RU2705564C1

RU2705564C1 - Integrated microelectromechanical switch

Info

Publication number: RU2705564C1
Application number: RU2018145613A
Authority: RU
Inventors: Игорь Евгеньевич Лысенко; Борис Георгиевич Коноплев; Алексей Вячеславович Ткаченко; Алина Сергеевна Исаева
Priority date: 2018-12-20
Filing date: 2018-12-20
Publication date: 2019-11-08

Abstract

FIELD: electronic equipment.

SUBSTANCE: invention relates to microsystem equipment and can be used in integrated electronics for signal switching. Technical result is achieved by introducing two electrostatic drives, first of which comprises capacitive switching element formed by electrostatic drive fixed lower electrode, made of conductor material, built-in to coplanar waveguide transmission line with applied on its surface dielectric layer, located with clearance under movable electrode of electrostatic drive, made in the form of a plate with perforation from conductor material, fixed on the substrate using four support elements made of conductive material and located directly on the grounding lines of the coplanar waveguide, by means of elastic suspension elements, made in the form of meander corrugated beams of conductor material, fixed electrostatic drive top electrode, made in form of a plate with perforation from conductor material with transverse elastic beams of conductor material applied to its surface, fixed on four support elements located directly on substrate, second electrostatic drive consisting of two movable electrodes of electrostatic drive, made of conductor material in form of comb structures on one side, arranged symmetrically on both sides of movable electrode of first electrostatic drive and fixed on support elements of movable electrode of first electrostatic drive by means of two pairs of elastic suspensions, made in the form of elastic beams of conductor material and two resilient elements made of conductive material and fixed directly to the movable electrode of the first electrostatic drive, two fixed electrodes of electrostatic drive made of conductor material in form of comb structures on one side and located directly on substrate on both sides of movable electrodes of second electrostatic drive with possibility of electrostatic interaction with them in plane of their plates through side gaps and interpenetrating each other by combs of electrodes.

EFFECT: commutation of centimeter wave range signals with low insertion loss, low inductance, low bias voltage, short switching time from one state to another, elimination of sensitivity to vibrations, external accelerations, exclusion of arbitrary actuation of the switch during switching of signals of high power, increase of rigidity of the structure of the upper electrodes of the electrostatic drive.

1 cl, 2 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области микросистемной техники и может быть использовано в интегральной электронике для коммутации сигналов.The present invention relates to the field of microsystem engineering and can be used in integrated electronics for switching signals.

Известен интегральный микроэлектромеханический переключатель [Gabriel М. Rebeiz, RF MEMS: Theory, Design, and Technology, John Wiley & Sons, Inc. ISBN: 0471-20169-3, p.125, fig. 5.3] который содержит подложку с расположенным на ней компланарным волноводом, состоящим из двух заземляющих линий и линии передачи, выполненных из проводникового материала, неподвижный электрод электростатического привода, выполненный из проводникового материала и расположенный непосредственно на линии передачи, диэлектрический слой, расположенный на поверхности неподвижного электрода электростатического привода, подвижный электрод электростатического привода, выполненный в виде пластины с перфорацией из проводникового материала и расположенный с зазором относительно диэлектрического слоя, закрепленный на подложке с помощью опорных элементов, выполненных из проводникового материала и расположенных непосредственно на заземляющих линиях компланарного волновода, образующий с линией передачи плоский конденсатор переменной емкости.An integrated microelectromechanical switch is known [Gabriel M. Rebeiz, RF MEMS: Theory, Design, and Technology, John Wiley & Sons, Inc. ISBN: 0471-20169-3, p. 125, fig. 5.3] which contains a substrate with a coplanar waveguide located on it, consisting of two grounding lines and a transmission line made of a conductive material, a fixed electrode of an electrostatic drive made of a conductive material and located directly on the transmission line, a dielectric layer located on the surface of the fixed electrode electrostatic drive, a movable electrode of an electrostatic drive, made in the form of a plate with perforation of a conductive material and disposed with a gap relative dielectric layer mounted on a substrate via support elements, made of conductive material and arranged directly on the grounding lines of the coplanar waveguide transmission line forming a flat variable capacitor.

Данный переключатель позволяет коммутировать сигналы частотой до 40 ГГц с низкими вносимыми потерями, низкой индуктивностью, малым временем переключения, низким напряжением смещения.This switch allows switching signals with a frequency of up to 40 GHz with low insertion loss, low inductance, short switching time, low bias voltage.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, являются компланарный волновод, неподвижный электрод электростатического привода, подвижный электрод электростатического привода, выполненный в виде пластины с перфорацией из проводникового материала, диэлектрический слой, опорные элементы, выполненные из проводникового материала.Signs of an analogue that coincide with the essential features are a coplanar waveguide, a fixed electrode of an electrostatic drive, a movable electrode of an electrostatic drive made in the form of a plate with perforation of a conductive material, a dielectric layer, and support elements made of a conductive material.

