Лекция 15.
advertisement
МИКРОКОНДЕНСАТОРЫ В МИКРОСИСТЕМАХ Часть 1 Существует много практических схем, где для регулирования некоторых электрических параметров должны использоваться конденсаторы. Среди них: малошумящие усилители, генераторы гармонических сигналов и преобразователи частоты. Многие современные беспроводные системы предъявляют очень строгие требования к широкополосным генераторам, управляемым напряжением (ГУН), которые должны быть стабильными, иметь высокую добротность и низкий фазовый шум. Диапазон настройки ГУН должен быть достаточным для перекрытия всей интересующей полосы частот. Ключевыми элементами ГУН являются электрически перестраиваемые конденсаторы. Во многих схемах применяются внешние переменные конденсаторы, что связано с трудностями в изготовлении встроенных микроконденсаторов, обладающих высокой добротностью. Компоненты ГУН, используемые для выбора частотного диапазона, выбора канала, и другие подстроечные элементы, до сих пор остаются вне кристалла, поскольку традиционными методами микрообработки кремния не удается реализовать индукторы и варакторы, имеющие высокую добротность. Обычные варакторы, выполненные на подложке из кремния или арсенида галлия, а также перестраиваемые конденсаторы, использующие барьер Шотки, не подходят для применения в устройствах, где требуется высокая добротность и низкий уровень фазового шума. Однако в последние годы удалось создать микроконденсаторы на основе кремния с улучшенными характеристиками, что дает уверенность в том, что в ближайшем будущем появятся микроустройства и однокристальные электронные схемы со встроенными регулируемыми конденсаторами. Это позволит при помощи очень низких напряжений управлять подвешенными мембранами и консолями, встроенными в ВЧ микросистемы, и тем самым производить операции настройки и переключения. По сравнению с твердотельными варакторами перестраиваемые микроконденсаторы обладают низкими потерями и большим диапазоном перенастройки. Перед проектированием емкостного элемента для широкополосного устройства разработчик должен внимательно изучить его рабочие характеристики: импеданс, вносимые потери, величину паразитных емкостей, эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС), линейность и добротность во всем интересующем диапазоне частот. Мнимая и действительная части импеданса конденсатора определяются из круговой диаграммы полных сопротивлений. На частоте последовательного резонанса реактивное сопротивление конденсатора равно нулю. При этом импеданс устройства определяется ЭПС, которое для керамического конденсатора с высокой добротностью на частоте 1 ГГц обычно равно 100 мОм. Как правило, для широкополосных устройств используются конденсаторы с большим значением емкости для выполнения требований при работе в низкочастотном диапазоне. При этом на низких частотах импеданс конденсатора будет достаточно мал, что обеспечит беспрепятственный проход 1 ВЧ сигнала. Диапазон работы конденсатора определяется при измерении его вносимых потерь (S21). Если измеренная величина S21 превышает требуемое значение, этот конденсатор не подходит для рассматриваемого применения. Величину добротности можно определить, используя выражение: XC X L (1) ЭПС X C X L - реактивное сопротивление. ЭПС конденсатора необходимо Q где учитывать во всем интересующем диапазоне частот. Из уравнения (1) видно, что чем больше сопротивление, тем меньше добротность и тем выше резистивные потери устройства. Для каждого конденсатора существует резонансная частота, выше которой его использовать нельзя, поскольку в его суммарном импедансе начинает превалировать индуктивная составляющая. Поэтому всегда надо стремиться к тому, чтобы величина индуктивности конденсатора была, как можно, меньше, при этом резонансная частота должна значительно превышать максимальную рабочую частоту сигнала. В регулируемых микроконденсаторах для настройки величины емкости применяются электромеханические способы изменения физических и геометрических параметров конденсаторов, например, электростатические и термическе методы. Емкость конденсатора с двумя электродами площадью А, разделенных зазором d, может быть определена по формуле: C A d (2) где ε – диэлектрическая проницаемость среды. Здесь не учитываются краевые