Принцип действия и особенности конструкции исполнительных элементов микромеханических реле

Микромеханическое реле – это силовое микроустройство, осуществляющее разрыв или соединение линии передач при помощи исполнительного механизма, управляемого специальным сигналом. Микрореле используются в высокочастотных схемах для перенаправления сигналов (в том числе сигналов большой мощности и высокой частоты), а также в цепях согласования импеданса и для изменения усилительного коэффициента усилителей.

Любое микроэлектромеханическое устройство состоит из некоторого набора микроструктур, объединяющих механические и электронные компоненты, изготовленные по единой технологии (за исключением гибридных микроприборов). В общем случае, ЭКБ можно разделить на преобразователи, упругие подвесы, и электронные средства [ 1–4].

Принцип действия исполнительного механизма микрореле основан на преобразовании электрической энергии в механическую и наоборот, для чего применяются частотно-зависимые преобразователи. Преобразователи бывают пьезоэлектрическими, электрострикционными, магнитострикционными, электромагнитными, электродинамическими, электростатическими и др. [1].

Несмотря на то, что каждый из указанных типов преобразователей имеет свои достинства и недостатки, электромеханические приводы являются самыми распространенными в микросистемах [2]. Преимущество электростатических исполнительных механизмов заключается в отсутствии потребления тока, а недостаток – в высоком напряжении срабатывания (от 5 до 100 В). Электростатические реле применяются в системах, для которых важным является низкая потребляемая мощность [1].

Исполнительный элемент электростатического микрореле, в самом простом случае, представляет собой систему из двух коммутирующих электродов (подвижного и неподвижного), электрически изолированных друг от друга в разомкнутом состоянии [5].

В консольном микрореле такой элемент выполнен в виде свободно подвешенной консольной балки (см. рис.1) [2].

Рис.1.1. Консольное микромеханическое реле.

а) Ключ разомкнут; б) Ключ замкнут.

При подаче управляющего напряжения между металлическими поверхностями происходит перераспределение зарядов, что приводит к возникновению электростатических сил. Под действием этих сил, заставляющих свободно подвешенный контакт двигаться навстречу нижнему электроду, балочка прогибается. В ней возникают силы упругости, направленные в противоположных воздействию направлениях. В момент, когда электростатические силы превзойдут силы упругости – консоль резко упадет на нижний электрод, что приведет к замыканию электрических контактов (рис.1.1-б).

Консоль вернется в исходное положение (рис 1.1-а) после того, как приложенное напряжение станет ниже порогового значения размыкания контактов (которое, как правило, бывает значительно ниже напряжения срабатывания) [2].

Рассмотрим подробнее процессы, возникающие в балочке консольного микромеханического реле под действием внешней силы (рис. 1.2-а). Любой объем, расположенный в напряженном теле, подвержен воздействию двух типов сил: объемных и поверхностных [3].

Объемные силы действуют на все части упругого элемента извне, к ним относятся, например, сила тяжести и сила инерции. Поверхностные силы приобретают огромное значение для наноразмерных объектов, в частности, наноструктурированных пленок. Дальнейшая миниатюризация микроустройств и развитие планарных технологий в полупроводниковой промышленности уже происходит с учетом эффектов в приповерхностном слое, таких как, например, реконструкция атомов и возникновение другого порядка из-за ненасыщенности связей на поверхности [4].

Поверхностные силы в рассматриваемых микро- и нанотолщинных балочных подвижных элементах действуют через поверхность любого удельного объема со стороны окружающих частей. Через них выражаются механические напряжения. В свою очередь, связь между механическими напряжениями и деформациями определяет закон Гука. Если принять упругие свойства материала консоли анизотропными, то закон Гука в тензорной форме примет вид:

ε_ij = s_ijkl×T_kl (1.1)

где: s_ijkl – тензор упругих податливостей; T_kl – тензор мех. напряжений [3].

Выделим часть консольной балочки сечением S, левую часть упругого элемента отбросим. Уравновесим отсутствующую левую часть силами, распространяющимися по сечению, как показано на рис. 1.2-б.

Рис.1.2. а) Балочка консольного микрореле под действием силы Q.

б) Выделенная сечением S часть консольной балки.

