CC BY
55Решетневскуе чтения. 2017
УДК 621.318.5:681.3
МИКРОРЕЛЕ НА БАЗЕ МЭМС-ТЕХНОЛОГИИ, ПЕРСПЕКТИВА И ПОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ
А. Н. Капустин*, Д. А. Гришеленок
АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52
E-mail: kapustin@iss-reshetnev.ru
Снижение массогабаритных и энергетических параметров коммутационных элементов бортовой аппаратуры КА - постоянно актуальная задача. Показана необходимость разработки слаботочных микрореле и микропереключателей на базе МЭМС технологии для аппаратуры космического применения.
Ключевые слова: МЭМС, микрореле, микропереключатели, СВЧМЭМС, бортовая аппаратура космического аппарата.
MICRO RELAY ON THE BASIS OF MEMS TECHNOLOGY, PERSPECTIVE AND PROBLEMS OF APPLICATION
A. N. Kapustin*, D. A. Grishelenok
JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation E-mail: kapustin@iss-reshetnev.ru
Reducing the size and dimensions of the power consumption of the switching elements of the on-board equipment of the spacecraft is a ever significant task. The research demonstrates a need to develop low-current micro-relays and micro-switches based on MEMS technology for space applications.
Keywords: MEMS, micro-relay, micro-switches, Microwave MEMS, airborne equipment of the spacecraft.
Переключательные изделия составляют значительную часть веса бортовой аппаратуры, в том числе полезной нагрузки космического аппарата (КА). Они используются для распределения сигналов, управления антенной и подключения резервных блоков. Кроме того, переключательные изделия широко используются в блоках управления различными исполнительными устройствами, в том числе в качестве единичного элемента памяти. Поэтому снижение масса-габаритных характеристик переключательных изделий при снижении управляющих напряжений и улучшении электрических характеристик представляет особый интерес.
Анализ отечественной элементной базы показал отсутствие двустабильных микрореле и микропереключателей с малыми токами управления (менее 1 мА), предназначенных для коммутации слаботочных сигналов и сравнимых по габаритам с размерами интегральных микросхем.
На сегодняшний день одним из вариантов решения задачи по созданию микрореле с двумя устойчивыми состояниями с описанными выше характеристиками является применение МЭМС технологии.
Микро-электро-механические системы (МЭМС) -одна из наиболее передовых технологий, позволяющая не только значительно улучшить характеристики электронной аппаратуры, но и создавать инновационные устройства для решения задач в совершенно новых областях, в том числе и в космической технике. По сравнению с обычными электромеханическими
реле МЭМС-переключатели имеют на порядок меньшие размеры, что позволяет существенно уменьшить габариты и массу изделий. Кроме того, МЭМС переключатели и микрореле могут быть интегрированы в один кристалл вместе с другими электронными схемами или другими МЭМС-устройствами, что открывает новые возможности для создания более интегрированных устройств [1].
К достоинствам МЭМС-переключателей относятся:
- чрезвычайно низкий ток в рабочей точке (менее 10 нА);
- высокий уровень изоляции;
- очень малое энергопотребление (МЭМС-переклю-чатели с электростатическим или пьезоэлектрическим приводами потребляют энергию 10-100 нДж при срабатывании и не потребляют в стационарном режиме);
- высокая радиационная стойкость;
- низкая стоимость при условии массового производства.
Вместе с тем МЭМС-переключатели имеют ряд недостатков, таких как высокое управляющее напряжение (от 30 до 100 В), относительно большое время срабатывания (обычно до 100 мкс) и низкий ресурс, в значительной степени зависящий от переключаемой мощности. В начале 2000-х гг. ресурс СВЧ МЭМС-переключателей у передовых зарубежных фирм составлял 1010 циклов при токе 2 мА, 103 циклов при токе 20 мА и всего лишь 10 циклов при токе 300 мА [2].
Космическое и специальное электронное приборостроение
Анализ показывает, что МЭМС-переключатели и микрореле часто оказываются невостребованным из-за неудобств, связанных с относительно высоким напряжением управления, которое составляет 30-100 В, при том, что оптимальное значение управляющего напряжения составляет 5 В, а микрореле с двумя устойчивыми состояниями для коммутации слаботочных сигналов управляемых от цифровых интегральных микросхем вообще нет [3].
