Физико-технологические ограничения при изготовлении исполнительных элементов микромеханических реле, полученных методом гальванического осаждения

Интеграция микромеханических реле в УМСТ сопряжена с рядом практических трудностей. Для улучшения функциональных возможностей микрореле необходимо преодалеть физико-технологические ограничения основного элемента конструкции – исполнительного механизма.

В состав исполнительного механизма микрореле входят упругие элементы (подвесы – см. рис. 1.6), которые деформируются под действием сил различного характера, что приводит к изменению их потенциальной энергии. Эти изменения энергии в микросистемах могут использоваться различным образом. В настоящее время существует несколько основных типов упругих элементов, которые получили широкое применение в микросистемной технике. Выбор конфигурации упругого элемента в значительной мере зависит от технологии изотовления и от функциональной задачи микроустройства. Существуют упругие подвижные элементы балочного, мембранного и гребенчатого типов [12].

Исполнительный механизм микромеханических реле на основе балочных и мембранных упругих подвижных элементов обладает рядом преимуществ по сравнению с ключами на PIN диодах. Во-первых, процесс переключения не требует больших затрат энергии (обычно не более нескольких микроджоулей), во-вторых, переключение характеризуется высоким отношением емкостей во включенном и выключенном состоянии. Однако механический исполнительный механизм обладает и серьезными недостатками: низкой скоростью переключения и довольно высоким напряжением срабатывания, обычно 5..100 В [4].

Остановимся подробнее на недостатках или физико-технологических ограничениях микромеханических реле:

Скорость переключения. Механические ключи всегда уступают электронным в быстродействии, их скорость переключения лежит в диапазоне от микросекунд до миллисекунд в зависимости от материала и конструкции. Микромеханические реле, использующие мембрану небольшого веса, являются более быстро­действующими по сравнению с консольными переключателями. Время переключения зависит от прило­женного напряжения, эффективной жесткости балки и зазора меж­ду контактами. Скорость переключения можно снизить, уменьшая габаритные размеры деталей исполнительного механизма микрореле. Следует отметить, что уменьшение размеров балочного элемента помимо снижения времени переключения приводит к расширению полосы пропускаемых частот, уменьшению перемещаемой массы и к сокращению длительности процесса изменения состояния. При этом также снижается значение допустимого тока через контакт, превышение которого может привести к ухудшению характеристик микрореле после определенного числа циклов замыкания-размыкания [2].

Высокое напряжение срабатывания существенно ограничивает применение микромеханических реле в МЭМС, так как для применения в ВЧ и микроэлектронных системах напряжения должны быть не выше 5 В. Напряжение срабатывания можно уменьшить тремя способами [2]:

1. увеличением площади электродов;

2. уменьшением зазора между исполнительным механизмом (бал­кой, мембраной) и нижним электродом;

3. уменьшением упругости структуры.

Метод увеличения площади электродов прак­тически никогда не применяется в связи с тенденцией к миниатюризации в МЭМС. В методе уменьшения зазора расстояние между исполнительным элементом (консолью или мембраной) и электродом обуславливают два фактора: толщина жертвенного слоя и изгиб мембраны. Изгиб мембраны проявляется за счет наличия механического напряжения и его градиента в исполнительном элементе. Механические напряжения появляются в результате осаждения исполнительного элемента, а также процессов в слоеной структуре, имеющей слои с различными коэффициентами теплового расширения [12]. При уменьшении зазора между исполнительным элементом и электродом следует учесть ограничения на величину зазора, вызванные потерями на отраже­ние ВЧ сигнала. Метод уменьшения упругости структуры является самым гибким подходом, так как снижение упругости конструкции не приводит к значительному изменению размеров, веса и ВЧ характеристик микромеханических реле. Использование в ключах очень эластич­ных складчатых подвесных пружин и увеличение зоны действия электростатического поля позволяет значительно снизить напряжение сра­батывания. В последних разработках микромеханических реле: с исполь­зованием серпантинных и консольных пружин [12], а также подвесных консольных конструкций [13], удалось снизить напряже­ние срабатывания до 14... 16 В.

