частности, на сегодняшний день итогом почти двух десятилетий разработок РЧ МЭМС-переключателей явились лишь макеты АФАР массивом не более 16*16 элементов [7].
Анализ недостатков наиболее известных РЧ МЭМС-переключателей позволяет выявить совокупность технических факторов, определяющих перспективность их разработок.
1. На надежность и продолжительность устойчивой работы МЭМС-переключателей влияют эффекты «залипания» электродов. Попытки решить эту про-
блему применением для подвижных элементов переключателей более упругих материалов (например, нанокристаллических алмазных пленок) приводят к технологическим трудностям при интеграции РЧ МЭМС-переключателей в электронную схему [8-10].
2. Добротность переключателей определяется в значительной степени сопротивлением их коммутирующего узла и отношением величин импедансов в замкнутом и разомкнутом состояниях ключа.
3. Разрушение электродов РЧ МЭМС-переключателей с гальванической связью при работе в режиме «hot» связано с электрическими микроразрядами, неизбежно сопровождающими переключения. Попытка хотя бы частично снять эту проблему, используя РЧ МЭМС-переключатели с коммутирующим узлом емкостного типа, приводит к уменьшению коэффициента развязки.
4. Трудности, возникающие при интегрировании микроэлектронных и МЭМС-элементов (узлов) в единую однокристальную схему, связаны с необходимостью подбора таких мультислойных пленочных материалов, процессы формирования которых можно было бы согласовать в рамках единого технологического маршрута. При этом необходимо, чтобы последующая эксплуатация такой интегральной схемы была устойчива по отношению к процессам деградации.
Учитывая указанные требования, при разработке схем, включающих РЧ МЭМС- и микроэлектронные элементы, приходится отказываться от использования традиционных пленочных материалов, а интеграцию столь разных по конструкции элементов осуществлять в рамках гибридных технологий. Для изготовления ряда функциональных устройств подход, связанный с гибридным интегрированием, вполне приемлем и коммерчески более привлекателен. Однако в некоторых случаях, например в многоэлементных радиочастотных системах, необходимость работать с малыми сигналами высокой частоты в скоростных режимах переключений делает предпочтительным использование интегральных однокристальных схем, позволяющих реализовать малые параметры входных реактивных цепей.
Оценки предельных параметров РЧ МЭМС-переключателей. Оценки предельных рабочих параметров РЧ МЭМС-переключателей для радиочастотных применений в нулевом приближении можно получить в рамках простых модельных представлений. Очевидно, что такие важные характеристики переключателей, как быстродействие, надежность переключений, величины управляющих напряжений и мощности будут определяться геометрией переключателя, модулем упругости материала его подвижных элементов и типом управления (физическим эффектом, положенным в основу работы переключателей). Несложно показать, что эти характеристики связаны с геометрией элементов и упругими свойствами материала следующими соотношениями:
f = -Д, k = (1)
2%\ М L3
М = Ме + < Мс > = peAete + 0,37Lcpcwctc , (2)
—
Q = -—4MCk , (3)
4Ae
где f - резонансная частота колебаний; к - коэффициент упругости (изгибная жесткость кантилевера); M - эффективная масса подвижного элемента; Mc - масса собственно балки кантилевера; Me - масса электрода кантилевера; H - зазор между управляющими
электродами; Ае - площадь электрода; Е - модуль Юнга; п - вязкость среды; - ширина кантилевера; рс - плотность материала кантилевера; ре - плотность материала электрода кантилевера; Ьс - длина кантилевера; Хс - толщина кантилевера; Хе - толщина электрода; Q - добротность изолированного балочного резонатора.
Таким образом, для оценок предельных параметров РЧ МЭМС-переключателей необходимо конкретизировать конструктивные и физические характеристики определяющих элементов и материалов.
Для выполнения оптимизации РЧ МЭМС-переключателей по таким эксплуатационным характеристикам, как потребляемая на управление мощность, характерное время переключения, полоса рабочих частот и коэффициент развязки, необходимо:
- выбрать РЧ МЭМС-переключатель с емкостным управлением, что обеспечит простоту конструкции и минимальную входную емкость;
- в качестве материала для подвижного элемента ключа (несущей балки либо моста) использовать материал с высоким значением модуля упругости, что обеспечит надежность и высокую скорость переключений;
- геометрию элементов переключающего узла выбрать из соображений максимальной величины коэффициента развязки;
- материал покрытия электродов силовой цепи выбрать с высокой адгезией и твердостью пленочного покрытия нанометровой толщины. В качестве таких материалов можно использовать нанокристаллические алмазные и углеродные алмазоподобные пленки, параметры которых представлены в табл.3.
