МЭМС-переключатели как альтернатива традиционным компонентам СВЧ

Эволюция технологий СВЧ-переключателей

Работающие в сфере СВЧ-электроники инженеры всегда нуждались в переключателях, вносящих низкие потери в открытом состоянии и обеспечивающих высокую изоляцию в закрытом состоянии, с высокой допустимой мощностью сигнала и низкой мощностью управления. Первыми переключателями, наиболее полно отвечающими поставленным требованиям, стали электромагнитные реле. После долгих лет совершенствования современные высокочастотные реле обеспечивают низкие потери сигнала во включенном и высокую изоляцию в выключенном состоянии, но им присущи такие недостатки, как большие габариты, высокая стоимость и ограниченный ресурс (от сотен тысяч до десятков миллионов циклов).

Переключатели на PIN-диодах и полевых транзисторах (ПТ) на основе GaAs имеют перед высокочастотными реле ряд преимуществ, заключающихся в высокой скорости срабатывания, малых габаритах и весе, а также низкой мощности управления. Но они вносят в тракт более высокие потери и потому в ряде приложений не могут заменить электромеханические переключатели. Дальнейшие поиски привели к разработке высокочастотных переключателей на основе микроэлектромеханических систем (МЭМС), объединивших некоторые достоинства полупроводниковых и релейных устройств.

Основы технологии МЭМС-переключателей

МЭМС появились в 1970‑е годы как датчики давления, температуры, акселерометры, газовые хроматографы и другие аналогичные приборы. МЭМС изготавливаются методом локального вытравливания подложки (чаще всего кремниевой) и нанесением на образованные конструкции проводящих и диэлектрических материалов. Современные технологии позволяют формировать на подложке не только достаточно сложные механические конструкции размером в единицы или десятки микрон, но и такие электромеханические компоненты, как резонаторы, фильтры, многопозиционные переключатели, управляемые конденсаторы и катушки индуктивности, и это далеко не полный перечень. Первые сообщения о МЭМС-переключателях, разработанных специально для СВЧ-приложений, относятся к началу 1990‑х годов.

Конструктивные особенности

Рис. 1. МЭМС-переключатели:

а) кантилевер с резистивным контактом;

б) мембрана с емкостным контактом.

Подвижная часть МЭМС-переключателя — актюатор — выполняется или в виде закрепленного с одной стороны кантилевера (от англ. cantilever — «кронштейн», «консоль») (рис. 1а), или закрепленной по краям мембраны (рис. 1б). Привод актюатора может быть электростатическим (емкостным), пьезоэлектрическим, электромагнитным или термо­электрическим. Чаще всего используется электростатический привод.

Принципы работы различных типов приводов

В случае электростатического привода на актюаторе и подложке располагаются электроды, на которые подается управляющее напряжение. Под его действием актюатор притягивается к подложке, что вызывает срабатывание переключателя. На актюатор с пьезоэлектрическим приводом наносятся управляющие электроды, разделенные слоем пьезо­электрика. Подача на них управляющего напряжения вызывает изгиб актюатора и срабатывание переключателя. Оба этих привода потребляют небольшую электрическую мощность только в момент срабатывания и ничего не потребляют в стационарном режиме.

Достоинство пьезоэлектрического привода заключается в том, что реверсом управляющего напряжения можно разомкнуть «залипшие» (подвергшиеся микросварке при переключении мощного сигнала) контакты МЭМС-переключателя, а недостаток — в том, что на актюатор надо наносить дополнительное покрытие, что усложняет технологический цикл и требует дополнительного оборудования.

В МЭМС-переключателях с электромагнитным приводом актюатор перемещается за счет магнитного поля, возникающего при протекании тока через управляющий элемент переключателя. Часто таким элементом является нанесенная на подложку планарная катушка индуктивности. Термоэлектрические приводы МЭМС-переключателей используют или просто тепловое расширение актюатора при прохождении управляющего электрического тока, или различие коэффициентов теплового расширения входящих в актюатор материалов. Эти типы приводов могут создавать значительные механические усилия на контактах МЭМС-переключателя, что позволяет переключать сигналы более высокой мощности, но имеют большое время срабатывания и потребляют энергию во включенном состоянии. Электромагнитный и термоэлектрический приводы не получили такого широкого распространения, как электростатический и пьезоэлектрический.