Рассмотрим еще один критический момент микромеханических реле за счет управляющего напряжения. Выключение ключа осуществляется путем снижения напряжения, однако балочный подвижный элемент возвращается в исходное состояние при меньшем напряжении, чем напряже­ние срабатывания, т. е. в системе появляется гистерезис. От гистерезиса можно избавиться, если механические микропереключатели изготавливать по многоуровневой поверхностной технологии с нанесением никеля гальваническим способом.

Изоляция ВЧ линий. При переключении микромеханического реле линии подачи управляющего напряжения должны быть хорошо изолированы от линий ВЧ сигнала, поэтому необходимо тщательно проду­мывать топологию схемы для обеспечения надежной изоляции ВЧ и управляющих линий друг от друга. При попадании постоянного напря­жения срабатывания в ВЧ тракт может произойти выход из строя ВЧ микрореле и тестирующих систем. Проблема решается с помощью элементов, блокирующих сигналы постоянного напряже­ния в ВЧ линиях. Другой вариант – с помощью спаренных линий. Благодаря низкому уровню рассеиваемой энергии и небольшому току срабатывания, изоляция ВЧ тракта от управляющих цепей в микрореле осуществляется весьма успешно [2].

Механические свойства. Изготовление балочного подвижного элемента сопровождается практическими трудностями, обусловленными механическими свойствами используемых материалов, например, напряжением в материале. Механическое напряжение в мостовых микрореле определяется, в основном, растяжением, которое составляет порядка 10⁷ Па. Это напряжение меняет константу упругости материала, за счет чего увеличивается пороговое напряжение. Структурные материалы, применяемые для построения микроструктур, должны удовлетворять механическим требова­ниям: выдерживать высокое разрушающее напряжение, быть устой­чивыми к пластическим деформациям, обладать низким уровнем ползучести и усталости, быть износостойкими. К механическим свойствам защитных материалов предъявляются не менее жесткие требования. Это необходимо для того, чтобы в процессе изготовления микросистемы не произошла поломка ее внутренних структур. К наиболее распространенным защитным материалам относятся: диоксид кремния, полимеры (полиимид), металлы (в основном алюминий) и диэлектрики для изоляции структурных слоев микроустройства друг от друга [2]. Исполнительные подвижные элементы с требуемыми механическими свойствами можно получить, регулируя параметры гальванического осаждения. В работе исследовались режимы гальванического осаждения никеля по плотности тока, температуре и времени осаждения, обеспечивающих воспроизводимое формирование балочных подвижных элементов на основе гальванически осажденного никеля.

Проблема залипания стоит особенно остро для ключей с металлическими контактами [2]. Залипание – это нежелательный эффект при контакте верхнего и нижнего электродов, возникающий за счет действия микроскопических сил на поверхности электродов, имею­щих плоскую форму. В значительной степени залипание контактов микрореле определяется морфологией поверхностей электродов. В работе исследовались механические свойства балочных подвижных элементов, такие как микрошероховатость и адгезия к подложке. При использовании биметаллических контактов помимо залипания необходимо также учитывать возникающие в цепи термоэлектрические эффекты [10].

Физико-химические и механические свойства электроосажденного никеля из­меняются в широких пределах в зависимости от природы электро­лита, состава, условий осаждения. Так, твердость, HV может изменяться от 1,3 до 5,0 ГПа, а напряжения σ в осадке меняются в пределах 0,3..1,4 ГПа [17,18].

Методом гальванического осаждения формируются практически все конструктивные элементы исполнительного механизма: нижний электрод, контактные упоры, опоры для подвижного элемента и, непосредственно, сам подвижный элемент. В связи с этим, одной из задач при проектировании микромеханических реле является исследование режимов гальванического осаждения.