Разработка конструктивно-технологического варианта радиочастотного микропереключателя

Московский  авиационный институт

(государственный  технический университет)

Кафедра 404

Курсовая  работа по предмету: 
«Интегральные устройства радиоэлектроники» 
На тему: 
"Разработка конструктивно-технологического варианта радиочастотного микропереключателя"

Выполнил:

Трушин Р.Н.

Группа: 04-303

Проверил:

Жуков А. А.

Москва  2012 

Содержание

Содержание 2

Техническое задание 3

Введение 6

1 Анализ принципа  действия, конструкции и методов  изготовления радиочастотного микропереключателя 7

1.1 Анализ  принципов действия радиочастотных  микропереключателей 7

1.1.1 Электростатические  механизмы управления 8

1.1.2 Магнитостатические  механизмы управления 8

1.1.3 Пьезоэлектрические  механизмы управления 8

1.1.4 Электротермический  механизм управления 8

1.2 Параметры  переключения 8

1.3 Анализ  конструкции радиочастотного микропереключателя 9

1.4 Технологии  производства МЭМС 10

1.4.1 Кремниевая  объёмная микрообработка 10

1.4.2 Способы  остановки процесса травления 12

1.4.3 Кремниевая  поверхностная микрообработка 13

1.4.4 LIGA, SIGA и MUMP’s технологии 15

2 Расчет типового  радиочастотного микропереключателя 17

2.1 Расчет  исполнительного элемента 17

3 Анализ физико-механических  характеристик радиочастотного  микропереключателя в программном  комплексе SolidWorks 19

4 Заключение 22

Список литературы 23

 

Техническое задание

Показатели  технического уровня создаваемой научно-технической  продукции в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96 (форма Д.1.1).

Используемые технологические  процессы должны обеспечить изготовление РМП с заданными характеристиками:

- рабочая частота: до 6ГГц

- рабочий диапазон температур: минус 120…+170^оС

- материал исполнительного элемента: кремний/никель/золото/алюминий

- материал резисторов: нихром / вольфрам / нитинол / поликремний

- материал  диэлектрика конденсатора: нитрид кремния

- напряжение питания системы  преобразователя 24В; ток питания  100 мкА.

 

Электрическая принципиальная схема включения РМП представлена на рисунке 1 (Вх – выход с РМП).

Рисунок 1 – Схема преобразователя РМП

 

Основные данные для расчетов представлены в таблице 1.

 

Таблица 1 - Основные данныедля расчетов

	Вариант
	4
Распределенное разностное давление Δр, Па	106
Размер мембраны A×А, м	4·10-4
Толщина мембраны сп, мкм	6,0
Количество упругих подвесов	4
Ширина подвеса, мкм	55
Толщина подвеса, мкм	6,0
Длина подвеса, мкм	100
Толщина резисторов, мкм	1,2
Толщина диэлектрика конденсатора, нм	25
Материал исполнительного элемента	Алюминий
Материал резисторов	Поликремний

 

Требования технологичности не предъявляются.

Требования живучести и стойкости  к внешним воздействиям: по климатическим и механическим воздействиям изделия должны соответствовать требованиям, предъявляемым к аппаратуре космического назначения.

Требования надежности не предъявляются.

Требования  транспортабельности:  транспортировку изделий необходимо проводить в специализированной таре.

Требования  безопасности: применяемое электрооборудование, электроприборы и их эксплуатация должны соответствовать требованиям ГОСТ 12.1.019–79, ГОСТ 12.1.030–81, «Правилам устройства электроустановок», «Правилам технической эксплуатации электроустановок потребителей», «Правилам техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей». Защитное заземление должно быть выполнено в соответствии с ГОСТ12.2.007.0–75.

Требования стандартизации, унификации: при разработке технологических процессов необходимо использовать стандартное технологическое оборудование линейки изготовления специализированных СБИС.

Требования каталогизации не предъявляются.