Недостатком конструкции переключателя являются возможные произвольные срабатывания при коммутации сигналов высокой мощности, чувствительность к вибрациям и внешним ускорениям вдоль осей X, Y, Z, прилипание подвижного электрода электростатического привода к неподвижному электроду, вызванное инжекцией зарядов на поверхность и в объем диэлектрического слоя, что приводит к значительному снижению добротности, а так же в связи с этим высокая плотность электрического тока, протекающего через диэлектрический слой и внезапная разность потенциалов между двумя точками, что, как правило, приводит к необратимому разрушению диэлектрического слоя, который начинает вести себя как проводник.The design flaw of the switch is possible arbitrary triggering when switching high-power signals, sensitivity to vibrations and external accelerations along the X, Y, Z axes, adhesion of the moving electrode of the electrostatic drive to the fixed electrode, caused by the injection of charges on the surface and in the volume of the dielectric layer, which leads to a significant decrease in the quality factor, and also in connection with this, the high density of the electric current flowing through the dielectric layer and the sudden potential difference between two points, which, as a rule, leads to irreversible destruction of the dielectric layer, which begins to behave like a conductor.

Функциональным аналогом заявленного объекта является микроэлектромеханический переключатель [Gabriel М. Rebeiz, RF MEMS: Theory, Design, and Technology, John Wiley & Sons, Inc. ISBN: 0471-20169-3, p. 126, fig. 5.4] содержащий подложку с расположенным на ней компланарным волноводом, состоящим из двух заземляющих линий и линии передачи, выполненных из проводникового материала, неподвижный электрод электростатического привода, выполненный из проводникового материала и расположенный непосредственно на линии передачи, диэлектрический слой, расположенный на поверхности неподвижного электрода электростатического привода, подвижный электрод электростатического привода, выполненный в виде пластины с перфорацией из проводникового материала, образующий с линией передачи плоский конденсатор переменной емкости, расположенный с зазором относительно диэлектрического слоя и закрепленный на подложке с помощью опорных элементов, расположенных непосредственно на заземляющих линиях компланарного волновода по средством упругих элементов подвеса, имеющих форму меандра, выполненных из проводникового материала.A functional analogue of the claimed object is a microelectromechanical switch [Gabriel M. Rebeiz, RF MEMS: Theory, Design, and Technology, John Wiley & Sons, Inc. ISBN: 0471-20169-3, p. 126, fig. 5.4] containing a substrate with a coplanar waveguide located on it, consisting of two grounding lines and a transmission line made of a conductive material, a fixed electrode of an electrostatic drive made of a conductive material and located directly on the transmission line, a dielectric layer located on the surface of the stationary electrostatic electrode a drive, a moving electrode of an electrostatic drive, made in the form of a plate with perforation of a conductive material, A flat capacitor of variable capacitance connected with the transmission line and positioned with a gap relative to the dielectric layer and mounted on the substrate with the help of support elements located directly on the grounding lines of the coplanar waveguide by means of elastic suspension elements having the shape of a meander made of conductive material.

Данный переключатель позволяет коммутировать сигналы частотой до 40 ГГц с низкими вносимыми потерями, низкой индуктивностью, малым временем переключения, низким напряжением смещения, обладает высоким соотношением емкости благодаря использованию материала с высокой диэлектрической проницаемостью в качестве материала диэлектрического слоя.This switch allows switching signals with a frequency of up to 40 GHz with low insertion loss, low inductance, short switching time, low bias voltage, has a high capacitance ratio due to the use of a material with high dielectric constant as a material of the dielectric layer.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, являются компланарный волновод, неподвижный электрод электростатического привода, подвижный электрод электростатического привода, выполненный в виде пластины из проводникового материала с перфорацией, диэлектрический слой, опорные элементы, выполненные из проводникового материала, упругие элементы подвеса, имеющие форму меандра, выполненные из проводникового материала.Signs of an analogue that coincide with the essential features are a coplanar waveguide, a fixed electrode of an electrostatic drive, a movable electrode of an electrostatic drive made in the form of a plate of conductive material with perforation, a dielectric layer, support elements made of a conductive material, elastic suspension elements having the shape of a meander made of conductive material.