Вертикальную составляющую смещения балочного исполнительного элемента можно найти на основе вычисленных компонент тензора механических напряжений и тензора упругих деформаций:

(1.2) где: а – толщина балочки; b – ширина балочки; L – длина балочки;

Q – действующая сила; S_ij – тензор упругих деформаций.

Выражение (1.2) справедливо для случая, когда кристаллографическая ориентация молекул материала балочки совпадает с осями x₁, x₂, x₃ (см. рис. 1.2). Расчет смещения консольной балки для всех случаев кристаллографической ориентации рассмотрены подробно в [3]. Четыре года спустя, другая группа ученых [5] также выяснила, что отклонение конца балки пропорционально L³/a³b.

Рассмотренный выше балочный подвижный элемент применяется при последовательном электрическом соединении, в случае параллельного соединения используют, например, двухконсольные микромеханические реле (рис.1.3), в которых роль исполнительного элемента выполняет жестко зафиксированная мембрана [6].

Рис.1.3. Двухконсольное (мембранное) микромеханическое реле.

а) Ключ разомкнут; б) Ключ замкнут [2].

При подачи сигнала на пластину действует равномерно распределенная нагрузка. Расчет напряжений и деформаций в таком балочном подвижном элементе сводится к решению уравнений на прогибы [4]. Таким образом, мы рассмотрели самые простые конструктивные схемы исполнительных элементов УМСТ – консоли и мембраны. В зависимости от поставленных задач и функционального назначения устройства в электростатических микрореле и других УМСТ могут применяться более сложные типовые конструкции исполнительных элементов.

Исполнительный элемент является самым критическим узлом конструкции микромеханического устройства, что объясняется механической сложностью и подверженностью к износу [2,3].

Исполнительный элемент (чувствительный элемент) устройств микросистемной техники (УМСТ), таких как ВЧ переключатель, акселерометр, датчик давления, состоит из инерционной массы (ИМ), которая смонтирована в корпус с помощью упругих подвесов [2]. На рис. 1.1 представлена принципиальная схема исполнительного элемента УМСТ.

	1 – корпус,
2 – упругий подвес,
3 – подвижный электрод,
4 – неподвижный электрод, S – площадь перекрытия обкладок подвижного и неподвижного электродов.
Рис. 1.4. – Конструктивная схема подвижного узла РМП [1].

Чувствительные элементы изготавливаются из различных материалов в зависимости от функционального назначения микроустройства: по объемной технологии – из полупроводников или диэлектриков [1-4], по многоуровневой поверхностной технологии – из диэлектрических и/или металличеких микро- и нанотолщинных пленок [2,4].

Исполнительные элементы микроприборов, таких как ВЧ переключатель, акселерометр, датчик давления, изготавливаются на основе гальванических пленок металлов (в том числе золота, меди и никеля), что позволяет упростить и удешевить технологию изготовления конструктивных элементов микромеханических устройств с требуемыми свойствами [2–4].

Характеристики исполнительных элементов зависят от конструктивной схемы, которая выбирается исходя из функционального назначения микроустройства, и технологии изготовления [1–4].

Рис. 1.5. Принципиальные схемы осевых ЧЭ [1] электроуправляемых микроустройств: а), б) ЧЭ с крестообразным подвесом; в),г) ЧЭ с z-образным косо-симметричным подвесом; д) ЧЭ с симметричным подвесом; е) ЧЭ с параллельным подвесом. 1 – ИМ; 2 – упругий элемент; 3 – опорная рамка [1].

Типовую схему ЧЭ можно оптимизировать в соотвествии с поставленной задачей с помощью упругих подвесов, которые бывают трех типов [2]:

Рис. 1.6. Варианты креплений подвесных исполнительных элементов УМСТ для получения низких коээфициентов упругости системы.

ЧЭ на рис.1.5 а), б) имеют две пары упругих элементов, расположенных крестообразно вдоль осей х,z. Конструктивный вариант б) может быть изготволен с меньшей жесткостью подвеса в направлении оси y. Ось чувствительности ЧЭ на рис 1.5 а), б) совпадают с осью y (начало координат на всех рисунках 1.5. находится в геометрическом центре пластин) [1].

