Характеристики микромеханических реле на основе тонких слоистых исполнительных элементов
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
оустройства. Существуют упругие подвижные элементы балочного, мембранного и гребенчатого типов [12].
Исполнительный механизм микромеханических реле на основе балочных и мембранных упругих подвижных элементов обладает рядом преимуществ по сравнению с ключами на PIN диодах. Во-первых, процесс переключения не требует больших затрат энергии (обычно не более нескольких микроджоулей), во-вторых, переключение характеризуется высоким отношением емкостей во включенном и выключенном состоянии. Однако механический исполнительный механизм обладает и серьезными недостатками: низкой скоростью переключения и довольно высоким напряжением срабатывания, обычно 5..100 В [4].
Остановимся подробнее на недостатках или физико-технологических ограничениях микромеханических реле:
Скорость переключения. Механические ключи всегда уступают электронным в быстродействии, их скорость переключения лежит в диапазоне от микросекунд до миллисекунд в зависимости от материала и конструкции. Микромеханические реле, использующие мембрану небольшого веса, являются более быстродействующими по сравнению с консольными переключателями. Время переключения зависит от приложенного напряжения, эффективной жесткости балки и зазора между контактами. Скорость переключения можно снизить, уменьшая габаритные размеры деталей исполнительного механизма микрореле. Следует отметить, что уменьшение размеров балочного элемента помимо снижения времени переключения приводит к расширению полосы пропускаемых частот, уменьшению перемещаемой массы и к сокращению длительности процесса изменения состояния. При этом также снижается значение допустимого тока через контакт, превышение которого может привести к ухудшению характеристик микрореле после определенного числа циклов замыкания-размыкания [2].
Высокое напряжение срабатывания существенно ограничивает применение микромеханических реле в МЭМС, так как для применения в ВЧ и микроэлектронных системах напряжения должны быть не выше 5 В. Напряжение срабатывания можно уменьшить тремя способами [2]:
1.увеличением площади электродов;
2.уменьшением зазора между исполнительным механизмом (балкой, мембраной) и нижним электродом;
.уменьшением упругости структуры.
Метод увеличения площади электродов практически никогда не применяется в связи с тенденцией к миниатюризации в МЭМС. В методе уменьшения зазора расстояние между исполнительным элементом (консолью или мембраной) и электродом обуславливают два фактора: толщина жертвенного слоя и изгиб мембраны. Изгиб мембраны проявляется за счет наличия механического напряжения и его градиента в исполнительном элементе. Механические напряжения появляются в результате осаждения исполнительного элемента, а также процессов в слоеной структуре, имеющей слои с различными коэффициентами теплового расширения [12]. При уменьшении зазора между исполнительным элементом и электродом следует учесть ограничения на величину зазора, вызванные потерями на отражение ВЧ сигнала. Метод уменьшения упругости структуры является самым гибким подходом, так как снижение упругости конструкции не приводит к значительному изменению размеров, веса и ВЧ характеристик микромеханических реле. Использование в ключах очень эластичных складчатых подвесных пружин и увеличение зоны действия электростатического поля позволяет значительно снизить напряжение срабатывания. В последних разработках микромеханических реле: с использованием серпантинных и консольных пружин [12], а также подвесных консольных конструкций [13], удалось снизить напряжение срабатывания до 14... 16 В.
Рассмотрим еще один критический момент микромеханических реле за счет управляющего напряжения. Выключение ключа осуществляется путем снижения напряжения, однако балочный подвижный элемент возвращается в исходное состояние при меньшем напряжении, чем напряжение срабатывания, т. е. в системе появляется гистерезис. От гистерезиса можно избавиться, если механические микропереключатели изготавливать по многоуровневой поверхностной технологии с нанесением никеля гальваническим способом.
Изоляция ВЧ линий. При переключении микромеханического реле линии подачи управляющего напряжения должны быть хорошо изолированы от линий ВЧ сигнала, поэтому необходимо тщательно продумывать топологию схемы для обеспечения надежной изоляции ВЧ и управляющих линий друг от друга. При попадании постоянного напряжения срабатывания в ВЧ тракт может произойти выход из строя ВЧ микрореле и тестирующих систем. Проблема решается с помощью элементов, блокирующих сигналы постоянного напряжения в ВЧ линиях. Другой вариант - с помощью спаренных линий. Благодаря низкому уровню рассеиваемой энергии и небольшому току срабатывания, изоляция ВЧ тракта от управляющих цепей в микрореле осуществляется весьма успешно [2].
Механические свойства. Изготовление балочного подвижного элемента сопровождается практическими трудностями, обусловленными механическими свойствами используемых материалов, например, напряжением в материале. Механическое напряжение в мостовых микрореле определяется, в основном, растяжением, которое составляет порядка 107 Па. Это напряжение меняет константу упругости материала, за счет чего увеличивается пороговое напряжение. Структурные материалы, применяемые для построения микроструктур, должны удовлетворять механическим требованиям: выдерживать высокое разрушающее напряжение, быть устойчивыми к пластическим ?/p>