Типы и характеристики контактов

Контакты МЭМС-переключателей бывают двух видов: резистивные «металл–металл» (рис. 1а) и емкостные «металл–диэлектрик–металл» (рис. 1б). Резистивные контакты характеризуются сопротивлением в открытом состоянии Rвкл, которое обычно составляет доли ома, и емкостью в закрытом состоянии Cвыкл, типовое значение которой — единицы фемтофарад. Переключатель с емкостными контактами представляет собой дискретно перестраиваемый конденсатор, причем отношение емкостей во включенном и выключенном состоянии Свкл/Свыкл может достигать 100. Эти переключатели имеют очень малые потери на высоких частотах (0,1 дБ на 40 ГГц) и высокую линейность (более 66 дБм). Их управляющее напряжение может быть снижено, поскольку нет необходимости в большом прижимном усилии актюатора для обеспечения низкого сопротивления контакта. Контактные поверхности должны быть гладкими, т. к. возможные зазоры между ними значительно снижают отношение емкостей Свкл/Свыкл.

Преимущества МЭМС-переключателей

К основным достоинствам МЭМС-переключателей относятся:

1. Очень высокий показатель качества FoM (Figure of Merit). Он рассчитывается по формуле FoM = 1/2πRвклCвыкл, где Rвкл — сопротивление замкнутых контактов, а Cвыкл — емкость разомкнутых. Он соответствует частоте, на которой реактивное сопротивление емкости разомкнутых контактов становится равным активному сопротивлению замкнутых и переключатель перестает управлять уровнем сигнала. Для МЭМС-переключателей FoM составляет 10–20 ТГц, в то время как для полупроводниковых — 250–500 ГГц.
2. Очень высокая линейность. Типичный уровень IP3 для контакта «металл–металл» у МЭМС-переключателей более 75 дБм, а IP2 более 120 дБм. Уровень второй и третьей гармоник при мощности сигнала 20 дБм обычно — 90 дБн. Уровень интермодуляционных продуктов МЭМС-переключателей примерно на 30 дБ ниже, чем у PIN-диодов или ПТ.
3. Очень малое энергопотребление. МЭМС-переключатели с электростатическим или пьезоэлектрическим приводами потребляют энергию 10–100 нДж при срабатывании и ничего не потребляют в стационарном режиме.
4. МЭМС-переключатели могут формироваться на различных подложках, например на кварцевых или стеклянных — для обеспечения ультранизких емкостей, на кремниевых — для сопряжения с микросхемами, на подложках из GaAs или GaN — для сопряжения с СВЧ-транзисторами.
5. Высокая радиационная стойкость.
6. Низкая стоимость при условии массового производства.

Ограничения и недостатки

Вместе с тем МЭМС-переключатели имеют ряд недостатков:

1. Высокое напряжение управления, составляющее иногда десятки вольт. Такое напряжение не проблема для стационарной аппаратуры, но для мобильной может потребоваться DC/DC-преобразователь, потребляющий 50–200 мкВт.
2. По сравнению с полупроводниковыми переключателями, у них относительно большое время срабатывания, обычно до 100 мкс. Чем ниже управляющее напряжение, тем больше время срабатывания.
3. Ограниченный ресурс. МЭМС-переключатели выдерживают до 100 млрд циклов переключения, но ограничение принципиально остается, поскольку в них есть движущиеся механические детали. Нет данных о долгосрочной (в течение нескольких лет) надежности МЭМС.
4. Необходимость герметизации. МЭМС-переключатели должны быть загерметизированы в атмосфере инертного газа. Герметизация технологически сложна, она существенно влияет на надежность и стоимость переключателя.