эффекты. Из уравнения видно, что для построения регулируемого конденсатора можно варьировать тремя параметрами. Поэтому и существуют три группы регулируемых конденсаторов: с переменным зазором, с переменной площадью электродов и с переменной диэлектрической проницаемостью. МИКРОКОНДЕНСАТОРЫ С РЕГУЛИРУЕМЫМ ЗАЗОРОМ Электростатическая регулировка В таком переменном конденсаторе нижний электрод закреплен, а верхний подвешен над ним. Подвешенный электрод, поддерживаемый микропружинами, может перемещаться в вертикальном направлении, перпендикулярном подложке. Зазор между фиксированным и подвижным электродами, определяющий величину емкости конденсатора, регулируется за счет электростатических сил, возникающих при подаче управляющего напряжения. Основное достоинство электростатического механизма регулировки — низкая потребляемая мощность. На рис. 1 показан вид сверху такого конденсатора с регулируемым зазором, выполненного на кремниевой подложке. Он состоит из алюминиевой пластины толщиной 1 мкм, подвешенной в воздухе при помощи четырех подвесов в форме балок, выполняющих роль пружин. Электроды имеют квадратную форму со стороной 200 мкм с квадратными отверстиями 2 мкм х 2 мкм, расположенными через 10 2 мкм, которые необходимы для полного удаления защитного материала. Первоначальный зазор равен 1.5 мкм, при этом экспериментално определенная добротность составляет 62. При изменении напряжения от О до 5.5 В значение емкости регулируется в пределах 2.11. .. 2.46 пФ, что соответствует диапазону настройки 16%. Рис. 1. Вид сверху на переменный микроконденсатор Когда к системе из параллельных пластин прикладывается электрическое поле, под действием электростатических сил подвижная пластина начинает двигаться по направлению к закрепленному электроду. Силы распределены вдоль всей длины подвижной пластины. Когда приложенное напряжение достигает порогового значения, эта пластина быстро схлопывается с нижней пластиной, и напряжение настройки уже никак не влияет. Равновесие между электростатическими силами притяжения и силами упругости подвесов действует только при отклонениях, меньших 1/3 от первоначального зазора между электродами. Отсюда появляется ограничение по регулировке микроконденсаторов – 2/3 от исходного зазора, что теоретически составляет 50% диапазон настройки для любого электростатического переменного конденсатора с параллельными пластинами. Максимальный диапазон регулировки может быть найден из выражения: 1 x0 1 A A 1 Rmax A 1 (3) 3 x x0 0 Для преодоления ограничения по регулировке в двухэлектродной микросистеме была переделана конструкция подвижного электрода. Принцип действия усовершенствованного двухэлектродного варактора представлен на рис. 2а. Верхняя пластина подвешивается на пружине с коэффициентом упругости k. нижняя пластина фиксируется. Постоянное напряжение, прикладываемое к верхней пластине, приводит к появлению электростатической силы, заставляющей перемещаться подвешенную пластину по направлению к нижней пластине, в результате чего емкость конденсатора увеличивается. Был изготовлен варактор такого типа, в котором подвешенная пластина, изготовленная из Poly 2 и золота, имела массу 0.8 мг и площадь 3 230 мкм х 230 мкм. В ней было проделано 141 отверстие для вытравливания оксидного слоя, располагавшегося между пластинами. Нижняя пластина была выполнена из Poly 1. В исходном состоянии при зазоре между пластинами 0.75 мкм конденсатор имел емкость 0.57пФ, максимальная емкость 0.85 пФ была достигнута при напряжении 3.3 В. Для увеличения диапазона настройки с 50 до 100% был построен трехэлектродный переменный конденсатор, показанный на рис. 2б. Он состоит из трех поликремниевых пластин: одной подвешенной при помощи пружин (средней) и двух фиксированных (верхней и нижней) (рис.3). Рис. 2. Принцип действия электромеханического конденсатора с параллельными пластинами: а – с двумя пластинами, б – с тремя пластинами Рис. 3. Вид сверху и поперечное сечение трехпластинного варактора Ha CD и СР подаются два разных напряжения V1 и V2. Если приложено напряжение V1, емкость СD увеличивается, при подаче напряжения V2, емкость 4 СD уменьшается. Максимальный диапазон настройки конденсатора CD по отношению к напряжению V1 и СР по отношению к V2 равен по прежнему 