Рч мемс-перемикач

1. РЧ МЕМС-перемикач, що містить мікромеханічний перемикальний пристрій, виконаний з можливістю приведення в дію між двома положеннями: першим положенням (відключений стан) і другим положенням (включений стан), і активуючий пристрій, призначений для приведення перемикального пристрою у відповідне положення, причому мікромеханічний перемикальний пристрій містить гнучку мембрану (6), підтримувану опорним пристроєм (3) і виконану з можливістю згинатися під впливом активуючого пристрою (7), який відрізняється тим, що гнучка мембрана (6) є вільно підтримуваною опорним пристроєм і виконана з можливістю вільно ковзати відносно опорного пристрою (3) під час свого переміщення вигину. 2. РЧ МЕМС-перемикач за п. 1, який відрізняється тим, що при розімкненому перемикачі гнучка мембрана (6) знаходиться в стані спокою в одному з двох, першому або другому, положень, переважно, - в першому положенні (відключений стан). 3. РЧ МЕМС-перемикач за п. 2, який відрізняється тим, що містить електростатичний пристрій (4) для утримання мембрани (6) в стані спокою. 4. РЧ МЕМС-перемикач за будь-яким з пп. 1-3, який відрізняється тим, що мембрана (6) є ємнісним перемикальним елементом. 2 (19) 1 3 Заявлений винахід відноситься до радіочастотних (РЧ) перемикачів, виконаних за допомогою мікроелектромеханічних систем (МЕМС). Рівень техніки Мікроелектромеханічні системи (МЕМС) в даний час широко використовуються в радіочастотних (РЧ) комунікаційних системах, наприклад, у фазованих антенних гратах, фазообертачах, елементах, що перемикаються та настроюються, і т.д. РЧ МЕМС-перемикачі, по суті, є мініатюрними пристроями із застосуванням механічного переміщення, викликаного електричною дією, з метою замикання або розмикання ланцюга в РЧ лінії передачі. Таким чином, РЧ МЕМС-перемикачі, по суті, містять два окремі пристрої: - мікромеханічний пристрій, який, загалом, буде називатись «перемикальним пристроєм», і який може бути приведений в два різні положення: положення відключення, відповідне відключеному стану перемикача, тобто стану, при якому лінія передачі розімкнена і не може бути використана для передачі РЧ сигналу, і положенню увімкнення, відповідному включеному стану перемикача, тобто стану, при якому лінія передачі «замкнута» і може бути використана для передачі РЧ сигналу; - електричний пристрій, який буде, загалом, називатись «активуючим пристроєм»; причому вказаний активуючий пристрій звичайно служить для створення сили, що додається до механічних перемикальних пристроїв, щоб перевести останні в положення увімкнення та/або в положення відключення. РЧ МЕМС-перемикачі можна розділити на декілька категорій залежно від вживаних електричних активуючих пристроїв, а саме, електростатичні, електромагнітні, п'єзоелектричні або електротермічні активуючі пристрої. Електростатична активація є основним, використовуваним на сьогодні, технічним засобом, оскільки вона дозволяє досягати коротшого часу перемикання (звичайно менше 200 мкс) і, практично, нульового споживання енергії. Крім того, в конструкції РЧ МЕМС-перемикачів можуть бути скомбіновані різні технології активації (наприклад, електростатичне блокування напруги може бути скомбіноване з термічним приводом). РЧ МЕМС-перемикачі можна також розділити на дві категорії залежно від типу контакту, використовуваного для перемикання лінії передачі, а саме, «перемикачі з контактом метал-метал» або «перемикачі з ємкісним контактом». Так звані перемикачі з контактом метал-метал (також звані «перемикачі з омічним контактом») звичайно використовують для перемикання сигналу в діапазоні від постійного струму до 60 ГГц. Ємкістні перемикачі використовують в основному для перемикання РЧ сигналу в діапазоні 6 ГГц - 120 ГГц. В даний час РЧ МЕМС-перемикачі можна також підрозділити на дві основні категорії залежно від конструкції