Лекция 16.
advertisement
МИКРОКОНДЕНСАТОРЫ В МИКРОСИСТЕМАХ Часть 2 Электротермические переменные микроконденсаторы Как указывалось в предыдущем разделе, диапазон настройки электростатических микроконденсаторов ограничивается 2/3 первоначального зазора между параллельными пластинами, что приводит к теоретическому 50% пределу регулировки. Это ограничение по настройке можно преодолеть, используя термический способ управления. Термический принцип регулирования величины зазора основан на разности теплового расширения толстой и тонкой пластин привода, выполненных из поликремния (рис. 7). Был изготовлен переменный конденсатор, управляемый вертикальным электротермическим приводом, который продемонстрировал при величине емкости 0.1 пФ на частоте 10 ГГц добротность, равную 300. При этом электротермический привод управлял верхней пластиной конденсатора. Рис. 7. Сборка микроконденсатора методом перевернутого кристалла Вертикальное перемещение электротермического привода осуществляется за счет теплового рассогласования, вызванного разным распределением температур. Электротермический привод управляется за счет разного расширения широкого и узкого плечей, изготовленных из поликремния. Узкое плечо расширяется сильнее, заставляя привод складываться, что вызывает изменение зазора и, соответственно, емкости. Такой микроконденсатор хорошо работает на частотах миллиметрового диапазона, благодаря тому, что он собран методом перевернутого кристалла и перенесен с кремниевой подложки, обладающей большими потерями, на подложку из окиси алюминия с низкими потерями. Кремниевая подложка, используемая для построения многих микроструктур, не подходит для изготовления ВЧ устройств без модификации традиционной технологии. Одной из таких модификаций является монтаж методом перевернутого кристалла и закрепление микроустройства на керамической подложке. Этот метод используется для оптимальной интеграции микроструктур в существующие схемы или изготовления микроструктур на новой поверхности. На рис. 7 показана схема изготовления микроконденсатора на GaAs или керамической подложке методом перевернутого кристалла. По окончании процесса изготовления микроструктуры кремниевая подложка 1 удаляется. На рис. 8 представлена схема переменного электротермического конденсатора, а на рис. 9 – фотография такого микроконденсатора, изготовленного на керамической подложке. Проведенные исследования показали, что при изменении напряжения смещения в диапазоне 0... 2.5 В коэффициент регулирования емкости такого микроконденстора составляет 2.7 : 1. На рис. 10 и 11 приведены экспериментально полученные характеристики рассматриваемого конденсатора. Рис. 8. Схема электротермического переменного конденсатора Использование электротермического привода для регулирования емкости является довольно перспективным методом построения переменных конденсаторов, поскольку он снимает 50% ограничение по настройке, характерное для всех электростатических микроконденсаторов. Однако электротермические приводы имеют низкое быстродействие и сравнительно большую потребляемую мощность: порядка 10 мА при 3В. 2 Рис. 9. Фотография электротермического переменного конденсатора Рис. 10. Зависимость емкости конденсатора от напряжения смещения Рис. 11. Зависимость добротности от частоты при значении емкости 0.1 пФ Недостаток всех микроконденсаторов с регулируемым зазором – невозможность работы с мощными ВЧ сигналами, что объясняется малой величиной зазора между пластинами. При настройке конденсатора на большие значения емкости пластины сближаются ближе и ближе, что при мощных сигналах может привести к электрическому пробою через воздушный зазор. Пьезоэлектрические переменные конденсаторы Для регулирования зазора между электродами переменного конденсатора можно использовать пьезоэлектрический привод. Существует регулируемый микроконденсатор, управляемый приводом на основе титаната цирконата свинца (PZT), встроенный в схему линии передач с копланарным волноводом. У такого конденсатора отношение Cmax/Cmin при напряжении смещения 6В равно 3.1/1. Достоинствами описанного пьезоэлектрического конденсатора являются низкое управляющее напряжение и линейность регулировки. PZT приводы изготавливаются на кремниевой подложке, нарезаются в форме кубиков и 3 методом перевернутых кристаллов крепятся к линии передач на кварцевой подложке (рис. 12). Напряжение смещения, подаваемое на управляющий контакт, заставляет PZT привод вертикально опускаться на диэлектрический слой, расположенный на верхней части фиксированных электродов. Рис. 12. Фотографии PZT-привода: а – привод изготовлен на основе кремниевой подложке методами объемной технологии; б – увеличенный вид PZT-привод Изменение величины зазора между верхним и нижним электродами приводит к изменению емкости устройства. Линия передач и управляющие электроды изготавливаются из металлов Pt/Cu/Ar на кварцевой подложке по технологии «lift-off». Далее методом селективного жидкостного травления формируется структура конденсатора с параллельными