GR1010742B - Μικροηλεκτρομηχανικος διακοπτης με πλωτα ηλεκτροδια σε δομη που ελαχιστοποιει τα φαινομενα εκπομπης λογω ηλεκτρικου πεδιου - Google Patents

Abstract

Η εφεύρεση αφορά σε ένα μικροηλεκτρομηχανικό διακόπτη (Micro-Electro-Mechanical-System switch, MEMS). Συγκεκριμένα προτείνεται μία νέα διευθέτηση που συνδυάζει ταυτόχρονα τα πλεονεκτήματα των συμβατικών δομών και αυτών με πλωτό ηλεκτρόδιο (Floating Electrode) στοχεύοντας στην ελαχιστοποίηση των φαινομένων που πηγάζουν από την παρουσία ρευμάτων εκπομπής λόγω πεδίων (field emission currents), χωρίς την χρήση πλευρικών ηλεκτροδίων ενεργοποίησης (side actuation pads/electrodes). Στην προτεινόμενη διευθέτηση υπάρχουν δύο μη ηλεκτρικά συνδεμένα μεταξύ τους πλωτά ηλεκτρόδια, στο πάνω μέρος του διηλεκτρικού υμενίου και εκατέρωθεν την περιοχής στην οποία θα προσγειωθεί η κινούμενη μεταλλική γέφυρα κατά την ενεργοποίησή της, με τρόπο ώστε κανένα τμήμα τους να μη βρίσκεται κάτω από την γέφυρα. Η ενεργοποίηση των πλωτών αυτών ηλεκτροδίων πραγματοποιείται όταν ένα επιπλέον μεταλλικό τμήμα από διαφορετικό υλικό (σε σχέση με αυτό της κινούμενης γέφυρας) το οποίο βρίσκεται σε ηλεκτρική επαφή αλλά κάθετα και σε επίπεδο πάνω από την κινούμενη γέφυρα (και επομένως δεν έρχεται σε επαφή με το διηλεκτρικό κατά την ενεργοποίηση) δημιουργεί αγώγιμη επαφή με τα πλωτά ηλεκτρόδια. Το τμήμα αυτό εισάγεται με τρόπο που επηρεάζει κατ΄ επιλογή τις ιδιότητες (μηχανικές, ηλεκτρικές) του κινούμενου τμήματος και το υλικό επιλέγεται ώστε να οδηγήσει σε ελαχιστοποίηση των ρευμάτων λόγω εκπομπής πεδίου (field emission currents) και των σχετικών με αυτά φαινομένων κατά την προσέγγισή του στα πλωτά ηλεκτρόδια.

Description

ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ

Μικροηλεκτρομηχανικός διακόπτης με πλωτά ηλεκτρόδια σε δομή που ελαχιστοποιεί τα φαινόμενα εκπομπής λόγω ηλεκτρικού πεδίου

Η εφεύρεση εμπίπτει στη ευρύτερη κατηγορία των ηλεκτρονικών διατάξεων και συγκεκριμένα αφορά σε μία νέα διευθέτηση για έναν μικροηλεκτρομηχανικό διακόπτη (Micro-Electro-Mechanical-System switch, MEMS). Η νέα αυτή διευθέτηση έχει ως στόχο να συνδυάσει ταυτόχρονα τα πλεονεκτήματα των συμβατικών δομών και αυτών με πλωτό ηλεκτρόδιο (Floating Electrode) στοχεύοντας στην ελαχιστοποίηση της παρουσίας ρευμάτων εκπομπής λόγω ηλεκτρικού πεδίου (field emission currents) καί σχετικών φαινομένων χωρίς τη χρήση πλευρικών ηλεκτροδίων ενεργοποίησης (side actuation pads/electrodes).