мікромеханічного перемикального пристрою. Перша основна категорія включає РЧ МЕМСперемикачі, мікромеханічний перемикальний пристрій яких містить гнучку мембрану, прикріплену до підкладки перемикача. Друга категорія включає 94039 4 РЧ МЕМС-перемикачі, мікромеханічний перемикальний пристрій яких містить ненавантажений жорсткий стрижень, вільно встановлений на підкладці перемикача. РЧ МЕМС-перемикачі з гнучкою прикріпленою мембраною У першій конфігурації гнучка мембрана прикріплена до підкладки з обох кінців і, таким чином, утворює місток. МЕМС-перемикачі, в яких як перемикальний елемент використаний гнучкий місток, розкриті, наприклад, в наступних патентних документах: патентній заявці США No 2004/0091203, патенті США No 6,621,387, європейській патентній заявці ЕР 1 343 189, заявці РСТ WO 2004/076341. У другій конфігурації гнучка мембрана прикріплена до підкладки тільки з одного кінця і, таким чином, утворює консоль. МЕМС-перемикачі, в яких як перемикальний елемент використана консоль, розкриті, наприклад, в патенті США No 5,638,946. Використання РЧ МЕМС-перемикачів, що мають як перемикальний елемент прикріплену гнучку мембрану (місток або консоль), має наступні основні недоліки. Ці перемикачі є дуже чутливими до змін температури і до механічних та/або термічних деформацій підкладки (перший основний недолік). В процесі активації, коли прикріплена перемикальна мембрана деформується під впливом сили, створеної активуючим пристроєм, ця мембрана піддається високому механічному навантаженню, яке, у свою чергу, значно скорочує термін служби такого РЧ МЕМС-перемикача (другий основний недолік). РЧ МЕМС-перемикачі, що мають ненавантажений і жорсткий стрижень РЧ МЕМС-перемикачі, що мають ненавантажений і жорсткий стрижень, розкриті, наприклад, в європейській патентній заявці ЕР 1489 639. У цій публікації перемикальний елемент є жорстким стрижнем, який може вільно переміщатися між положенням увімкнення і положенням вимкнення в площині, паралельній підкладці. У іншому варіанті жорсткий стрижень може бути плаваючим стрижнем, який може вільно переміщатися між положенням увімкнення і положенням відключення в напрямі, перпендикулярному підкладці. У цьому типі перемикачів успішно усунені вказані вище недоліки РЧ МЕМС-перемикачів, що мають прикріплену перемикальну мембрану. У свою чергу у цих РЧ МЕМС-перемикачів, що мають ненавантажений і жорсткий стрижень, час перемикання (тобто час, необхідний для переміщення перемикального стрижня між положенням увімкнення і положенням відключення) довший. Крім того, вони є чутливішими до механічних струсів або вібрацій. Цілі винаходу Головною метою заявленого винаходу є створення нової конструкції РЧ МЕМС-перемикача. Додатковою метою заявленого винаходу є створення нового РЧ МЕМС-перемикача, в якому усунені вказані вище недоліки РЧ МЕМСперемикачів, що використовують прикріплену гнучку мембрану. 5 Додатковою метою заявленого винаходу є створення нового РЧ МЕМС-перемикача, з коротким часом перемикання в порівнянні з вищезгаданими РЧ МЕМС-перемикачами, що мають ненавантажений і жорсткий стрижень. Додатковою метою заявленого винаходу є створення нового РЧ МЕМС-перемикача, менш чутливого до механічних струсів і вібрацій в порівнянні з вищезгаданими РЧ МЕМС-перемикачами, що мають ненавантажений і жорсткий стрижень. Суть винаходу Щонайменше, основної вищезгаданої мети досягають за допомогою РЧ МЕМС-перемикача згідно п. 1. РЧ МЕМС-перемикач згідно винаходу містить: - мікромеханічний перемикальний пристрій, виконаний з можливістю приведення в дію між двома положеннями: першим положенням (відключений стан) і другим положенням (включений стан), і - активуючий пристрій, призначений для приведення перемикального пристрою у відповідне положення. Згідно одній головній новій ознаці заявленого винаходу мікромеханічний перемикальний пристрій