За рубежом МЭМС-переключатели уже широко используются в космических системах связи с ультранизкой мощностью (SATCOM), в схемах реального времени задержки и в антенных решетках [4]. В качестве примера использования в аппаратуре военного и аэрокосмического назначения переключательной матрицы на основе МЭМС можно привести прибор 18A7NFD1 фирмы Renaissance Electronic Corporation, созданный в 2007 г. Матрица размерностью 8*8 содержит 80 МЭМС-переключателей с ресурсом 100 млрд циклов [5].
Потребность в МЭМС-элементах есть не только в военной, но и в аэрокосмической технике, но нет промышленного выпуска таких элементов отечественными предприятиями. Так, например, кафедрой микроэлектроники МИЭТ (г. Зеленоград) разработан МЭМС-переключатель, имеющий следующие параметры:
- управляющее напряжение 5, 12, 27, 60 В;
- коммутируемый ток от 10-6 до 1 А;
- коммутируемое напряжение от 10-2 до 100 В;
- сопротивление контактов электрической цепи, не более 0,3 Ом;
- количество циклов коммутации, не менее 108;
- время срабатывания, не более 5 мс.
Данный МЭМС-переключатель по своим электрическим характеристикам удовлетворяет требованиям разработчиков бортовой аппаратуры, но серийно он не производится. Предприятие изготавливает необходимую партию только на заказ.
Сегодня возможности производства МЭМС-элементов (переключателей, реле, пороговых датчиков тока, температуры и др.) в РФ значительно превышают спрос на изделия МЭМС-технологий. Однако современных МЭМС-переключателей и реле освоенных производством для космического применения нет.
Разработчики бортовой аппаратуры занимают выжидательную позицию, так как строят свою аппаратуру, используя элементы из ограничительных перечней, а рисковать, применяя новый элемент, никто не хочет. Исследовательские работы по тематике МЭМС-переключателей, проводимые некоторыми вузами и предприятиями (Курские предприятия «Сов-тест АТЕ» и РАМЭМС, СКТБ РТ г. В. Новгород, ЗАО
«МЦКП» (Санкт-Петербург), МИЭТ г. Зеленоград и др.), говорят о наличии научного и технического задела, но не торопятся вкладывать собственные средства на серийный выпуск МЭМС-переключателей.
Задача создать отечественные микрореле, в том числе с двумя устойчивыми состояниями, для коммутации слаботочных сигналов, имеющие стойкость к факторам космического пространства и обеспечивающие САС 15 лет, а также организовать их серийный выпуск.
Удачное сочетание свойств МЭМС-переключателей не оставляет сомнений в перспективности их применения в блоках управления и в СВЧ-аппаратуре космического и специального назначения.
Библиографические ссылки
1. Сысоева С. С. Высокочастотные МЭМС-ключи. Технологии и применения // Компоненты и технологии. 2011. № 11. С. 14-23.
2. MEMS Switches / S. Majumder, J. Lampen, R. Morrison, J. Maciel // IEEE Instrumentation & Measurement Magazine. 2003. С. 12-15.
3. Электростатические реле на базе МЭМС-техно-логии / И. А. Афиногенов, А. В. Конькин, П. Б. Эннс и др. // Изв. вузов. Приборостроение. 2011. Т. 54, № 4. С. 18-23.
4. Кочемасов В., Майстренко А. СВЧ переключатели на основе МЭМС // СВЧ-электроника. 2016. № 1.
5. Electronic textbook StatSoft [Электронный ресурс]. URL: http://www.rec-usa.com/Data%20Sheets/ 18A7NF1.pdf.
References
1. Sysoyeva S. S. Vysokochastotnyye M-EMS-klyuchi. Tekhnologii i primeneniya // Komponenty i tekhnolo-gii. 2011. № 11. Р. 14-23.
2. MEMS Switches / Majumder S., Lampen J., Morrison R., Maciel J. //IEEE Instrumentation & Measurement Magazine. 2003. P. 12-15.
3. Elektrostaticheskiye rele na baze M-EMS-tekhnologii / I. A. Afinogenov, A. V. Kon'kin, P. B. Enns, A. N. Kapustin // Izv. vuzov. Priborostroyeniye. 2011. Vol. 54, no. 4. P. 18-23.
4. Kochemasov V., Maystrenko A. SVCH pereklyu-chateli na osnove M-EMS // SVCH elektronika. 2016. No. 1.
5. Electronic textbook StatSoft [Elektronnyy resurs]. URL: http ://www.rec-usa. com/DataSheets/18A7NF1 .pdf.
© Капустин А. Н., Гришеленок Д. А., 2017