Схема рис.1.5 а) реализуется в микрореле, проектируемом в ОАО «Российские Космические Системы»

Рис. 1.7 – Исполнительный элемент с крестообразным подвесом на упругих пружинах.

ЧЭ на рис.1.5 в),г),д) имеют по две пары упругих элементов, параллельных одной из осей: x или z. Эти подвесы могут быть названы z-образными и между ними есть разница, определяемая местом соединения упругого элемента с пластиной ИМ. Оси чувствительности конструкций на рис. в),г),д) совпадают с осью y. Причем, подбирая геометрические размеры упругих элементов, ЧЭ можно спроектировать таким образом, что ИМ будет чувствительна к любой из осей (особенно это относится к схеме д) [1].

Модифицированная схема д) реализуется в микроэлектромеханических переключателях «Теравикта» – одного из ведущих производителей МЭМС.

Рис. 1.8 – Схема исполнительного элемента с симметричным подвесом СВЧ-микрореле «Теравикта» [I].

Компания «Теравикта» анонсировала выход самого быстрого в мире MЭМС-коммутатора [а], работающего на частоте до 26,5 ГГц.

Исполнительный элемент по схеме (рис 1.5–е) может иметь ось чувствительности, совпадающую с осью y или x.

Схема реализуется в микромеханическом реле компании «Нортроп Грумман Корпарэйшн» (Northrop Grumman Corporation, Los Angeles, CA).

Рис 1.9 – Исполнительный элемент с параллельным подвесом на пружинных упругих элементах от «Нортроп Грумман Корпарэйшн» [II].

Исполнительные элементы на рис.1.5 действуют по тому же принципу, что и рассмотренные выше консоли (рис. 1.1) и мембраны (рис. 1.3).

Уравнение движения ИМ (прогиба) при условии, что центра масс и геометрический центр пластины совпадают, а также совпадают направление действующего ускорения с одной из координатных осей, например с осью y, имеет вид [1]:

my’ + b_yy’ + G_yy = ma_y, (1.3), где m – масса ИМ; b_y – коэффициент демпфирования вдоль оси y; G_y – суммарная жесткость подвеса в направлении оси y; a_y – действующее ускорение.

В установившемся режиме (y’=y”=0)

y = ma_y/ G_y (1.4),

Расчет смещения исполнительных элементов разной конструкции подробно рассмотрен в [4,6,7,8].

Таким образом, чувствительность исполнительного элемента зависит от конструкции ЧЭ и ряда параметров: y, y’, b_y, G_y, m.

На рабочие характеристики исполнительных элементов УМСТ влияют: величина зазора между ЧЭ и нижним электродом; напряжение срабатывания; коэффициент демпфирования; инерционная масса; жесткость упругого элемента. Первые три из них в значительной степени зависят от типа конструкции, оставшиеся два – инерционная масса и жесткость упругих элементов зависит от технологии изготовления.

ЧЭ для электроуправляемых УМСТ делают по многоуровневой поверхностной технологии на основе гальванических пленок металлов [3,7]. В зависимости от режимов формирования можно получать исполнительные элементы с различными механическими и электрофизическими характеристиками [5–7,10,13]. Масса и жесткость упругих подвессов может регулироваться временем гальванического осаждения.

В настоящей работе рассматриваются чувствительные элементы типовой конструкции (см рис. 1.7) для коммутационных микроустройств с ЧЭ, изготовленными на основе гальванических пленок золота [12] и никеля [13]. Режимы гальванического осаждения, обеспечивающие требуемые физико-механические свойства определены в [19,20].

Выбор адекватных режимов формирования исполнительных элементов – нетривиальная задача, обусловленная функциональным назначением микроустройства. Например, конструктивные особенности и режимы изготовления ЧЭ микропереключателей позволяют снизить себестоимость и вносимые энергопотери, обеспечить высокое отношение емкостей во включенном и выключенном состояниях, получить добротность того же порядка, что и у существующих электронных аналогов (диод Шотки, MOSFET, PIN-диод) [1–4,10].

Ввиду широкого применения коммутационных микроустройств в космическом приборостроении и других отраслях промышленности, большой интерес представляют пути улучшения рабочих характеристик УМСТ на основе таких исполнительных элементов. В связи с этим особое внимание уделяется технологии изготовления исполнительных элементов УМСТ.