Сравнение основных технических параметров МЭМС-переключателей с параметрами полупроводниковых переключателей на PIN-диодах и ПТ приведено в табл. 1.

Таблица 1. Главные параметры электронных переключателей

История коммерциализации и основные производители

При кажущейся простоте устройства МЭМС-переключатель очень сложен в разработке и изготовлении. Пионерами работ по созданию МЭМС-переключателей стали такие фирмы, как Analog Devices, Radant MEMS, Teledyne Scientific, HRL, Motorola, IBM и Teravicta. Всего до 2010‑х гг. в работе над МЭМС-переключателями приняли участие около 25 фирм и лабораторий со всего мира, но их попытки создать коммерческие МЭМС-переключатели оказались тщетными по ряду причин, в частности из-за того, что переключатели не были корпусированы.

Прорыв Omron

Рис. 2. Примеры промышленного исполнения МЭМС-переключателей:

а) модель 2SMES-01 производства компании Omron, использующая электростатический привод;

б) переключатель фирмы Advantest на основе пьезоэлектрического привода.

Первой успешной компанией оказалась японская Omron, выпустившая в 2009 г. корпусированный переключатель 2SMES‑01 (рис. 2а), на практике показавший высокие параметры. Второй стала в 2012 г. также японская компания Advantest, которая разработала МЭМС-переключатель с пьезо­электрическим приводом и управляющим напряжением 12 В (рис. 2б).

Технологические вызовы

Однако довести свои проекты до коммерциализации удалось лишь немногим фирмам из-за ряда возникающих при разработке проблем:

1. Механические напряжения в конструкции. Актюатор должен передавать на контакты усилие 100–1000 мкН, преодолевая как остаточные производственные, так и возникающие при эксплуатации переключателя в широком диапазоне температур механические напряжения элементов конструкции.
2. Герметизация. Надежно работать может только правильно герметизированный МЭМС-переключатель. Герметизация проводится при относительно высоких температурах (+280…+500°С) после чистки и заполнения объема переключателя азотом или аргоном. Переключатель должен выдерживать эти температуры без деформации или размягчения корпуса.
3. Выбор материалов. Для контактов предпочтительны материалы с высоким коэффициентом жесткости, поскольку у них низкая адгезия. Но жесткие материалы требуют довольно большого усилия (более 400 мкН) для обеспечения низкого сопротивления контакта. Для контактов широко используется рутений и такие сплавы золота, как AuNi и AuCo. Чистое золото, обеспечивающее низкое сопротивление при малом усилии на контактах, практически не используется, т. к. оно слишком мягкое, имеет высокую адгезию и низкую температуру плавления.
4. Неконтролируемые электростатические заряды. В конструкции актюатора диэлектрические материалы должны использоваться в минимальном объеме для снижения неконтролируемых электростатических сил.
5. Эффект ползучести. Металлические актюаторы подвержены деформации из-за ползучести материала. При длительном включении снижается жесткость пружины актюатора, в результате переключатель может отказать.
6. Обеспечение высокочастотных свойств. Подложка, корпус, контакты проектируются так, чтобы обеспечить минимальные потери СВЧ-сигнала и максимальную изоляцию, для этого необходимо компьютерное моделирование.

Успешные коммерческие реализации

Переключатель Omron 2SMES-01

В качестве примера можно привести уже упоминавшийся МЭМС-переключатель 2SMES‑01 фирмы Omron. Мембрана этого переключателя выполнялась по технологии «кремний на изоляторе» (SoI) и не имела характерной для металлов ползучести. Герметизация на уровне пластины проводилась при температуре +500°С по технологии спекания стекла (рис. 3). Для формирования SPDT-переключателя в керамическом SMD-корпусе размещались два МЭМС-переключателя. На частоте 10 ГГц вносимые потери составляли менее 1 дБ, а изоляция — более 40 дБ.