Οι μικροηλεκτρομηχανικοί διακόπτες για μικροκυματικές εφαρμογές (Radio Frequency Micro-electro-mechanical System, RF MEMS) εμφανίζουν μια σειρά από ιδιότητες που τους καθιστούν ιδιαίτερα ελκυστικούς σε σχέση με τις συνήθεις διατάξεις ημιαγωγών που χρησιμοποιούνται κατά κύριο λόγο για τις ίδιες λειτουργίες. Παρουσιάζουν εξαιρετική απόκριση σε μεγάλο εύρος συχνοτήτων ενώ ταυτόχρονα έχουν σχεδόν μηδενική κατανάλωση και ως εκ τούτου συγκεντρώνουν μεγάλο επιστημονικό και τεχνολογικό ενδιαφέρον [G.M. Rebeiz, RF MEMS: Theory, Design and Technology, John Willey & Sons, 2003).

Μια πολύ συνηθισμένη διευθέτηση ενός χωρητικού μικροηλεκτρομηχανικού διακόπτη (J.B. Muldavin, G.M. Rebeiz "High isolation CPW MEMS shunt switches -Part 1:Modeiing" IEEE Trans. Microwave Theory & Technigues vol.48, pp. 1045-1052, 2000) περιλαμβάνει μια μεταλλική γέφυρα που ενώνεται ηλεκτρικά με τις δύο γειωμένες γραμμές (Ground lines) ενός ομοεπίπεδου κυματοδηγού (coplanar waveguide) και αιωρείται αρχικά σε κάποιο ύφος (air gap) πάνω από το κεντρικό ηλεκτρόδιο αυτού (Signal line). Με κατάλληλη εφαρμογή διαφοράς δυναμικού μεταξύ του κεντρικού ηλεκτροδίου και των γειωμένων γραμμών του κυματοδηγού η μεταλλική γέφυρα καταρρέει πάνω στο κεντρικό ηλεκτρόδιο του κυματοδηγού. Στο σημείο που θα υπάρξει αυτή η επαφή, κάτω από τη γέφυρα και πάνω στο κεντρικό ηλεκτρόδιο του κυματοδηγού, υπάρχει ένα λεπτό διηλεκτρικό υμένιο (πάχους d) για να αποτρέπει την αγώγιμη σύνδεση των δύο μετάλλων που θα οδηγούσε σε βραχυκύκλωμα. Το διηλεκτρικό αυτό υμένιο μπορεί να εκτείνεται και πέραν αυτής της περιοχής. Με τον μηδενισμό ή την αφαίρεση της διαφοράς δυναμικού η μεταλλική γέφυρα επιστρέφει στην αρχική της θέση. Η λειτουργία του διακόπτη καθορίζεται από τις χωρητικότητες που δημιουργούνται από δύο θέσεις στις οποίες μπορεί να βρεθεί η κινούμενη γέφυρα, αιωρούμενη σε απόσταση πάνω από το διηλεκτρικό (Cup-state) ή πάνω στο διηλεκτρικό υμνένιο (Cdown-state). Σε πολλές περιπτώσεις ο λόγος των δύο αυτών χωρητικοτήτων (Cdown-state/cup-state) θεωρείται σημαντικός όμως αυτό που είναι πάντα και αδιαμφισβήτητα εξαιρετικής σημασίας είναι η τιμή της χωρητικότητα στη θέση όπου η γέφυρα έχει καταρρεύσει και βρίσκεται πάνω στο διηλεκτρικό υμένιο (Cdown-state). Στη θέση αυτή η τιμή της χωρητικότητας με καλή προσέγγιση λαμβάνει τη τιμή που δίνεται από τη σχέση.

Cdown-state = ε0εrA/d

Όπου ε0 η τιμή της διηλεκτρικής σταθεράςτου κενού, εrη σχετική διηλεκτρική σταθερά του διηλεκτρικού υμενίου , Α η επιφάνεια επαφής και d το πάχος του διηλεκτρικού υμενίου.