містить гнучку мембрану, вільно підтримувану опорним пристроєм, і здатну відгинатися під впливом активуючого пристрою і вільно ковзати щодо опорного пристрою (3) під час свого переміщення вигину. Використаний тут (у описі і у формулі винаходу) вираз «вільно підтримувана» означає, що перемикальна мембрана може вільно ковзати щодо опорного пристрою під час перемикального переміщення мембрани між положенням відключення і положенням увімкнення. Короткий опис креслень Інші ознаки і переваги заявленого винаходу будуть зрозуміліші з подальшого докладного опису, приведеного з використанням невичерпного і необмежуючого прикладу, і з посиланнями на креслення, що додаються, на яких: на фіг. 1 представлений в розрізі (у площині I-І на фіг.3) вид ємкісного РЧ МЕМС-перемикача згідно винаходу, причому перемикач знаходиться у відключеному стані на фіг. 2 представлений в розрізі вид перемикача, показаний на фіг. 1, причому перемикач знаходиться у включеному стані на фіг. 3 представлений вигляд зверху ємкісного РЧ МЕМС-перемикача, показаного на кресленнях, і на фіг. 4 представлений в розрізі вид перемикача в процесі його виготовлення, безпосередньо перед останнім кроком звільнення. Докладне розкриття На фіг. 13 показаний ємкісний РЧ МЕМСперемикач, виконаний відповідно до переважного варіанту здійснення заявленого винаходу. Проте, для більшої ясності слід розуміти, що об'єм заявленого винаходу не обмежений лише ємкісним РЧ МЕМС-перемикачем, але включає також РЧ МЕМС-перемикачі з омічним контактом. Ємкісний РЧ МЕМС-перемикач згідно фіг. 1-3 має нову конструкцію, яка далі буде розкрита детально, і може 94039 6 бути виготовлений з використанням традиційних способів мікрообробки поверхні. Представлений на фіг. 1 РЧ МЕМС-перемикач містить плату 1 (наприклад, виготовлену з кремнію), утворюючу підкладку перемикача. На поверхню вказаної плати 1 нанесений тонкий діелектричний шар 2. На діелектричному шарі 2 перемикач містить: - два віддалених один від одного і паралельних бічних опорних елементи 3, що проходять в поперечному напрямі згідно фіг. 1 (див. фіг. 3 напрям Y). - один центральний опорний елемент 4, що проходить в напрямі, по суті, паралельному основному напряму бічних опорних елементів 3 (тобто в поперечному напрямі згідно фіг. 1 - див. фіг. 3), причому вказаний центральний опорний елемент 4 розташований між двома бічними опорними елементами 3 і, переважно, посередині між бічними опорними елементами 3. У протилежність бічним опорним елементам 3 верхня поверхня центрального опорного елементу 4 покрита тонким діелектричним шаром 5. Два бічні опорні елементи 3 і діелектричний шар 2 утворюють компланарний хвилевід (КПХ), причому два бічні опорні елементи 3 відповідають лініям заземлення. Центральний опорний елемент 4 утворює лінію сигналу, призначену для передачі РЧ електричного сигналу по компланарному хвилеводу (КПХ). Бічні і центральні опорні елементи 3, 4 виконані, наприклад, з такого металу, як золото. Діелектричний матеріал для шарів 2 і 5 може бути будьяким матеріалом, і, зокрема, полімером з дуже низькою електричною провідністю. Наприклад, діелектричні шари 2 і 5 виконують з нітриду кремнію. РЧ МЕМС-перемикач додатково містить ємкісний перемикальний елемент, утворений тонкою гнучкою мембраною б, що виконана з металу, наприклад такого, як алюміній, золото або будь-який провідний сплав. Гнучка перемикальна мембрана 6 вільно підтримується, щонайменше, бічними опорними елементами 3. Представлена на фіг. 3 гнучка перемикальна мембрана 6 має основну центральну частину 6а і дві протилежні кінцеві ділянки у формі пластинок 6Ь. У конкретному варіанті здійснення, представленому на кресленнях, центральна частина 6а є прямокутною і проходить в поперечному напрямі (X) над бічними опорними елементами 3. Пластинки 6b в поперечному напрямі (Y) опорних елементів 3 мають розмір (Е) який перевищує ширину (e прямокутної частини 6а. Форма гнучкої мембрани 6 для заявленого винаходу неістотна. Кожен опорний елемент 3 додатково містить в своїй верхній частині перемичку За з формуванням проходу 3d, в якому вільно встановлена центральна частина 6а мембрани. Пластинки 6b мембран в поєднанні з перемичкою 3а служать засобами кріплення для утримання мембрани на опорних елементах 3, не перешкоджаючи вільному переміщенню мембрани 6 щодо опорних елементів 3 в процесі нормальної експлуатації перемикача. 