Рис. 3. МЭМС-переключатель фирмы Omron с герметизированной стеклянной пластиной

Результаты испытаний надежности

Ресурс переключателя проверялся в двух режимах:

• В режиме «холодной» коммутации (без сигнала во время переключения);
• В режиме «горячей» коммутации (без отключения сигнала).

В режиме «холодной» коммутации 2SMES‑01 выдерживали:

• 1 млрд циклов при уровне сигнала 10 мВт;
• 100 млн циклов при уровне сигнала до 5 Вт.

В режиме «горячей» коммутации:

• 100 млн циклов при мощности сигнала до 300 мВт;
• 50 млн циклов при мощности сигнала 500 мВт;
• 5 млн циклов при мощности 1 Вт.

Все испытания проводились на частоте сигнала 2 ГГц. Переключатели продемонстрировали также очень высокую линейность с IP3 более 72 дБм и IP2 более 120 дБм. Вторая и третья гармоники были менее –100 дБн и –90 дБн соответственно при мощности сигнала 20 дБм на частоте 2 ГГц.

Продукция Radant MEMS

Фирма Radant MEMS выпускает несколько моделей МЭМС-переключателей структуры SPST:

• RMSW200HP и RMSW201 для диапазона частот 0–40 ГГц;
• RMSW100HP для диапазона 0–12 ГГц.

Рис. 4. МЭМС-переключатель фирмы Radant MEMS с герметизированной пластиной

Переключатели изготавливаются на подложке из высокоомного кремния (рис. 4) и герметизируются спеканием стекла при температуре +500°С. Они предназначаются для монтажа на плату разваркой микропроводников. Основные характеристики:

• Сопротивление замкнутых контактов не более 1 Ом;
• Емкость разомкнутых контактов около 20 фФ;
• Управляющее напряжение 40–90 В.

Характеристики моделей:

• RMSW200HP: потери не более 0,2 дБ на 2 ГГц и 0,5 дБ до 38 ГГц, изоляция не менее 20 дБ на 10 ГГц и 13 дБ на 40 ГГц;
• RMSW201: изоляция 23 дБ на 10 ГГц и 18 дБ на 36 ГГц;
• RMSW100HP: потери 0,15 дБ на 2 ГГц, 0,18 дБ на 4 ГГц и 0,24 дБ на 10 ГГц, изоляция 25 дБ на 2 ГГц и 20 дБ на 10 ГГц.

Развитие технологий герметизации

Как видно из рассмотрения рис. 3 и 4, переключатели фирм Omron и Radant MEMS герметизируются наложением пластин одна на другую (wafer-to-wafer): сначала на несущей подложке изготавливается сам переключатель, а затем на него накладывается герметизирующая пластина.

Позже была разработана технология герметизации на уровне пластины (wafer-level), заключающаяся в формировании над переключателем герметичного купола нанесением слоев металла или диэлектрика (рис. 5). Эта технология позволяет снизить габариты и стоимость МЭМС-переключателя, поскольку герметизация выполняется одновременно с его изготовлением и не требует дополнительной пластины. Сегодня эта технология успешно применяется рядом фирм, в частности RFMD и MEMtronics.

Рис. 5. Герметизация МЭМС защитным куполом

Проблема ресурса и ее решение

Одной из проблем МЭМС-переключателей был и отчасти остается их ресурс, зависящий от переключаемой мощности. В начале 2000‑х гг. ресурс составлял:

• 10 млрд циклов при токе 2 мА;
• 1000 циклов при токе 20 мА;
• 10 циклов при токе 300 мА.

Сегодня надежность существенно повысилась:

• 100 млрд циклов в «холодном» режиме;
• 1 млрд циклов при коммутируемом токе 500 мА.

МЭМС-переключатели с емкостными контактами демонстрируют более высокую износостойкость, выдерживая миллиард циклов срабатывания в «горячем» режиме при мощности сигнала 5 Вт.

