ИСПОЛЬЗОВАНИЕ САПР ДЛЯ РАСЧЕТА ХАРАКТЕРИСТИК МЭМС ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЕЙ

USING CAD FOR CALCULATING CHARACTERISTICS OF MEMS SWITCHES

Roman Logunov

graduate student of Nanoelectronics, Moscow Technological University,

Russia, Moscow

Polina Rachkovskaya

fifth-year student, Siberian State Medical University,

Russia, Tomsk.

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается возможность использования автоматизированных систем проектирования при расчете характеристик электростатических МЭМС переключателей. Выявляются актуальные методы решения снижения напряжения срабатывания и проводится моделирование трех основных типов электростатических МЭМС при помощи пакета САПР Ansys методом конечных элементов с получением их характеристик.

ABSTRACT

The article considers the possibility of using automated design systems in the calculation of the characteristics of electrostatic MEMS switches. The actual methods for solving the decrease in the pickup voltage are identified and three basic types of electrostatic MEMS are modeled using the Ansys CAD package by the finite element method to obtain their characteristics.

Ключевые слова: МЭМС переключатели, моделирование, САПР.

Keywords: MEMS switches, modeling, CAD.

ВВЕДЕНИЕ

С развитием технологий производства электронных устройств, уменьшении их размеров, потребляемой мощности и стоимости возникает необходимость в максимальном использовании технических приемов при создании переключателей сигналов.

Наиболее широкое распространение на сегодняшний день получили три вида переключателей: твердотельные, электромеханические и МЭМС переключатели. МЭМС переключатели объединили в себе лучшие характеристики остальных двух видов переключателей: малые размеры, относительно высокое быстродействие, минимальное потребление мощности, большой срок службы, что присуще полупроводниковым переключателям, возможности коммутации сигналов высокой мощности, хорошая изоляция [4].

Электростатические МЭМС переключатели

Рисунок 1. Схема последовательного электростатического МЭМС переключателя

Наиболее перспективным является применение электростатических МЭМС ключей по причине более высоких характеристик: наименьшие габариты, наивысшее быстродействие, простота изготовления, малая потребляемая мощность и низкая контактная сила. Его недостатком является потребность использовать более высокое, по сравнению с другими типами МЭМС, управляющее напряжение [10].

Необходимость снизить напряжение срабатывания объясняется тем, что в современных интегральных схемах используется напряжение до 5 В, что делает невозможным интеграцию в них электромеханических переключателей без использования сложных технологических решений. Для снижения напряжение срабатывания можно применить следующие методы[8]: увеличение площади контактов, уменьшение зазора между мембраной и нижним контактом; уменьшение упругости структуры. Увеличение площади контакта практически не используется [8], так как это нивелирует главное преемущество МЭМС технологий: миниатюрность. Уменьшение зазора между контактами, а значит уменьшение и диэлектрического слоя, приведет к более низкой изоляции. Наиболее удобным представляется последний метод, в котором изменение упругости мембраны не повлияет на другие характеристики переключателя. Было выявлено, что напряжение срабатывания снижается при использовании подвесных креплений мембраны и самой её структуры [9]. Например, можно использовать подвесные конструкции с разным количеством серпантинов или отверстий в мембране.

С целью выявления конструкции с наиболее низким напряжением срабатывания и временем срабатывания было проведено моделирование и анализ соответствующих типов электромеханических МЭМС переключателей.

Компьютерная модель расчета параметров электростатического МЭМС переключателя

Расчет электромеханических параметров МЭМС переключателя проще проводить методом конечных элементов. Для решения задачи использовалась программная система конечно-элементного анализа Ansys Workbench, программная среда, позволяющая объединять инструменты для проведения многодисциплинароного анализа. Ansys Workbench совмещает в себе передовые технологии с эргономичным интерфейсом и адаптивной структурой, что позволяет инженеру выполнять любые задачи: от простого анализа течения газа или жидкостей до сложных многодисциплинарных задач[7].

Были рассмотрены конструкции трех типов переключателей: с перфорированной мембраной, с Г-образными и серпантинными подвесными структурами (см. рис. 2), с габаритами  соответственно. В качества материала мембраны в каждом случае использован алюминий. Толщина воздушного зазора во всех трех случаях равна 1.4 мкм.

Рисунок 2. Три вида электростатических МЭМС переключателей: с перфорированной мембраной, с Г-образными и серпантинными подвесными структурами

Результаты моделирования электростатических МЭМС переключателей

Были проведены расчеты напряжения срабатывания для модели электростатического МЭМС переключателя с тремя видами конструкций. Величина воздушного зазора без воздействия электромагнитных сил равна 1.4 мкм. Зависимости величины воздушного зазора от напряжения показаны ниже на графике.