Στη πράξη η τιμή της χωρητικότητα είναι σημαντικά μικρότερη από αυτή που υπολογίζεται από τον παραπάνω τύπο. Αυτό συμβαίνει επειδή η πραγματική/ενεργή επιφάνεια επαφής της γέφυρας με το διηλεκτρικό υμένιο (Α*) είναι μικρότερη της τιμής Α λόγω του παραμορφωμένου σχήματος της γέφυρας όταν αυτή βρεθεί στη κάτω θέση αλλά καί εξαιτίας της ύπαρξης διεπιφανειακής τραχύτητας στη ελεύθερη επιφάνεια του διηλεκτρικού. Αυτή η μη ελεγχόμενη ελάττωση της χωρητικότητας σε σχέση με τον θεωρητικό υπολογισμό της αποτέλεσε αφορμή για την εισαγωγή μίας κατηγορίας διατάξεων που συνήθως χαρακτηρίζονται με τον όρο πλωτού ηλεκτροδίου (floating electrode). ;;Η βασική διαφορά στις διατάξεις πλωτού ηλεκτροδίου είναι η ύπαρξη ενός λεπτού μεταλλικού υμενίου (ηλεκτροδίου) ακριβώς πάνω στο διηλεκτρικό υμένιο. Το ηλεκτρόδιο αυτό ή μέρος του βρίσκεται κάτω από τη γέφυρα και μέρος του μπορεί να εκτείνεται και εκτός της περιοχής αυτή εφόσον το ίδιο συμβαίνει και με το διηλεκτρικό υμένιο. Το ηλεκτρόδιο αυτό δεν έχει καμία αγώγιμη σύνδεση με άλλο τμήμα του διακόπτη και επομένως χαρακτηρίζεται ως πλωτό (floating). Η παρουσία του εξασφαλίζει πως όταν η κινούμενη γέφυρα καταρρεύσει πάνω του, ακόμα και η οποιαδήποτε ελάχιστη επαφή μεταξύ τους, ενεργοποιεί, λόγω αγώγιμης σύνδεσης, όλη την επιφάνεια του πλωτού ηλεκτροδίου με αποτέλεσμα να μεγιστοποιεί τη χωρητικότητα (C down-state) στη τιμή που προβλέπεται από τους θεωρητικούς υπολογισμούς. Στη περίπτωση παρουσίας του πλωτού ηλεκτροδίου η κινούμενη γέφυρα συνήθως ενεργοποιείται με εφαρμογή διαφοράς δυναμικού σε πλευρικά ηλεκτρόδια ενεργοποίησης (side actuation pads/electrodes) και όχι κατευθείαν διαμέσου της γραμμή μεταφοράς (Signal line) (X. Rottenber et al. "Novel RF-MEMS capacitive switching structures, " 2002 32nd European Microwave Conference, Milan, Italy, 2002, pp. 1-4, X. Rottenberg et al. "Boosted RF-MEMS capacitive shunt switches." Proceedings of Workshop on Semiconductor Sensor and Actuator (SeSens, Veldhoven, The Netherlands, 2003, F. Giacomozzi et al., "Tecnological and Design Improvements for RF MEMS Shunt Switches, " 2007 International Semiconductor Conference, Sinaia, Romania, 2007, pp. 263-266, F. Giaccomozzi et al. "Development of High ConCoffration RF MEMS shunt switches" Rom. J. of Infor. Scien. Technol. vol. 11, pp. 143-151 2008, EP1398811B1). Η ενεργοποίηση των διατάξεων πλωτού ηλεκτροδίου δια μέσου της γραμμής μεταφοράς, όπως οι συμβατικές διατάξεις, έχει παρουσιαστεί πως είναι επίσης δυνατή. Στη περίπτωση αυτή η λειτουργία της διάταξης καθορίζεται από την παρουσία ρευμάτων, εκπομπής λόγω ηλεκτρικού πεδίου (filed emission currents) που οφείλονται ακριβώς στην υψηλή τιμή της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου που αναπτύσσεται καθώς η κινούμενη μεταλλική γέφυρα πλησιάζει το πλωτό ηλεκτρόδιο (G. Papaioannou et al "Floating electrode microelectromechanical system capacitive switches: A different actuation mechanism" Appl. Phys. Lett. 99, 0735501, 2011, L. Michalas etal., "Electrical characteristics of floating electrode MEMS capacitive switches, " 2012 7th European Microwave Integrated Circuit Conference, Amsterdam, Netherlands, 2012, pp. 36-39). Η ύπαρξη των ρευμάτων αυτών (field emission currents) καθιστά την ενεργοποίηση των διατάξεων πλωτού ηλεκτροδίου δια μέσου της γραμμής μεταφοράς εξαιρετικά πολύπλοκη και μια όχι πάντα ελεγχόμενη διαδικασία λόγω των παραγόντων (π.