 

Введение

ВЧ  микропереключатели являются самыми распространенными  компонентами ВЧ микросистем. Это направление  элементной базы активно развивается  во всем мире. В том числе –  в сторону улучшения своих  высокочастотных свойств, что чрезвычайно  актуально для современной радиоэлектронной аппаратуры. ВЧ микропереключатели используются в интерфейсах между микросистемами и другими устройствами и служат для автоматического переключения сигналов, что увеличивает гибкость и расширяемость всей системы в целом.

Большинство технологий изготовления микросистем  разработаны на базе традиционных технологий обработки кремния. Использование  методов изготовления, сходных с  технологическими приемами микроэлектроники, обеспечивает ВЧ микропереключателям  миниатюрность, дешевизну при массовом производстве и возможность реализации уникальных функций.

Целью выполнения курсовой работы является анализ и расчетконструкции РМП, выполненного с использованием технологических процессов изготовления типовых ВЧ микропереключателей.

Задачи, решение которых обеспечивает достижение поставленной цели:

- анализ  принципа действия, конструкции  и методов изготовления РМП

- описание конструкции РМП

- расчёт исполнительного элемента  РМП

-анализ физико-механических характеристик РМП в программном комплексе SolidWorks.

 

1 Анализ  принципа действия, конструкции  и методов изготовления радиочастотного микропереключателя

1.1 Анализ принципов действия радиочастотных  микропереключателей

Ключ  – это устройство, позволяющее  замыкать и размыкать электрическую  цепь. ВЧ ключи являются самыми распространенными  компонентами ВЧ микросистем. Они используются в интерфейсах между микросистемами и другими устройствами и служат для автоматического переключения сигналов, что увеличивает гибкость и расширяемость всей системы  в целом.

По сравнению  с ключами на PIN диодах микропереключатели обладают несколькими преимуществами [2]:

- малым  потреблением энергии в режиме переключения (в среднем несколько микроджоулей)

- очень  высоким отношением емкостей  во включенном и выключенном  состоянии.

Однако у них есть серьезный  недостаток: низкая скорость переключения. В настоящее время возможно изготовления микропереключателей, у которых время переключения составляет 1… 10мкс, что значительно хуже, чем у современных твердотельных ключей [2].

Радиочастотные ключи могут быть двух типов: контактные и емкостные.

В контактном ключе при подаче управляющего сигнала подвижный контакт мембраны (кантилевера) соединяется с неподвижной контактной площадкой на подложке. Обычно контактные площадки выполняются из золота, их толщина равна примерно 0,3 мкм, радиус – около 1 мкм. Уменьшение размеров кантилевера приводит к расширению полосы пропускаемых частот, уменьшению перемещаемой массы и к сокращению длительности процесса изменения состояния. Однако при этом снижается значение допустимого тока через контакт, превышение которого может привести к деградации характеристик переключателя после определенного числа циклов замыкания-размыкания [1].

Мембрана емкостного ключа в разомкнутом состоянии удерживается упругими силами над сигнальной линией. В результате значение емкости между контактами этой модели составляет 47 пФ, а затухание сигнала на частоте 40 ГГц – 50 дБ. При подаче управляющего напряжения на центральный электрод мембрана за счет электростатической силы притягивается к диэлектрическому слою, нанесенному на поверхность центрального электрода. При этом значение емкости возрастает до 2,5 пФ, а затухание сигнала снижается до 0,1 дБ [3].

В представленных на рынке МЭМС-ключах используются разные механизмы управления положением кантилевера: электростатический, магнитостатический, пьезоэлектрический, электротермический [1].

1.1.1 Электростатическиемеханизмы управления

В ключах с электростатическим управлением, простых в изготовлении, используется притяжение двух противоположных зарядов. Однако напряжение в импульсе переключения может достигать нескольких десятков вольт.

1.1.2 Магнитостатические механизмы управления

При магнитостатическом управлении замыкание и размыкание ключа производится за счет изменения магнитного поля. Этот метод требует значительно меньших значений управляющего напряжения. Однако в конструкции мембраны необходимо использовать магнитные материалы, а также обеспечивать управление напряженностью магнитного поля. Важное достоинство электростатического и магнитостатического управления состоит в том, что энергия в цепи управления тратится только в процессе переключения, а разомкнутое или замкнутое состояние удерживается за счет внутренних упругих сил.