Повышение надежности при "горячей" коммутации

Рис. 6. Схема ограничения уровня сигнала в момент срабатывания МЭМС-переключателя

Для управления уровнем сигнала можно использовать схему ограничения на двух диодах (рис. 6). В момент срабатывания МЭМС-переключателя на диоды подается нулевое напряжение, в этом случае они ограничивают сигнал на уровне ±0,5 В. В остальное время для предотвращения ограничения сигнала диоды надо запереть напряжениями, превосходящими его максимальное и минимальное значения.

Инновационные разработки в области управления

Низковольтные решения

В канадском университете University of Windsor создан МЭМС-переключатель с рекордно низким напряжением управления:

• Напряжение срабатывания 0,5 В;
• Напряжение отпускания 0,3 В;
• Время срабатывания 0,5 мс;
• Ресурс около 10 000 циклов;
• Изоляция 27 дБ и потери 0,1 дБ на частотах до 3 ГГц.

Конструктивные особенности:

• Золотой актюатор толщиной 2 мкм;
• Спиральная пружина длиной 700 мкм и шириной 30 мкм;
• Множество отверстий в пластине актюатора;
• Зазор между актюатором и выходной линией 1,5 мкм;
• Общие размеры 1264×635 мкм.

Бистабильный электромагнитный переключатель

Специалисты университета Louisiana State University предложили концепцию бистабильного электромагнитного МЭМС-переключателя мощных сигналов с низким напряжением управления. Особенности конструкции:

• Копланарный волновод с подвижными земляными линиями;
• Управление с помощью силы Лоренца;
• Фиксация положения за счет сил упругости;
• Изоляция элементов с помощью диэлектрического покрытия.

Перспективные области применения

Мобильная связь

Перспективным и емким для МЭМС-переключателей является рынок мобильной связи. При переключении антенных цепей и их согласовании с выходным усилителем мощности в диапазоне частот 0,7–2,7 ГГц в смартфонах поколения 4G LTE эти переключатели обеспечивают более низкие потери, чем полупроводниковые. По оценке фирмы Cavendish Kinetics, применение МЭМС-переключателей позволяет снизить потери мощности в антенных цепях смартфонов до 1 дБ.

Специализированные применения

Есть области применения МЭМС-переключателей, где другие технологии не конкурентны:

1. Автоматизированное тестовое оборудование (АТЕ):

• Требования очень низких потерь сигнала;
• Очень высокая изоляция;
• МЭМС-переключатели с ресурсом до 100 млн циклов являются единственной заменой реле.

1. Широкополосные измерительные приборы:

• Анализаторы спектра;
• Анализаторы широкополосных сигналов;
• Анализаторы цепей.

1. Переключательные матрицы и многопозиционные переключатели:

• Коммерческое и военное применение;
• Особенно актуально для спутниковой аппаратуры;
• Снижение веса оборудования.

1. Переключательные элементы фазовращателей:

• Применение в АФАР;
• Более низкие потери сигнала по сравнению с PIN-диодами или GaAs-транзисторами.

Примеры реализации сложных устройств

Переключательная матрица 18A7NF-1

Рис. 7. Матричный переключатель сигналов 18A7NF-1 от Renaissance Electronic Corporation

Прибор разработан фирмой Renaissance Electronic Corporation в 2007 г. (рис. 7). Характеристики:

• Матрица размерностью 8х8;
• 80 МЭМС-переключателей;
• Ресурс 100 млрд циклов;
• Мощность в "холодном" режиме 33 дБм;
• Мощность в "горячем" режиме 10 дБм;
• Диапазон частот 0–2,5 ГГц;
• Вносимые потери 6 дБ;
• Изоляция 40 дБ;
• Время переключения 50 мкс;
• Напряжение управления 5 В;
• Размеры 200×190×71 мм.