50%. Однако напряжение V2 позволяет повысить теоретический диапазон настройки конденсатора CD до 100%. Несмотря на то, что проводимость поликремния хуже, чем алюминия, из-за своих механических свойств для построения микроконденсаторов он используется чаще. Был изготовлен переменный микроконденсатор с исходной емкостью 1.9пФ и воздушным зазором 0.75 мкм. Площадь его пластин составила 398 мкм х 398 мкм. При V1 = 3.3 В и V2 = 0 было достигнуто максимальное значение емкости, равное 2.84 пФ. Добротность такого конденсатора на частоте 1 ГГц равнялась 15.4, а коэффициент перестройки составил 1.87 : 1. Переменные микроконденсаторы с регулируемым зазором могут быть также реализованы методом самосборки (MESA). На рис. 4 показана микрофотография такого MESA-кон-денсатора. Поликремниевая пластина площадью 250 мкм х 250 мкм поднимается над подложкой при помощи четырех боковых опор длиной 300 мкм, управляемых микроприводами. Емкость такого микроконденсатора в исходном состоянии составляет 500 фФ, при поднятии пластины на высоту 250 мкм она снижается до 20 фФ. Главный недостаток такой системы — нелинейность изменения емкости от величины перемещения верхней пластины, что приводит к невозможности точной регулировки конденсатора. Рис. 4. MESA-конденсатор Установлено, что селективное удаление кремниевой подложки из-под пассивного элемента методом травления - эффективный способ улучшения его рабочих характеристик. Например, МДМ-конденсатор (металла-диэлектрикметалл), изготовленный на подвешенной мембране, при емкости 2.6 пФ на частоте 2 ГГц обладает добротностью более 100, тогда как аналогичный конденсатор, сформированный непосредственно на кремниевой подложке, при тех же условиях показал добротность меньше 10. На рис. 5 представлена фотография подвешенного МДМ-конденсатора, управляемого электростатическим способом. Конденсаторы изготавливаются на стандартной кремниевой подложке ртипа с ориентацией кристаллов (100) и удельным сопротивлением 3.5 Ом см, на которую наносятся два слоя металла: M1 толщиной 0.6 мкм и М2 – толщиной 1.4 мкм. Слой S3N4 наносится методом химического осаждения из газовой фазы 5 при низком давлении. Для получения МДМ-конденсаторов с большими значениями емкости при маленькой площади пластин между двумя металлическими слоями наносится слой Аl2О3. После нанесения слоев металлизации наносится шаблон пассивного элемента и производится селективное удаление нижележащего кремния методом жидкостного травления при помощи КОН. Рис. 5. Подвешенный МДМ-конденсатор Был реализован электростатический переменный микроконденсатор с цифровым управлением, имеющий коэффициент перестройки 4 : 1 и добротность на частоте 750 МГц, равную 140. Для регулируемых конденсаторов электростатический способ управления предпочтительнее термического, поскольку при этом достигается быстрая настройка при более высокой стабильности отклонения пластин. В рассматриваемом переменном конденсаторе (рис. 6) за счет особой организации верхней пластины удалось достичь линейности изменения емкости в ответ на изменение напряжения. Верхняя пластина здесь состоит из 30 пластин равной площади, каждая из которых имеет собственное балочное крепление разной ширины. При подаче управляющего напряжения верхние пластинки двигаются по направлению к нижней пластине каскадным образом, их передвижение определяется жесткостью индивидуальных креплений. Для расширения диапазона настройки переменные микроконденсаторы могут использовать двойные согласующие шлейфы и регулируемые преобразователи импеданса. Рис. 6. Схема переменного конденсатора с наборной верхней пластиной 6 Вопросы 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Микроконденсаторы с регулируемым зазором. Электростатическая регулировка. Принцип работы. Микроконденсаторы с регулируемым зазором. Приведите схему устройства и выражения для расчета добротности и максимального диапазона регулировки. Принцип действия электромеханического конденсатора с двумя параллельными пластинами. Принцип действия электромеханического конденсатора с тремя параллельными пластинами. MESA-конденсаторы. Структура. Принцип действия. Подвешенный МДМ-конденсатор. Структура. Принцип действия. Переменный конденсатор с наборной верхней пластиной. Структура. Принцип действия. 7
