INF5490 RF MEMS. L6: RF MEMS svitsjer, II

Transkript

1 INF5490 RF MEMS L6: RF MEMS svitsjer, II 1

2 Dagens forelesning Design av RF MEMS svitsjer Elektromekanisk design, II RF design Eks. på implementasjoner Struktur Ytelse Fremstilling Alternative strukturer og aktiveringsmekanismer Noen utfordringer 2

3 Elektromekanisk design Stress Dynamiske forhold Demping Innvirkning fra aktiveringsspenningen 3

4 Stress Stress bygges inn under fremstillingen F.eks. pga temperatur-variasjoner Residual stress Aksialt tensilt stress (tøyende spenning) Fjærkonstanten øker (strengen spennes) k z k z kan øke 20x når tensilt stress MPa Vpi kan øke 4.5x når tensilt stress MPa Tensilt stress må inkluderes som designparameter! Kan ikke elimineres, - må tas i betraktning Tensilt stress evalueres ved å måle misalignment av teststrukturer (forskyvning av mønstre) 4

5 Micro strain gauge with mechanical amplifier Lin et al, J of MEMS,

6 Svitsjehastighet og demping Svitsjehastigheten er avhengig av demping Luft, gass må skyves vekk squeezed-film damping Modellering fra væske-mekanikk Hvordan redusere demping? Operere i vakuum Hermetisk kapslede pakker Lage hull i membran Perforert membran 6

7 Perforert membran Rebeiz 7

8 Svitsjetider for Raytheon/TIsvitsjen Yao,

9 Eks. på effekt av perforering Betydelig hastighetsøkning ved perforert membran! 9

10 Perforert membran: UMICH 10

11 Gass-demping Dynamisk respons til cantilever beam w = displacement b = dempekoeffisienten ( resonansfrekvens kvalitetsfaktor 11

12 Gass-demping, forts. m er effektiv masse Den effektive massen er forskjellig fra total masse siden bare enden (eller den sentrale delen) av bjelken beveger seg m_eff ~ *m_total m_eff er avhengig av Topologi Tykkelsen av bjelken Fjærkonstanten Størrelsen på pull-down elektroden 12

13 Gass-demping, forts. Dempingen avhenger av viskositeten Viskositet er motstand gassen yter mot transport Et uttrykk for demping av rektangulær parallell plate: arealet gapet viskositet til gassen Rebeiz 13

14 Gass-demping, forts. Gass-dempingen påvirker Q-faktor for clamped-clamped beam Rebeiz 14

15 Svitsje-hastighet Svitsje-hastigheten avhenger sterkt av og påtrykt spenning, Vs Jo mindre demping, dess høyere Q-faktor økt svitsjehastighet Q-faktor Systemet er dempings-begrenset ved Q 0.5 [Castaner and Senturia] Vs = konst * Vpi (pull-in) = (aktiverings-spenning) Jo høyere spenning, dess sterkere elektrostatisk kraft økt svitsjehastighet 15

16 Tidsrespons for ulike Q-verdier 16

17 Tidsrespons mhp. påtrykt spenning 17

18 Svitsje-hastighet, liten demping Elektrostatisk kraft Aksellerasjonsbegrenset svitsj (b~0) Rebeiz 18

19 Aksellerasjonsbegrenset svitsj 19

20 Svitsje-hastighet, stor demping Ved et dempings-begrenset system Bevegelsesligningen i Rebeiz 20

21 RF design Elektrisk modellering S-parametre RF karakterisering Parasitter 21

22 RF design av MEMS svitsj Kan utføres ved full elektromagnetisk modellering 3 dim elektromagnetisk analyse Mekanisk modell, materialer, grensebetingelser Beregning av felt-distribusjoner og S- parametre Bruk av ekvivalente krets-modeller Enkle modeller for håndkalkulering Kan brukes til å beregne typiske RF ytelsesparametre 22

23 Ekvivalent-krets for kapasitiv svitsj Rebeiz 23

24 Ekvivalent-krets, forts. Svitsj shunt impedans Ved resonans 24

25 Eksempel-verdier 25

26 Forenklet beregning av transmission Modell av kontakt seriesvitsj Serie svitsj i off -tilstand Transmisjon 26

27 Forenklet beregning av transmission, forts. Modell av kontakt shunt svitsj Shunt svitsj i off -tilstand 27

28 Shunt svitsj, forts. Transmisjon 28

29 Sammenligning Transmission Transmission Ionescu, EPFL 29

30 Elektrisk karakterisering av RF Ved lave frekvenser MEMS svitsjer Bruk impedans admittans parametre To-port med spenning og strøm Ved høye frekvenser Bruk S-parametre S-parametrene måles/beregnes når linjene er terminert med sin karakteristiske impedans S-parametrene er småsignal-parametre: RF effekt < DC effekt 30