Рисунок 3. График зависимости величины воздушного зазора от напряжения для электростатического МЭМС переключателя с линейной перфорированной конструкцией

При прикладывании напряжения до 73 В мембрана отклоняется незначительно, что связано с тем, что силы упругости, возникающие при изгибе мембраны, превосходят электростатические силы, притягивающие мембрану к нижнему электроду. После того, как напряжение достигает порогового напряжения срабатывания, а значит электростатические силы превосходят силы упругости, мембрана резко «падает» вниз. Высокое значение напряжения срабатывания обусловлено тем, что перфорированная конструкция не обеспечивает требуемого снижения упругости.

Стоит отметить, что при использовании переключателя с Г-образной конструкцией требуется напряжение, составляющее 75 В. Высокое напряжение срабатывания, обуславливается тем, что в данном случае используется конструкция с четырьмя подвесными структурами, что негативно влияет на упругость самой конструкции.

При использовании конструкции в виде меандра, в результате моделирования, напряжение срабатывание оказалось средним и составило 32.5 В. Дальнейшее уменьшение коэффициента упругости, а значит и напряжения срабатывания, возможно при увеличении количества меандров.

В случае использования Г-образной конструкции креплений возможно уменьшить напряжение срабатывания за счет уменьшения количества подвесных конструкций и увеличения их длины. Использование линейной перфорированной конструкции в результате моделирования не показало значительного уменьшения напряжения срабатывания. На графике зависимости, представленном ниже, показано отклонение мембраны рассматриваемых видов МЭМС переключателей, воздушный зазор – 1.4 мкм.

Рисунок 4. График зависимости отклонения мембраны МЭМС переключателей от напряжения

Стоит отметить, что наименьшим временем срабатывания обладает микропереключатель с Г-образной конструкцией креплений – 2.2 мкс.  Среднее время срабатывания показал микропереключатель линейной перфорированной конструкцией креплений – 2.7 мкс, что обуславливается прикладыванием значительного большего напряжения, нежели у других коммутаторов. Микропереключатель с конструкцией крепления в виде меандра показал наибольшее время переключения – 5.2 мкс. Такие характеристики объясняются тем, что переключатель с конструкцией в виде меандра имеет меньшую по площади контактную площадку, по сравнению с переключателем с линейной перфорированной конструкцией. В связи этим для «залипания» требуется значительно меньшее напряжение, за счет которого мембрана притягивается к электроду слабее, что обуславливает большое время переключения.

Заключение

В данной работе были проведены анализ видов МЭМС переключателей, разработка этапов моделирования трех конструкций креплений электростатических МЭМС переключателей, а также были проведены расчеты напряжения и времени срабатывания для каждой конструкции.

Проведенное моделирование и полученные результаты дают основания полагать, что они могут быть использованы в будущем для проектирования МЭМС переключателя с малым напряжением и временем срабатывания. Учитывая стремительный рост рынка МЭМС устройств, в частности, микропереключателей, и, соответственно, высокую конкуренцию, внедрение компьютерного моделирования способно сократить сроки и уменьшить затраты на их разработку и, следовательно, увеличить конкурентоспособность предприятий.

Проанализировав полученные выводы, можно выдвинуть несколько тезисов:

1. Наиболее оптимальными характеристиками обладает микропереключатель с серпантинной конструкцией крепления.
2. При увеличении количества меандров в серпантинной конструкции крепления значительно снизится напряжение срабатывания.
3. При использовании малой контактной площадки время срабатывания будет наименьшим.

Список литературы:

1. Weber A.C. MEMS Relays for Make-Break Power Switching Applications: Silicon Etched Planar Electrical Contact. Massachusetts Institute of Technology, 2008. 189 p.
2. Read M.B. Method and Instrumentation for the Measurement and Characterization of MEMS Fabricated Electrical Contacts. Massachusetts Institute of Technology, 2010. 332 p.
3. Белов Л. Переключатели сверхвысокочастотных сигналов. Москва: Техносфера, 2006. 371 p.
4. Мальцев П.П. et al. Расчет и изготовление узкополосного СВЧ микроэлектромеханического переключателя для частотного диапазона 10...12 ГГц на подложках арсенида галлия // Нано- и микросистемная техника. 2014. № 6. P. 33.
5. Сысоева С. Высокочастотные МЭМС-ключи. Технологии и применения. 2011. P. 29–36.
6. Карабанов С.М., Шоффа В.Н., РЗМПК О.А.О. Микроэлектромеханические выключатели. P. 1–3.
7. Варадан В., Виной К., Джозе К. ВЧ МЭМС и их применение / ed. Заболотной  пер. с анг. Ю.А. Москва: Техносфера, 2004. 528 p.
8. Yao J.J., Chang M.F. A Surface Micromachined Miniature Switch For Telecommunications Applications With Signal Frequencies From DC Up To 4 Ghz // Proc. Int. Solid-State Sensors Actuators Conf. - TRANSDUCERS ’95. 1995. Vol. 2. P. 384–387.
9. Щаврук Н.В. Проектирование и изготовление микроэлектромеханических переключателей на подложках GaAs для СВЧ диапазона // Москва. Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники, 2015. Vol. 1. 1-130 p.