Существует множество перспективных применений для радиочастотных МЭМС-переключателей, включая использование в перестраиваемых фильтрах, антеннах, сенсорных приемниках и радиочастотных идентификаторах [2].  Почему так трудно разрабатывать эти устройства?

Задачи и проблемы проектирования и изготовления

МЭМС-переключатели и переменные конденсаторы с электростатическим приводом используют нестабильность "притяжения" для достижения срабатывания и фиксации с низким энергопотреблением. Высокая степень нелинейности в сочетании с механическим контактом и производственными эффектами, такими как градиенты напряжения тонкой пленки, делают создание высокопроизводительной и надежной конструкции особенно сложной задачей. Следовательно, многие из этих устройств были выведены на рынок только после нескольких лет дорогостоящих циклов исследования кремния.

Существует несколько проблем, которые необходимо решить при разработке радиочастотного МЭМС-переключателя. C механической точки зрения, устройство должно выдерживать миллиарды циклов срабатывания, открывая и закрывая привод высоконадежным способ. Для предотвращения прямого контакта между электродами часто используются контактные блоки.  Также очень важно понимать динамическое нелинейное поведение устройства. При проектировании устройства необходимо оптимизировать замыкание, размыкание и частотный гистерезис, чтобы обеспечить соответствие конечным спецификациям продукта.  Более того, переходное поведение радиочастотного МЭМС-переключателя очень чувствительно к размерам устройства и изменчивости технологического процесса, что делает эти параметры критически важными для производительности и выхода годной продукции. РЧ МЭМС-переключатели также часто используют сложные композитные материалы, такие как слои металлов и диэлектриков, которые демонстрируют индуцированные при изготовлении остаточные напряжения и градиенты напряжений. Каждый из этих факторов оказывает существенное влияние на достижение конечных характеристик устройства и соблюдение проектных спецификаций.

Моделирование поведения этих нелинейных радиочастотных МЭМС-компонентов является непростой задачей.  Сложная физика и переходное поведение этих устройств не могут быть точно смоделированы с помощью аналитических формул. К сожалению, также очень трудно моделировать переходные процессы открытия и закрытия этих устройств с использованием обычных объемных конечно-элементных инструментов из-за резкого изменения воздушного зазора между открытым и закрытым состояниями устройства.   Любое моделирование анализа конечных элементов (МКЭ) требует сложного преобразования или повторного создания сетки при каждой итерации решателя. Статическое моделирование переключателя в инструменте МКЭ может занять много часов вычислительного времени, в то время как моделирование переходных процессов практически невозможно. Это существенно ограничивает ценность обычных инструментов конечных элементов для исследования и оптимизации конструкции.

Динамическое поведение радиочастотного МЭМС-переключателя необходимо понимать, чтобы не только разработать лучший переключатель, но и спроектировать систему вокруг него.  Вся система включает в себя микросхему МЭМС, управляющую электронику и интегральные схемы, радиочастотные компоненты и корпус.  Оптимизация всей системы является ключом к успеху и требует реалистичной (а не идеалистичной) модели устройства и системы.

Быстрое и точное моделирование этих устройств, выполненное до изготовления, может устранить многие из этих трудоемких циклов проектирования. MEMS+ и CoventorWare решают эти проблемы и вместе обеспечивают комплексную платформу для проектирования радиочастотных переключателей и варакторов.

Использованная литература:

1. https://www.coventor.com/blog/overcoming-rf-mems-switch-development-challenges/
2. https://www.coventor.com/blog/rf-mems-switches-understanding-their-operation-advantages-and-future/
3. New Simulation and Experimental Methodology for Analyzing Pull-in and Release in MEMS Switches, M. Kamon, S. Maity, D. DeReus, Z. Zhang, S. Cunningham, S. Kim, J. McKillop, A. Morris, G. Lorenz, L. Daniel, IEEE Transducers 2013, Barcelona, SPAIN, 16-20 June 2013
4. Dynamic Characterization of Tunable RF MEMS Products, Dana DeReus, Shawn Cunningham, Saravana Natarajan, Art Morris, Jeff Hilbert, IEEE MEMS 2014, san Francisco, USA, January 26-30, 2014
5. Linearity and RF Power Handling on Capacitive RF MEMS Switches, David Molinero, Samira Aghaei, Arthur S. Morris, Shawn Cunningham , IEEE Transaction of Microwave Theory and Techniques, Vol. 67, No 12, 2019
6. Mehdaoui, S. Rouvillois, G. Schröpfer, G. Lorenz, M. Kaynak, M. Wietstruck. “Residual Stress and Switching Transient Studies for BiCMOS Embedded RF MEMS Switch Using Advanced Electro-Mechanical Models.” 14th International Symposium on RF MEMS and RF Microsystems (MEMSWAVE 2013), Germany, July 2013.
7. Jun Zou, Chang Liu, Jose E. Schutt-Aine, “Development of a wide-tuning range two-parallel-plate tunable capacitor for integrated wireless communication systems”, Int. J. RF Microwave Computed Aided Eng., Vol.11, No. 5, pp. 322-329, Sept. 2001.