Разработки RF Microtech

Рис. 8. МЭМС-переключатели от RF Microtech:

а) DPDT;

б) SP4T;

в) SPDT

Компания производит различные МЭМС-переключатели (рис. 8) и приборы на их основе:

1. МЭМС-переключатели:

• DPDT: 0–40 ГГц, потери до 2 дБ, изоляция до 40 дБ;
• SP4T: 0–33 ГГц, потери до 1,2 дБ, изоляция до 30 дБ;
• SPDT: 0–35 ГГц, потери 1,3 дБ, изоляция до 35 дБ.

1. Переключатели сигналов в приборном исполнении (рис. 9):

• SPDT: 0–10 ГГц, потери до 1,4 дБ, изоляция >20 дБ, мощность до 2 Вт;
• SP4T: 0–2 ГГц, потери до 2 дБ, изоляция >30 дБ, мощность до 2,5 Вт;
• SP16T: 0–10 ГГц, потери <3,8 дБ, изоляция >24 дБ.

Рис. 9. Модульные переключатели сигналов фирмы RF Microtech:

а) SPDT;

б) SP4T;

в) SP16T

Развитие МЭМС-технологий в России

В России создано несколько современных производств МЭМС в Нижнем Новгороде, Санкт-Петербурге, Курске и Новосибирске. Исследовательские работы проводятся также в некоторых вузах.

Разработки курских предприятий

Рис. 10. МЭМС-переключатель совместной разработки РАМЭМС и «Совтест АТЕ»

«Совтест АТЕ» и РАМЭМС совместно разработали три модели электростатических МЭМС-переключателей с резистивным контактом (рис. 10) для частот от 5, 30 и 75 ГГц. Особенности конструкции:

• Кремниевая подложка;
• Герметизация стеклянной крышкой;
• Отсутствие диэлектрических материалов в системе управления;
• Две пары последовательных контактов для высокой изоляции;
• Напряжение управления 5 В благодаря большой площади электродов;
• Допустимая мощность сигнала 5 Вт;
• IP3 составляет 65 дБм.

Основные частотные параметры этих переключателей приведены в табл. 2.

Таблица 2. Параметры МЭМС-переключателей разработки РАМЭМС и «Совтест АТЕ»

Разработки МИЭТ

Кафедрой микроэлектроники МИЭТ (г. Зеленоград) разработан МЭМС-переключатель со следующими характеристиками:

• Управляющее напряжение: 5, 12, 27, 60 В;
• Коммутируемый ток: 10^-6–1 А;
• Коммутируемое напряжение: 10^-2–100 В;
• Сопротивление контактов не более 0,3 Ом;
• Количество циклов коммутации не менее 10^8;
• Время срабатывания не более 5 мс;
• Сопротивление изоляции не менее 10^9 Ом.

Переключатели помещаются в металлостеклянный корпус. Серийно они не производятся, но в случае заказа предприятие может изготовить необходимую партию.

Другие производители

Изготовление МЭМС-переключателей на заказ предлагает также ЗАО «МЦКП» (Санкт-Петербург). Согласно данным прошедшего в 2015 г. МЭМС-форума, возможности производства значительно превышают спрос на изделия МЭМС-технологий в России. Потребность в МЭМС пока что может быть полностью удовлетворена работой даже одной из имеющихся фабрик.

Заключение

МЭМС-переключатели имеют в диапазоне СВЧ ряд преимуществ перед такими традиционными переключательными компонентами, как PIN-диоды и полевые транзисторы. Прежде всего, это:

• Хорошая изоляция в закрытом состоянии;
• Низкие вносимые потери в открытом состоянии;
• Высокая мощность коммутируемого сигнала;
• Низкое энергопотребление;
• Устойчивость к радиационным воздействиям;
• Невысокая стоимость в условиях массового производства;

Присущая этим приборам проблема ограниченной надежности успешно преодолевается, и уже сейчас их ресурс может составлять миллиард циклов в режиме «горячей» коммутации. Удачное сочетание свойств МЭМС-переключателей не оставляет сомнений в перспективности их применения в СВЧ-аппаратуре как коммерческого, так и специального назначения.