χ. επιφανειακή τραχύτητα) που υπεισέρχονται στη σχετική διαδικασία. ;;Λαμβάνοντα υπόψη τη στάθμη της υπάρχουσας γνώσης η παρούσα εφεύρεση αφορά σε μία νέα διευθέτηση ενός μικροηλεκτρομηχανικού διακόπτη (Micro-Electro-Mechanical-System switch, MEMS) τέτοια ώστε να συνδυάζει ταυτόχρονα τα πλεονεκτήματα των συμβατικών δομών και αυτών με πλωτό ηλεκτρόδιο (Floating Electrode) στοχεύοντας στην ελαχιστοποίηση των φαινομένων που πηγάζουν από τη παρουσία ρευμάτων εκπομπής λόγω πεδίων (field emission currents) χωρίς τη χρήση πλευρικών ηλεκτροδίων ενεργοποίησης (side actuation pads/electrodes). ;Η προτεινόμενη διευθέτηση και απλές/άμεσες παραλλαγές αυτής απεικονίζεται σε κάτοψη στο Σχήμα 1 (α-στ) σε πρόσοψη στο Σχήμα 2 (α,β) και σε πλάγια όψη στο Σχήμα 3 (α,β). Συγκεκριμένα περιλαμβάνει τη γραμμή μεταφοράς που αποτελείτε από τρία μεταλλικά υμένια (2,3 στο Σχήμα 1α) σε κατάλληλες αποστάσεις μεταξύ τους πάνω σε ένα μονωτικό υπόστρωμα (1, στο Σχήμα 1α) που μπορεί να είναι γυαλί, κεραμικό ή ημιαγωγός πάνω στον οποίο έχει αναπτυχθεί στρώμα διηλεκτρικού. Μέρος του κεντρικού μεταλλικού υμενίου καλύπτεται από ένα διηλεκτρικό υμένιο (4 στο Σχήμα 1α) το πάχος του οποίου αποφασίζεται από τη σχέση 1. Εναλλακτικά είναι δυνατό να έχουν εναποτεθεί περισσότερα από ένα υμένια διαδοχικά το ένα πάνω στο άλλο (4 στο Σχήμα 2β και στο Σχήμα 3β). Στη συνέχεια με κατάλληλη διαδικασία που περιλαμβάνει την εναπόθεση, σχηματοποίηση και αφαίρεση κατάλληλου θυσιαζόμενου υλικού δημιουργείται με εναπόθεση μια μεταλλική γέφυρα (5 στο Σχήμα 1). Οι βάσεις της γέφυρας βρίσκονται σε αγώγιμη σύνδεση με τα δύο μεταλλικά υμένια που βρίσκονται στα άκρα της γραμμής μεταφοράς (2 στο Σχήμα 1α) (όχι το κεντρικό - 3 στο Σχήμα 1α) και αιωρείται πάνω από το κεντρικό μεταλλικό υμένιο της γραμμής μεταφοράς το οποίο καλύπτεται από το υμένιο του διηλεκτρικού. Η κινούμενη μεταλλική γέφυρα μπορεί να έχει ένα συμπαγές σχήμα ή να φέρει οπές (8 στο Σχήμα 1β) ή ακόμα και βραχίονες (5 στο Σχήμα 1γ). Επίσης εναλλακτικά η διευθέτηση μπορεί να βασίζεται σε άλλη μορφή γραμμής μεταφοράς ή γενικά ηλεκτροδίου στο οποίο απουσιάζουν οι πλευρικοί αγωγοί (2, στο σχήμα 1α). Στη περίπτωση αυτή υπάρχει μόνο το κεντρικό ηλεκτρόδιο (Σχήμα 1δ). Στη προτεινόμενη διευθέτηση το διηλεκτρικό υμένιο (4 στο Σχήμα 1α) (ή τα διαδοχικά διηλεκτρικά υμένια 4 στο Σχήμα 2β και στο Σχήμα 2γ) που καλύπτει το κεντρικό μεταλλικό υμένιο της γραμμής μεταφοράς πρέπει να εκτείνεται σε περιοχή μεγαλύτερη από την περιοχή που ορίζει η προβολή της κινούμενης γέφυρας στο επίπεδο που βρίσκεται ο ομοεπίπεδος κυματοδηγός. ;Αυτό πρέπει να συμβαίνει γιατί στην προτεινόμενη διευθέτηση υπάρχουν δύο μη ηλεκτρικά