пластинами и осаждается слой диэлектрика. После чего на верхнюю часть линии передач, пластину заземления и управляющие электроды электролитическим способом наносится покрытие из золота. На рис. 12 показан изготовленный PZT-привод, используемый в качестве подвижного верхнего электрода переменного микроконденсатора. Такой конденсатор обладает добротностью 210 на частоте 1 ГГц. Микроконденсаторы с регулируемой площадью пластин Для конденсаторов с переменной площадью пластин не существует пределов по настройке, что является их преимуществом перед конденсаторами 4 с переменным зазором. Гребенчатый микроконденсатор – один из самых простых конденсаторов с регулируемой площадью пластин. Его диапазон регулирования ограничивается только конструктивными особенностями поддерживающей пружины и длиной гребенки. В работе рассмотрена схема электростатической микросистемы позиционирования гребенчатой структуры с металлическими проводниками. В этой системе для изменения зоны перекрытия между электродами используется электростатический микродвигатель, плавно перемещающий гребенки. Такая структура идеально подходит для построения емкостных микропереключателей, переменных конденсаторов и подстроечных шлейфов, работающих в ВЧ диапазоне 2...45 ГГц. В реализованном по такой схеме переменном микроконденсаторе при изменении напряжения смещения в диапазоне 80... 200 В значение емкости меняется от 0.035 до 0.1 пФ. В гребенчатой структуре одна из гребенок обычно является стационарной, а вторая – подвижной. Когда к гребенкам прикладывается управляющее напряжение, между зубцами появляются электростатические силы, действующие на боковые стороны и заставляющие подвижную гребенку перемещаться относительно неподвижной, меняя площадь перекрытия и оставляя неизменным зазор между ними. Из рис. 13, на котором показана микрофотография гребенчатого микроконденсатора, видно что его диапазон непрерывной регулировки превышает 200%, при этом коэффициент перестройки равен 3:1. На рис. 14 показаны положения гребенок при разных управляющих напряжениях. На рис. 15 представлена зависимость емкости гребенчатого микроконденсатора от управляющего напряжения, из которой видно, что площадь перекрытия влияет на величину емкости. Полная емкость рассматриваемого конденсатора при нулевом напряжении смещения равна 5.19пФ. а при напряжении 5В – 2.48пФ. Его добротность на частоте 500МГц составляла 34, а коэффициент перестройки при изменении напряжении смещения в диапазоне 2...14 В был равен 3:1. Микроконденсаторы с регулируемой диэлектрической проницаемостью Из уравнения (2) видно, что изменение диэлектрической проницаемости приводит к пропорциональному изменению величины емкости конденсатора с параллельными пластинами. Поэтому, изменяя свойства материала между проводящими пластинами, можно реализовать переменный микроконденсатор, обладающий высокой добротностью. Этот принцип может быть применен в гребенчатых и двойных структурах, где постоянное напряжение смещения приводит к изменению электрических свойств. Для построения таких микроконденсаторов на подложку из LаАlO3 или MgO методом лазерного осаждения из газовой фазы наносятся тонкие пленки ферроэлектрического материала, например, BaxSr1-xTiO3, меняющего свою диэлектрическую проницаемость при изменении управляющего напряжения. 5 Рис. 13. Фотографии гребенчатого переменного конденсатора со сканирующего микроскопа с тремя различными коэффициентами увеличения Рис. 14. Фотография переменного гребенчатого конденсатора при разных управляющих напряжениях 6 Рис. 15. Зависимость емкости от управляющего напряжения для конденсатора, показанного на рис. 14 Толщина пленки зависит от выбранного стехиометрического соотношения. На верхней части этих пленок методами фотолитографии и «liftoff» формируется гребенчатый конденсатор (рис. 16). Рассматриваемый конденсатор в частотном диапазоне 50 МГц...20 ГГц при изменении напряжения смещения от 1 до 40 В имел коэффициент перестройки 3.4 : 1. Регулирующее напряжение можно понизить при изготовлении гребенчатой структуры на кремниевой подложке и нанесении сверху нее тонкой ферроэлектрической пленки. Переменные конденсаторы с регулируемой диэлектрической проницаемостью нашли свое применение в микрофазовращателях. Рис. 16. Схема с размерами гребенчатого конденсатора с регулируемой диэлектрической проницаемостью 7 Вопросы 1. Принцип сборки микроконденсаторов методом перевернутого кристалла. 2. Электротермический переменный конденсатор. Структура. Принцип работы. 3. Электротермический переменный конденсатор. Структура. Зависимость емкости конденсатора от напряжения смещения. 4. Электротермический переменный конденсатор. Структура. Зависимость добротности электротермического конденсатора от частоты при значении емкости 0.1 пФ. 5. Пьезоэлектрические переменные конденсаторы. Структура. Принцип работы. 6. Микроконденсаторы с регулируемой площадью пластин. Принцип работы. 7. Микроконденсаторы с регулируемой диэлектрической проницаемостью. Схема устройства. Принцип работы. 8