7 РЧ МЕМС-перемикач додатково містить електростатичний активуючий пристрій, призначений для вигинання мембрани 6 і утворений двома бічними закритими електродами 7. У переважному варіанті здійснення, представленому на фіг. 1 - 3, закриті електроди переважно розташовані зовні компланарного хвилеводу (КПХ) під двома пластинками 6b перемикальної мембрани 6. Верхня поверхня кожного з електродів 7 покрита діелектричним шаром 8 для запобігання будь-якому омічному контакту між пластинками 6b мембрани і електродами 7. Діелектричний шар 8 може бути замінений будь-яким аналогічним засобом, що дозволяє уникнути омічного контакту між пластинками мембрани 6b і електродами 7. Відключений стан На фіг. 1 показана конфігурація РЧ МЕМСперемикача у відключеному стані. У даній конфігурації відключеного стану ніякий електричний активуючий сигнал на електроди 7 не поступає. У відключеному стані мембрана 6 перемикача знаходиться в стані спокою і у контакті з діелектричним шаром 5. Лінія 4 сигналу розімкнена і не може пропускати по компланарному хвилеводу (КПХ) ніякий РЧ сигнал. Переважно, на центральний опорний елемент 4 подається сигнал постійного струму, призначений для додатку до мембрани 6 малої електростатичної сили (F1) і підтримки хорошого контакту між мембраною 6 і діелектричним шаром 5. Вказана напруга постійного струму відключеного стану переважно може бути дуже низькою (низьке споживання). Цей підмагнічуючий сигнал постійного струму також ефективний в тому випадку, якщо між електричним шаром 5 і мембраною 6 буде дуже маленький початковий зазор, коли мембрана знаходиться в стані спокою. В цьому випадку напруга підмагнічуючого сигналу постійного струму повинна бути достатньою для додатку контактної сили F1 (фіг. 1) до центральної частини мембрани 6, що перевершує протилежно направлену силу, яка діє на мембрану, що знаходиться в стані спокою. У відключеному положенні мембрана 6 переважно підтримується в стійкому положенні трьома опорними елементами 3, 4 і, отже, є менш чутливою до механічних вібрацій або струсів в порівнянні з РЧ МЕМС-перемикачами, в яких використаний ненавантажений жорсткий стрижень (публікація ЕР1 489 639). Переважно, коли мембрана 6 знаходиться в положенні відключення, між пластинками 6b і перемичкою За бічних опорних елементів 3 все ще залишається малий зазор [фіг. 3 - розміри (d)]. Отже, опорні елементи 3 тільки підтримують мембрану 6 у вертикальному напрямі (напрям Ζ на фіг. 1) і не прикладають ніякого механічного зусилля до мембрани в площині (Χ, Υ). Отже, в мембрані б не викликається ніякої механічної напруги з боку бічних опорних елементів 3, коли мембрана 6 знаходиться в положенні вимкнення. Включений стан На фіг. 2 показана конфігурація РЧ МЕМСперемикача у включеному стані. У цій конфігурації включеного стану мембрана 6 вигнута в напрямі, 94039 8 протилежному підкладці 1, і більше не знаходиться у контакті з діелектричним шаром 5; лінія РЧ сигналу може бути використана для передачі РЧ сигналу. У цьому зігнутому стані жорсткість мембрани в напрямі поза площиною підвищена, що в свою чергу підвищує стійкість перемикальної мембрани 6 до вібрацій і струсів. З вимкненого стану у включений стан Для отримання конфігурації включеного стану до електродів 7 прикладають сигнал постійного струму з метою створення електростатичних сил (F2) між електродами 7 і пластинками 6Ь мембрани. Вказані електростатичні сили F2 у поєднанні з бічними опорними елементами 3 викликають таке вигинання мембрани (фіг. 2), що центральна частина 6а мембрани 6 відсовується від діелектричного шару 5 (замикаючи лінію РЧ сигналу). Слід зазначити, що під час такого перемикального переміщення мембрани 6 (а також під час зворотного перемикального переміщення з включеного стану у вимкнений стан) мембрана 6 абсолютно вільно ковзає щодо опорних елементів 3 усередині проходів 3d вказаних опорних елементів 3. Завдяки такому вільному переміщенню мембрани 6 під час операцій перемикання, в мембрані 6 викликається менша механічна напруга з боку опорних елементів 3 в порівнянні з відомими з рівня техніки РЧ перемикачами, в яких мембрана (місток або консоль) закріплена на опорній системі. Таким чином, усуваються механічна втома і повзучість металу, що виникає при циклічних навантаженнях в крайніх ділянках мембрани 6, і термін служби мембрани значно підвищується в порівнянні з відомими з рівня техніки РЧ перемикачами, в яких використовується прикріплена до підкладки мембрана. Завдяки тому, що мембрана 6 рухається вільно щодо опорних елементів, при дії на РЧ МЕМСперемикач змін температури розширення і повернення в початковий стан перемикальної мембрани 6 не спричиняє за собою додаткового прогину мембрани. Таким чином, РЧ МЕМС-перемикач згідно винаходу не є температурно-залежним на відміну від відомих з рівня техніки РЧ МЕМСперемикачів, в яких використовується прикріплена до підкладки мембрана. Крім того, завдяки використанню абсолютно вільної мембрани 6 ця конструкція не залежить від кривизни підкладки (плата). Зокрема, малі деформації підкладки 1, що виникли, наприклад, під впливом змін температури або інших механічних напруг або в процесі її виготовлення, не зроблять негативного впливу на операції перемикання. Отже, РЧ МЕМС-перемикач згідно винаходу є менш чутливим до деформацій підкладки в порівнянні з відомими з рівня техніки РЧ перемикачами, в яких використовується прикріплена до підкладки мембрана. Звичайно, в МЕМС-перемикачах, місткостей, часто трапляється, що перемикальний елемент прилипає до діелектричного шару у відключеному стані із-за наявності вологи або електростатичного заряду діелектричного шару. У перемикачі згідно 9 винаходу, завдяки застосуванню активуючої сили (електростатична сила F2) для переміщення мембрани 6 в положення увімкнення, проблема прилипання мембрани до діелектричного шару 5 вирішена. З увімкненого стану у вимкнений стан Коли що приводить в увімкнений стан сигнал постійного струму електродів 7 нижче заданого порогу (напруга відключення), то до країв (пластинкам 6Ь) мембрани 6 більше не прикладені електростатичні активуючі сили F2, і мембрана 6 відгинається назад в положення відключення, показане фіг. 1. Переміщення мембрани 6 з положення увімкнення (фіг. 2) в положення вимкнення (фіг. 1) викликане силою пружності мембрани 6, що має місце завдяки природній жорсткості мембрани 6. Завдяки використанню природної жорсткості мембрани, переміщення з включеного стану у вимкнений стан відбувається дуже швидко і не вимагає високих витрат електроенергії. Таким чином, час перемикання (з положення увімкнення в положення вимкнення у разі конкретного прикладу здійснення на фіг. 1 - 3) РЧ МЕМС-перемикача згідно винаходу є дуже коротким і не вимагає ніяких витрат електроенергії в порівнянні з РЧ МЕМС-перемикачами, в яких використаний ненавантажений жорсткий перемикальний стрижень (публікація ЕР 1 489 639). Фіг. 4 / процес виготовлення РЧ МЕМС-перемикач, зображений фіг. 1 - 3, може бути виготовлений з використанням традиційних технологій мікрообробки поверхні (тобто за допомогою нанесення і структуризації декількох шарів на плату). На фіг. 4 представлений РЧ МЕМС-перемикач відразу після процесу