συνδεμένα μεταξύ τους πλωτά ηλεκτρόδια (6 στο Σχήμα 1α), στο πάνω μέρος του διηλεκτρικού υμενίου και εκατέρωθεν την περιοχής στην οποία θα προσγειωθεί η κινούμενη μεταλλική γέφυρα κατά την ενεργοποίηση της, με τρόπο ώστε κανένα τμήμα τους να μη βρίσκεται κάτω από τη γέφυρα, δηλαδή στη προαναφερθείσα περιοχή που ορίζεται από τη προβολή του σχήματός της στο επίπεδο της γραμμής μεταφοράς. Η προτεινόμενη διευθέτηση μπορεί επίσης να υπάρξει σε παραλλαγή με ένα μόνο πλωτό ηλεκτρόδιο ( Σχήμα 1ε). ;Επιπλέον η δομή περιλαμβάνει ένα επιπλέον μεταλλικό τμήμα (7 στο Σχήμα 1α) ή μπορεί και περισσότερα από ένα (7 στο Σχήμα 1στ) από διαφορετικό υλικό (σε σχέση με αυτό της κινούμενης γέφυρας) το οποίο βρίσκεται σε ηλεκτρική επαφή αλλά κάθετα και σε επίπεδο πάνω από την κινούμενη γέφυρα (και επομένως δεν έρχεται σε επαφή με το διηλεκτρικό κατά την ενεργοποίηση). Το τμήμα αυτό εισάγεται με τρόπο που επηρεάζει κατ' επιλογή τις ιδιότητες (μηχανικές, ηλεκτρικές) του κινούμενου τμήματος και το υλικό επιλέγεται ώστε να οδηγήσει σε ελαχιστοποίηση των ρευμάτων λόγω εκπομπής πεδίου (field emission) και των σχετικών με αυτά φαινομένων. ;Τα δύο πλωτά ηλεκτρόδια (6 στο Σχήμα 1α) μπορεί να αποτελούνται από ένα μεταλλικό υμένιο ή από πολλαπλά μεταλλικά στρώματα (multilayer stack) (6 στο Σχήμα 2β κα 6 στο Σχήμα 3β) , ώστε εξασφαλίζεται την καλή συγκόλληση με το διηλεκτρικό υμένιο (adhesion), κατάλληλο πάχος (spacer) ή/και σε συνδυασμό με το υλικό που θα εναποτεθεί πάω από τη κινούμενη γέφυρα να οδηγήσουν σε ελαχιστοποίηση των ρευμάτων λόγω εκπομπής πεδίου (field emission currents) και των σχετικών με αυτά φαινομένων. ;Η ενεργοποίηση των πλωτών αυτών ηλεκτροδίων πραγματοποιείται όταν κατά την ενεργοποίηση της γέφυρας το επιπλέον μεταλλικό τμή μα (7 στο σχήμα 1α ή 7 στο Σχήμα 2β και Σχήμα 3β) από διαφορετικό υλικό (σε σχέση με αυτό της κινούμενης γέφυρας) το οποίο βρίσκεται σε ηλεκτρική επαφή αλλά κάθετα και σε επίπεδο πάνω από την κινούμενη γέφυρα (και επομένως δεν έρχεται σε επαφή με το διηλεκτρικό κατά την ενεργοποίηση) δημιουργεί αγώγιμη επαφή με τα πλωτά ηλεκτρόδια (6 στο σχήμα 1α). Τα πάχη της μεταλλικής γέφυρας και των πλωτών ηλεκτροδίων επιλέγονται κατάλληλα ώστε να συμβαίνει αυτό. ;Με την προτεινόμενη διευθέτηση επιτυγχάνεται η συμβατική ενεργοποίηση του διακόπτη (δία μέσου της γραμμής μεταφοράς), απαλλαγμένη από τις ιδιαιτερότητες που δημιουργεί η παρουσία πλωτών ηλεκτροδίων κάτω από τη γέφυρα καί ταυτόχρονα ελαχιστοποιείται η επίδραση των εν λόγω φαινομένων (που σχετίζονται με τη παρουσία ρευμάτων εκπομπής λόγω ηλεκτρικού πεδίου) χωρίς την ανάγκη ύπαρξης επιπλέον ηλεκτροδίων ενεργοποίησης (side actuation pads/electrodes), παρέχοντας με τον τρόπο αυτό μεγάλη ευελιξία στον σχεδίασμά των διατάξεων. ;Στη περίπτωση του προτεινόμενου διακόπτη η τελική τιμή της χωρητικότητας κατά την ενεργοποίηση (C down-state) δίνεται από τη σχέση. ;; ; Όπου Α1 και Α2 οι επιφάνειες που ορίζονται από τα πλωτά ηλεκτρόδια και Α* η ενεργή επιφάνεια της κινούμενης γέφυρας με το διηλεκτρικό υμένιο.