31 S-parametre 2-port for definisjon av S-parametre Power waves 31

32 Definisjon av S-parametrene Beregninger viser at effekten (power): P n = 1 2 Re{ V n I * n } = 1 2 ( a n 2 b n 2 ) S-parametre 32

33 Hva hver enkelt parameter betyr 33

34 Måling av S-parametre S-parametrene måles når linjene er terminert med sin karakteristiske impedans 34

35 RF karakterisering Reflekterte og transmitterte signaler må tas i betraktning Ulike parametre beregnes Insertion loss i ON-state = Isolation i OFF-state = Return loss (begge tilstander) = 35

36 RF karakterisering, forts. Insertion loss i on-state S 21 = b a 2 1 a 2 = 0 = transmitted, port2 incident, port1 Spesifiseres i db Degraderes med økende frekvens 36

37 RF karakterisering, forts. Isolation i off-state 1 S 21 = a b 1 2 a = 0 2 (Varadan) incident, port1 = transmitted, port2 1 S 12 = a b 2 1 a = 0 1 incident, port2 = transmitted, port1 (mest vanlig def) Stor isolasjon når utgang er liten i forhold til inngang (eller når inngangen påvirkes lite av utgangen) Return loss i begge tilstander b 1 S 11 = dvs. stort tap når mye reflekteres a1 37

38 Parameter-målinger Varadan 38

39 RF modellering Shunt svitsj Modelleres med kapasitans i up-state Refleksjon 39

40 RF modellering, forts. 40

41 RF modellering, forts. Shunt svitsj Serie-resistans i down-state ved resonans Transmisjon Transmittert effekt = 1 + reflektert negativt 41

42 RF parasitter pga. meandere Meandere gjør fjæropphenget mykere Flere grener gir lavere Vpi => fører til parasitt induktans => påvirker RF-ytelsen Nøyaktig modellering må ta hensyn til parasitt induktans og parasitt resistans 42

43 Parasitt induktans Rebeiz 43

44 Eksempler på implementasjoner Struktur og ytelse Serie-svitsjer Eks. på kontakt-svitsjer Shunt-svitsjer Fremstilling 44

45 Cantilever beam med elektrostatisk aktivering Ionescu, EPFL 45

46 Rockwell serie-svitsj Rebeiz 46

47 Rockwell serie-svitsj, forts. 47

48 Motorola Rebeiz 48

49 Motorola, forts. Rebeiz 49

50 Lincoln 50

51 Lincoln, forts. 51

52 Lincoln, forts. 52

53 Eks. på implementasjoner, forts. Shunt-svitsjer Kapasitive RF MEMS svitsjer 53

54 Kapasitive svitsjer, status Park et al

55 Raytheon Rebeiz 55

56 Raytheon, forts. Rebeiz 56

57 Univ of Michigan Rebeiz 57

58 Univ of Michigan Rebeiz 58

59 Ulike ytelsesparametre Yao,

60 Ulike ytelsesparametre Yao

61 Fremstilling av kapasitiv svitsj Ionescu, EPFL 61

62 Fremstilling, Rockwell switch Rebeiz 62

63 Fremstilling, Michigan switch Rebeiz 63

64 Alternative svitsje-strukturer 3 elektroder kan også brukes Topp-elektroden brukes for å clampe den aktive elektroden til toppen Spesielt viktig for systemer utsatt for høye aksellerasjoner 64

65 Ionescu, EPFL 65

66 Alternative aktiveringsmekanismer Væske/metall kontakt-svitsj Kan løse pålitelighetsproblemet en har pga. faststofftil faststoff ved å bruke væske-til-faststoff Kvikksølv (Hg) velges pga. dets egenskaper Lav kontakt-resistans Ingen signal-ringing Ikke kontakt-slitasje Elektrostatisk aktivering Aktiveringsspenning V Væske ikke akseptert i IC-industrien 66

67 Kvikksølv-svitsj Planar prosess, foto, JHU, Appl Physics Lab 67

68 Kvikksølv-svitsj Varadan 68

69 Kvikksølv-svitsj Varadan 69

70 Termisk svitsjing Varadan 70

71 Noen utfordringer Høyt elektrisk felt i små dimensjoner Deler av metall-overflaten kan smelte Væske-metall-damp fortsetter ledningen når svitsjen er i av-tilstand Selvaktivering Hvis signalet, som kan være lite, overlagres et DC-signal, kan det forekomme selvaktivering Det kan derfor være en fordel å dekoble aktiverings- og signal-linjer Separate områder 71

72 Ionescu, EPFL 72

73 Svitsj integrert med IC Saias et al,

74 Ytelse ved ulike løsninger Saias et al,