Таблица3
Параметры пленок из материала покрытий силовых электродов
Нанокристаллические
Параметр Нанокристаллические
алмазные пленки углеродные алмазоподоб-ные пленки
Модуль Юнга, Н/м2 1012 81011
Плотность, кг/м3 4103 3,4103
Размеры нанокри- 50-100 1-10
сталлитов, нм
Удельное сопротив- До 1014 До 1012
ление, Омсм
Температура Более 450 Менее 100
осаждения,°С
Химическая Да Да
инертность
Оценим рабочие параметры РЧ МЭМС-переключателей для следующих материалов и геометрий (рис.2):
- материал подвижного элемента - нанокристаллическая алмазная пленка (модуль Юнга ~ 1012 Н/м2);
- зазор между обкладками управляющих электродов ё ~ 2 мкм;
- изменение зазора Дё между обкладками управляющих электродов при переключении ~ 1 мкм;
- длина подвижного элемента (балки) Ь ~ 100 мкм;
- толщина балки I ~ 0,5 мкм;
- ширина балки 2 ~ 40 мкм.
Рис.2. Схематическое изображение поперечного разреза РЧ МЭМС-переключателя с электростатическим управлением (УЭВ - управляющий электрод верхний, УЭН - управляющий электрод нижний)
При проведении оценок дополнительно к функциональным связям (1)-(3) используются следующие соотношения:
- для характеристики ограничений на быстродействие со стороны зарядки и разрядки электрической емкости управляющих цепей
ДГр = КС и Atз = (АУж 0Я)/ 1зй,
где /з - ток зарядки, d - зазор между управляющими электродами; £ - площадь управляющих электродов; 8 - диэлектрическая проницаемость среды зазора; С - емкость управляющей цепи; Я - входное сопротивление; и Д^ - характерные времена зарядки и разрядки емкости входной цепи;
- для оценки ограничений на быстродействие со стороны упругих сил
Ж = 0,5САУ2, Ж = ЕАй,
здесь Ай = й/2; ^ = КМ = 16Е1Ц* / 1)ъ ■ Ай - упругая сила; V = /(рсГ)]0,5;
Ж - необходимая энергия; 2 - ширина кантилевера; V - управляющее напряжение; V - скорость переключения;
- для характеристики мощности в импульсе, требуемой на переключение,
АР = с(аГ2 )/ А,
где At - время переключения;
- для характеристики полосы рабочих частот (при коэффициенте развязки К = 20 дБ и для случая гальванической связи)
ш <
й 4 ЯКкК *),
где Як - сопротивление контакта; ю - частота;
- для характеристики управляющих напряжений
V = [(8Кй3 )/(275в0 )] °'5,
где К - коэффициент упругости балки;
- для характеристики коэффициента развязки: в случае гальванической связи
в случае емкостной связи:
K * = d /(ше 0 SRK);
К =С 1С
где Свыкл - емкость управляющей цепи в выключенном состоянии; Свкл - емкость управляющей цепи во включенном состоянии;
- для оценки мощности рассеяния на контакте при коммутации
Р = R, I = P / Rа/э * 0,5 ,
где Яа/э ~ 103 - 104 Ом - сопротивление цепи антенна/эфир при f « 10 ГГц; Р - коммутируемая и излучаемая антенной в эфир мощность; I - коммутируемый ток.
Используя приведенные соотношения и параметры выбранных материалов и геометрий для балочной конструкции РЧ МЭМС-переключателей с электростатическим управлением, получаем следующие предельные величины:
- быстродействие определяется упругими силами и для указанных материалов составляет ~ 50 нс;
- мощность в импульсе на переключение при длительности импульса t ~ 50 нс не превышает 40 мкВт, а при длительности импульса t ~ 500 нс составляет 4 мкВт;
- полоса рабочих частот при коэффициенте развязки 20 дБ и для конструкции с гальванической связью достигает ~1 ТГц, при этом в случае емкостной связи толщина изолирующего покрытия нижних силовых электродов не должна превышать 0,05 мкм;
- управляющее напряжение составляет ~ 35-40 В;
- при коммутировании переключателем мощности P ~ 10 Вт мощность, рассеиваемая на гальваническом контакте (при Як ~ 1 Ом), не превышает Рк = 2,5 мВт;
- потребление энергии на одно переключение (за интервал ~ 50 нс) не превышает 1 нДж.
Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Микросистемная техника и электронная компонентная база Национального исследовательского университета «МИЭТ» при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (ГК№ 16.552.11.7061).
Литература
1. The development of a high power SP4T Rf Switch in GaN HFET technology / M. Yu, R. Ward, D.H. Hovda et al. // IEEE Microwave and Wireless Component Letters. - Dec. 2007. - Vol. 17. - N 12. - P. 894-896.
2. Ma B.Y., Boutros K.S., Hacker J.B., Nagy G. High power AlGaN/GaN Ku-band MMIC SPDT switch and design consideration // IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig. - 2008. - P. 1473-1476.
3. Balachandran S. Nanocrystalline diamond for RF MEMS applications // Theses and Dissertations. -University of South Florida. - 2009. - 6-1.
4. Charging characteristics of ultra-nano-crystalline diamond in RF MEMS capacitive switches / C. Goldsmith, D. Ranall, T.N. Lin et al. // IEEE MTT-S Int. Microwave Symp Dig. - 2010. - P. 1246-1249.
5. Вардан В., Виной К., Джозе К. ВЧ МЭМС и их применение. - М.: Техносфера, 2004. - 521 с.
6. Rebeir G.M. RF MEMS, Theory, Design and Technology, J. Wiley, 2003. - 379 p.
7. Recent advances in the development of a lightweight flexible 16*16 antenna array with RF MEMS Shifters at 14 GHr / D.J. Chung et al. - URL: http://esto.nasa.gov/conferences/estc 2008/papers (дата обращения: 30.09.2012 г.).
8. Unlocking diamond s potentional as an electronic material / Jan Isberg, Richard Balmer, I Friel et al. // Phil. R. Soc. A. - 2008. - 366. - P. 251-265.
9. Meiyong Liao Dr. Word's first diamond nanoelectromechanical switch // PHSorg.com. - 24 Dec. 2010. - 12 p.
10. Are diamonds a MEMS' best friend? / O. Auciello, S. Pacheco, A. V. Sumant et al. // IEEE Microwave magazine. - December 2007. - P. 61-75.
Статья поступила 8 октября 2012 г.
Беспалов Владимир Александрович - доктор технических наук, заведующий кафедрой проектирования и конструирования интегральных микросхем, первый проректор МИЭТ. Область научных интересов: технология интегральных схем на основе сложных полупроводников, фотоэлектроника, зондовая микроскопия, инновационная деятельность в научно-технической сфере.
Ильичев Эдуард Анатольевич - доктор физико-математических наук, профессор, ведущий научный сотрудник НИИФП им. Ф.В. Лукина (г. Москва). Область научнъгх интересов: микроэлектроника, оптоэлектроника, радиочастотная эмиссионная электроника на основе углеродных материалов. E-mail: edil44@mail.ru
Кулешов Александр Евгеньевич - аспирант кафедры квантовой физики и наноэлектро-ники МИЭТ. Область научнъа: интересов: микроэлектроника, радиочастотная эмиссионная электроника на основе углеродных материалов.
Набиев Ринат Мухамедович - аспирант НИИФП им. Ф.В. Лукина (г. Москва). Область научный интересов: микроэлектроника, радиочастотная эмиссионная электроника на основе углеродных материалов.
Петрухин Георгий Николаевич - кандидат технических наук, начальник отдела НИИФП им. Ф.В. Лукина (г. Москва). Область научных интересов: микро- и наноэлек-троника, в частности область углеродной электроники.
Рычков Геннадий Сергеевич - доктор физико-математических наук, начальник лаборатории НИИФП им. Ф.В. Лукина (г. Москва). Область научных интересов: микроэлектроника, радиочастотная эмиссионная электроника на основе углеродных материалов, качественная теория дифференциальных уравнений.