Claims (7)

ΑΞΙΩΣΕΙΣ

1. Ένας μικροηλεκτρομηχανικός διακόπτης που αποτελείτε από τη γραμμή μεταφοράς πάνω σε κατάλληλο υπόστρωμα, ένα διηλεκτρικό υμένιο που καλύπτει τμήμα από το κεντρικό ηλεκτρόδιο της γραμμής μεταφοράς, μία κινούμενη μεταλλική γέφυρα, δύο πλωτά ηλεκτρόδια πάνω στο διηλεκτρικό υμένιο σε περιοχή που να μην βρίσκονται κάτω από τη κινούμενη μεταλλική γέφυρα και ένα επιπλέον μεταλλικό τμήμα πάνω στη κινούμενη γέφυρα σε αγώγιμη επαφή με αυτή και σε επίπεδο πάνω από αυτή και σε κάθετο με αυτή προσανατολισμό ώστε κατά την ενεργοποίηση, η οποία πραγματοποιείται από τη γραμμή μεταφοράς και χωρίς ηλεκτρόδια ενεργοποίησης (side actuation pads/electrodes), να ακουμπά τα πλωτά ηλεκτρόδια χωρίς όμως να έρχεται σε επαφή με το διηλεκτρικό.

2. Μία παραλλαγή αυτής της δομής που περιλαμβάνει ένα αντί για δύο πλωτά ηλεκτρόδια

3. Μία παραλλαγή που περιλαμβάνει περισσότερα από ένα επιπλέον μεταλλικά τμήματα πάνω στη κινούμενη γέφυρα σε γεωμετρία που να ελέγχει τις μηχανικές ιδιότητες της γέφυρας.

4. Μία παραλλαγή που η γραμμή μεταφοράς δεν είναι ομοεπίπδος κυματοδηγός αλλά άλλη μορφή κυματοδηγού ή απλού ηλεκτροδίου.

5. Μια παραλλαγή όπου το διηλεκτρικό υμένιο μπορεί να αποτελείται από περισσότερα από ένα υμένια, διαδοχικά το ένα πάνω στο άλλο.

6. Μια παραλλαγή που το/τα πλωτά ηλεκτρόδια αποτελούνται από πολλαπλά μεταλλικά στρώματα (multilayer stack).

7. Μια παραλλαγή αυτής της δομής μπορεί να περιλαμβάνει κινούμενη γέφυρα με οπές ή/και βραχίονες.