Недостатком конструкции переключателя является чувствительность к вибрациям и внешним ускорениям вдоль осей X, Y, Z, прилипание подвижного электрода электростатического привода к неподвижному электроду, вызванное инжекцией зарядов на поверхность и в объем диэлектрического слоя, что приводит к значительному снижению коэффициента емкости, возможные произвольные срабатывания при коммутации сигналов высокой мощности, а так же высокая плотность электрического тока, протекающего через диэлектрический слой и внезапная разность потенциалов между двумя точками, что, как правило, приводит к необратимому разрушению диэлектрического слоя, который начинает вести себя как проводник.A drawback of the design of the switch is its sensitivity to vibrations and external accelerations along the X, Y, Z axes, adhesion of the movable electrode of the electrostatic drive to the fixed electrode, caused by the injection of charges on the surface and in the volume of the dielectric layer, which leads to a significant decrease in the capacitance coefficient, possible arbitrary triggering when switching of high power signals, as well as a high density of electric current flowing through the dielectric layer and a sudden potential difference between two points, which usually leads to irreversible destruction of the dielectric layer which behaves as a conductor.

Из известных наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является интегральный микроэлектромеханический переключатель [S.-C. Shen and М. Feng, Low actuation voltage RF MEMS switches with signal frequencies from 0.25 GHz to 40 GHz, in Proceedings, IEEE International Electronics Device Meeting, December 1999, p. 689, fig. 1], содержащий подложку с расположенным на ней компланарным волноводом, состоящим из двух заземляющих линий и линии передачи, выполненных из проводникового материала, емкостной переключающий элемент, образованный двумя неподвижными нижними электродами электростатического привода, выполненными из проводникового материала и расположенными непосредственно на подложке симметрично по краям линии передачи и с зазором под подвижным электродом электростатического привода, выполненным в виде пластины с перфорацией из проводникового материала, закрепленным на подложке с помощью опорных элементов, выполненных из проводникового материала и находящихся непосредственно на заземляющих линиях компланарного волновода, неподвижный верхний электрод, выполненный из проводникового материала и закрепленный на подложке с помощью опорных элементов, выполненных из проводникового материала и расположенный с зазором над подвижным электродом электростатического привода, диэлектрический слой, расположенный на поверхности неподвижных нижних электродов электростатического привода и линии передачи.Of the known closest in technical essence to the claimed object is an integrated microelectromechanical switch [S.-C. Shen and M. Feng, Low actuation voltage RF MEMS switches with signal frequencies from 0.25 GHz to 40 GHz, in Proceedings, IEEE International Electronics Device Meeting, December 1999, p. 689, fig. 1], comprising a substrate with a coplanar waveguide located on it, consisting of two grounding lines and a transmission line made of a conductive material, a capacitive switching element formed by two fixed lower electrostatic drive electrodes made of a conductive material and located directly on the substrate symmetrically at the edges transmission lines and with a gap under the movable electrode of the electrostatic drive, made in the form of a plate with perforation from a conductive material Ala, mounted on a substrate using support elements made of a conductive material and located directly on the grounding lines of the coplanar waveguide, a fixed upper electrode made of conductive material and mounted on a substrate using support elements made of a conductive material and located with a gap above the movable an electrostatic drive electrode, a dielectric layer located on the surface of the stationary lower electrodes of the electrostatic drive and transmission lines.

Данный переключатель позволяет коммутировать сигналы частотой до 40 ГГц с низкими вносимыми потерями и низкой индуктивностью.This switch allows switching signals up to 40 GHz with low insertion loss and low inductance.

Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками, являются подложка с расположенным на ней компланарный волноводом, неподвижный нижний электрод, выполненный из проводникового материала, подвижный электрод электростатического привода, выполненный в виде пластины с перфорацией из проводникового материала, неподвижный верхний электрод электростатического привода, выполненный из проводникового материала и расположенный с зазором над подвижным электродом, диэлектрический слой, опорные элементы, выполненные из проводникового материала, упругие подвесы, состоящие из упругих балок в форме меандра, выполненные из проводникового материала.Signs of the prototype that coincide with the essential features are a substrate with a coplanar waveguide located on it, a fixed lower electrode made of a conductive material, a movable electrode of an electrostatic drive made in the form of a plate with perforation of a conductive material, a fixed upper electrode of an electrostatic drive made of a conductor material and located with a gap above the movable electrode, the dielectric layer, support elements made of conductor th material, elastic suspension, consisting of elastic beams in the form of a meander, made of conductive material.