1.1.3 Пьезоэлектрические механизмы управления

В ключах с пьезоэлектрическим управлением перемещение обеспечивается материалом с пьезоэффектом (эффект поляризация диэлектрика под действием механических напряжений).

1.1.4 Электротермический механизм управления

При электротермическом управлении применяются материалы с различными значениями коэффициента теплового расширения.

1.2 Параметры переключения

При разработке ВЧ ключей существенными являются следующие  параметры [2]:

- длительность  переходных процессов

- время  переключения

- переходные процессы при коммутации

- коммутируемая мощность ВЧ сигнала

- согласование входных/выходных цепей

- ширина  полосы пропускания

- вносимые  потери

- развязка  входа от выхода

- последовательное  сопротивление

- напряжение  срабатывания

- срок службы

- резонансная  частота

- перекрестные наводки и уровень искажений

- согласование по амплитуде и фазе.

Кроме этих характеристик для ключей с механическими исполнительными механизмами важны также срок службы и резонансная частота механических частей.

1.3Анализ конструкции радиочастотного микропереключателя

На рисунке  1 показан мембранный переключатель [2]. Входной ВЧ сигнал подается через внутренний соединительный элемент на верхнюю часть мембраны. Выходная линия, расположенная под мембраной, крепится при помощи тонкой металлической полоски.

Рисунок 1 - Мембранный переключатель: а – изображение вида мембранного переключателя слева; б – изображение вида мембранного переключателя сверху; в – изображение ключа в замкнутом состоянии

На рисунке  1 - б показан вид мембранного переключателя сверху. Когда на управляющий электрод подается напряжение, электростатические силы заставляют мембрану опускаться вниз. При достаточном напряжении мембрана сильно деформируется и входит в контакт с нижней линией передач, замыкая два полюса, как показано на рисунке 1 -в. Коэффициент развязки ключа в разомкнутом состоянии определяется величиной паразитной емкости между мембраной в верхнем положении и нижней линией передач. Развязка между входом/выходом может быть улучшена при помощи дополнительного диэлектрического слоя, нанесенного на линию передач, который одновременно с этим снижает залипание между контактами.

В состав такого микропереключателя входит тонкая покрытая металлом диэлектрическая  мембрана, прикрепленная к кремниевой подложке, нависающая над небольшим  прямоугольным углублением. Углубление выполняется методом строго контролируемого  вытравливания кремния из-под  осажденной диэлектрической пленки.

Основной  частью всех ВЧ переключателей является механизм привода. Любой переключатель можно рассматривать как цифровое двоичное устройство, поскольку он может находиться только в одном из двух возможных положений. Во включенном состоянии переключатель связывает входной и выходной порты системы, в то время как в выключенном состоянии он их рассоединяет. Количество полюсов определяет число входных терминалов или входных портов переключателя, а количество направлений — число выходных терминалов или выходных портов. Для любого типа переключателей важными являются следующие характеристики: вносимые потери во включенном состоянии, коэффициент развязки в выключенном состоянии и потери на отражение в обоих состояниях.

1.4 Технологии производства МЭМС

В настоящее  время существует несколько базовых  технологий производства МЭМС (микроэлектромеханических устройств), к которым относятся  и датчики давления. Основными  частями этих технологий являются технологии объёмной микрообработки, поверхностной микрообработки, LIGA и SIGA технологии, а также MUMPs технология [6].

1.4.1 Кремниевая объёмная микрообработка

Объемные  методы обработки кремния являются наиболее развитыми технологиями [2]. Микроструктуры, изготавливаемые методами объемной обработки кремния, могут иметь толщину от долей микрона до полной толщины подложки (200... 500 мкм), а их поперечные размеры изменяются от нескольких микрон до полного диаметра подложки (75... 200 мм).

Травление — это ключевой метод объемной технологии. Процесс травления, как  правило, состоит из одного или нескольких нижеприведенных методов:

- жидкостное изотропное травление,

- жидкостное анизотропное травление,