виготовлення і перед кроком звільнення. Були використані три жертвенні шари 9, 10 і 11. Ці жертвенні шари можуть бути виконані з будь-якого матеріалу (металу, полімеру, діелектричного матеріалу). Один перший жертвенний шар 9 служить для нанесення мембрани 6 на діелектричний шар 2. На останньому кроці звільнення при видаленні жертвеного шару 9 звільняються пластинки 6b мембрани 6 і частина мембрани 6, розташована між бічними опорними елементами. Інші захисні шари 10 і 11 служать для звільнення мембрани 6 від діелектричного шару 5 і від бічних опорних елементів 3 (лінії заземлення). В ході процесу виготовлення відстань між мембраною 6 і діелектричним шаром 5 (тобто товщина жертвенного шару 10) дуже мала. Звичайно ця відстань менше 0,1 мкм. Цим, переважно, обумовлено те, що профіль мембрани 6 і профіль діелектричного шару 5 однакові. Оскільки у вимкненому стані мембрана знаходиться в стані спокою і не деформована, а профіль мембрани 6 і профіль діелектричного шару 5 однакові, то у вимкненому положенні мембрани б між мембраною і 94039 10 діелектричним шаром 5 забезпечується ідеальний контакт поверхонь. Винахід не обмежений переважним варіантом здійснення, представленим фіг. 1-3, але може бути поширено на всі РЧ МЕМС-перемикачі, що містять гнучку перемикальну мембрану, яка вільно підтримується на підкладці за допомогою опорних елементів або подібних їм, і яка може вигинатися під впливом приводного пристрою. Активуючий пристрій переважно, але не обов'язково є електростатичним пристроєм. Винахід дозволяє створити місткістю РЧ МЕ:МС-перемикач, що має дуже низькі параметри активуючого пристрою, дуже швидке перемикання і покращувані робочі РЧ характеристики. Винахід конкретніший призначено і представляє основний інтерес для створення ємкісного РЧ МЕМСперемикачів, які можна використовувати при дуже високій частоті радіосигналу і, особливо, для радіочастот більше 25 ГГц. Проте винахід не обмежений тільки ємкісними РЧ МЕМС-перемикачами, але може також бути використано для створення РЧ МЕМС-перемикачів з омічними контактами (також звичайно названі «РЧ МЕМС-перемикачі з контактом метап-метал»). В РЧ МЕМС-перемикачах з омічними контактами згідно винаходу гнучка і вільно підтримувана мембрана 6, наприклад, виконана так, щоб створювати в положенні увімкнення замикання між одним першим металевим контактом, розташованим між бічними опорними елементами 3, і другим металевим контактом, який, наприклад, може постійно знаходитися в зіткненні з мембраною 6. У положенні відключення мембрана не стикається з вказаним першим металевим контактом. У разі РЧ МЕМС-перемикача, місткості, діелектричний шар 5 може знаходитися на мембрані 6, а не обов'язково на лінії 4 сигнали. У альтернативному варіанті діелектричний шар може знаходитися як на лінії 4 сигнали, так і на мембрані 6. У переважному варіанті здійснення, представленому на фіг. 1-3, електроди 7, що приводять, розташовані під мембраною 6 (тобто між діелектричним шаром 2 і мембраною 6) і за межами компланарного хвилеводу (КПХ), утвореного бічними опорними елементами 3. Дане розташування електродів має наступні переваги. У конфігурації включеного стану не існує небезпеки взаємодії між електростатичними силами (F2), використовуваними для приведення в певне положення мембрани 6, і РЧ сигналом, що передається по компланарному хвилеводу. Отже, поверхня електродів 7 може бути великою, і, у свою чергу, «напруга включеного стану», що прикладається до електродів 7, може бути дуже низькою. Дане розташування електродів 7, проте, є лише переважною ознакою даного винаходу. У іншому варіанті винаходу РЧ МЕМС-перемикач може бути виконаний, наприклад, таким чином, що електроди 7, що приводять, розташовані над мембраною 6. 11 94039 12 13 Комп’ютерна верстка І. Скворцова 94039 Підписне 14 Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601