Недостатком конструкции данного переключателя является чувствительность к механическим воздействиям, таким как вибрации, внешнее ускорение в положительном и отрицательном направлении осей X, Y, прилипание подвижного электрода электростатического привода к диэлектрическому слою, вызванное инжекцией зарядов на поверхность и в объем диэлектрического слоя, что приводит к значительному снижению коэффициента емкости, в связи с этим недостаточная жесткость конструкции переключателя для того, чтобы подвижный электрод электростатического привода принял исходное положение в следствии действия сил упругости и как следствие относительно высокое время переключения из одного состояния в другое, возможные произвольные срабатывания при коммутации сигналов высокой мощности, а так же высокая плотность электрического тока, протекающего через диэлектрический слой и внезапная разность потенциалов между двумя точками, что, как правило, приводит к необратимому разрушению диэлектрического слоя, который начинает вести себя как проводник.The design drawback of this switch is its sensitivity to mechanical influences, such as vibration, external acceleration in the positive and negative directions of the X, Y axes, adhesion of the movable electrode of the electrostatic drive to the dielectric layer, caused by the injection of charges on the surface and in the volume of the dielectric layer, which leads to a significant lower capacitance, in connection with this insufficient rigidity of the design of the switch so that the movable electrode is electrostatic of the drive took its initial position due to the action of elastic forces and, as a result, a relatively high switching time from one state to another, possible arbitrary trips when switching high-power signals, as well as a high density of electric current flowing through the dielectric layer and a sudden potential difference between two points , which, as a rule, leads to irreversible destruction of the dielectric layer, which begins to behave like a conductor.

Технический результат, достигаемый при осуществлении предполагаемого изобретения, заключается в возможности коммутации сигналов сантиметрового волнового диапазона с низкими вносимыми потерями, низкой индуктивностью, низким напряжением смещения, малым временем переключения из одного состояния в другое, исключение чувствительности к вибрациям, внешним ускорениям в положительном и отрицательном направлении осей X, Y, Z, наличие механизмов возвращения подвижного электрода электростатического привода в исходное состояние в случае его прилипания в нижнем или в верхнем положении, исключение произвольных срабатываний переключателя при коммутации сигналов высокой мощности, повышение жесткости конструкции неподвижного верхнего электрода электростатического привода.The technical result achieved by the implementation of the proposed invention is the possibility of switching signals of the centimeter wave range with low insertion loss, low inductance, low bias voltage, short switching time from one state to another, eliminating sensitivity to vibrations, external accelerations in the positive and negative direction axes X, Y, Z, the presence of mechanisms to return the movable electrode of the electrostatic drive to its original state if it ilipaniya in the lower or the upper position, triggering exception arbitrary switch for switching high power signals increase rigidity of the fixed upper electrode of the electrostatic actuator.

Технический результат достигается за счет введения двух электростатических приводов, первый из которых содержит емкостной переключающий элемент, образованный неподвижным нижним электродом электростатического привода, выполненным из проводникового материала, встроенным в линию передачи компланарного волновода с нанесенным на его поверхность диэлектрическим слоем, расположенным с зазором под подвижным электродом электростатического привода, выполненным в виде пластины с перфорацией из проводникового материала, закрепленным на подложке с помощью четырех опорных элементов, выполненных из проводникового материала и расположенных непосредственно на заземляющих линиях компланарного волновода, по средством упругих элементов подвеса, выполненных в виде упругих балок в форме меандра из проводникового материала, неподвижным верхним электродом электростатического привода, выполненным в виде пластины с перфорацией из проводникового материала с нанесенными на его поверхность поперечными упругими балками из проводникового материала, закрепленного на четырех опорных элементах, расположенных непосредственно на подложке, второй электростатический привод, состоящий из двух подвижных электродов электростатического привода, выполненных из проводникового материала в виде гребенчатых структур с одной из сторон, расположенных симметрично по обе стороны подвижного электрода первого электростатического привода и закрепленных на опорных элементах крепления подвижного электрода первого электростатического привода с помощью двух пар упругих подвесов, выполненных в виде упругих балок из проводникового материала и двух упругих элементов, выполненных из проводникового материала и закрепленных непосредственно на подвижном электроде первого электростатического привода, двух неподвижных электродов электростатического привода, выполненных из проводникового материала в виде гребенчатых структур с одной из сторон и расположенных непосредственно на подложке по обе стороны от подвижных электродов второго электростатического привода с возможностью электростатического взаимодействия с ними в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенками электродов.The technical result is achieved by introducing two electrostatic drives, the first of which contains a capacitive switching element formed by a fixed lower electrode of an electrostatic drive made of a conductive material, integrated into the transmission line of the coplanar waveguide with a dielectric layer deposited on its surface, located with a gap under the movable electrode electrostatic drive, made in the form of a plate with perforation of a conductive material, mounted on spoon using four support elements made of conductive material and located directly on the grounding lines of the coplanar waveguide, by means of elastic suspension elements made in the form of elastic beams in the form of a meander of conductive material, a stationary upper electrode of the electrostatic drive, made in the form of a plate with perforation from a conductive material with transverse elastic beams deposited on its surface from a conductive material fixed to four supporting elements located directly on the substrate, the second electrostatic drive, consisting of two movable electrodes of the electrostatic drive, made of conductive material in the form of comb structures on one of the sides, located symmetrically on both sides of the movable electrode of the first electrostatic drive and mounted on supporting elements of the fastening of the movable electrode the first electrostatic drive using two pairs of elastic suspensions made in the form of elastic beams from a conductor m material and two elastic elements made of a conductive material and mounted directly on the movable electrode of the first electrostatic drive, two fixed electrodes of the electrostatic drive, made of conductive material in the form of comb structures on one side and located directly on the substrate on both sides of the movable electrodes of the second electrostatic drive with the possibility of electrostatic interaction with them in the plane of their plates through lateral gaps and imopronikayuschie each other combs electrodes.

Для достижения необходимого технического результата в интегральный микроэлектромеханический переключатель, содержащий подложку с расположенным на ней компланарным волноводом, состоящим из двух заземляющих линий и линии передачи, выполненных из проводникового материала, неподвижный нижний электрод первого электростатического привода, выполненный из проводникового материала, диэлектрический слой, расположенный на поверхности неподвижного нижнего электрода первого электростатического привода, подвижный электрод первого электростатического привода, выполненный в виде пластины с перфорацией из проводникового материала и расположенный с зазором относительно диэлектрического слоя, закрепленный на подложке с помощью четырех опорных элементов, выполненных из проводникового материала и расположенных непосредственно на заземляющих линиях компланарного волновода по средством упругих элементов подвеса, выполненных в виде упругих балок в форме меандра из проводникового материала, неподвижный верхний электрод первого электростатического привода, выполненный в виде пластины с перфорацией из проводникового материала, введен закрепленный на четырех опорных элементах, выполненных из проводникового материала и расположенных непосредственно на заземляющих линиях компланарного волновода по средством упругих элементов подвеса, второй электростатический привод, состоящий из двух подвижных электродов второго электростатического привода, выполненных из проводникового материала в виде гребенчатых структур с одной из сторон, расположенных симметрично по обе стороны подвижного электрода первого электростатического привода и закрепленных на опорных элементах крепления подвижного электрода первого электростатического привода с помощью двух пар упругих подвесов, выполненных в виде упругих балок из проводникового материала и двух упругих элементов, выполненных из проводникового материала и закрепленных непосредственно на подвижном электроде первого электростатического привода, двух неподвижных электродов второго электростатического привода, выполненных из проводникового материала в виде гребенчатых структур с одной из сторон и расположенных непосредственно на подложке по обе стороны от подвижных электродов второго электростатического привода с возможностью электростатического взаимодействия с ними в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенками электродов, причем неподвижный нижний электрод первого электростатического привода расположен непосредственно на линии передачи, а на поверхность неподвижного верхнего электрода первого электростатического привода нанесены поперечные упругие балки из проводникового материала, подложка выполнена из высокорезистивного материала.To achieve the desired technical result, an integrated microelectromechanical switch containing a substrate with a coplanar waveguide located on it, consisting of two grounding lines and a transmission line made of conductive material, a fixed lower electrode of the first electrostatic drive made of conductive material, a dielectric layer located on the surface of the stationary lower electrode of the first electrostatic drive, the movable electrode of the first electric drive, made in the form of a plate with perforation of a conductive material and located with a gap relative to the dielectric layer, mounted on a substrate using four support elements made of a conductive material and located directly on the ground lines of the coplanar waveguide by means of elastic suspension elements made in the form elastic beams in the form of a meander of conductive material, a fixed upper electrode of the first electrostatic drive, made in the form plates with perforation of a conductive material, mounted on four support elements made of conductive material and located directly on the grounding lines of the coplanar waveguide by means of elastic suspension elements, a second electrostatic drive, consisting of two movable electrodes of the second electrostatic drive, made of conductive material in in the form of comb structures on one of the sides located symmetrically on both sides of the movable electrode of the first elec a rostatic drive and two electrodes of elastic suspensions made of elastic beams made of a conductive material and two elastic elements made of a conductive material and mounted directly on a movable electrode of the first electrostatic drive, two fixed electrodes mounted on support elements of the movable electrode of the first electrostatic drive a second electrostatic drive made of conductive material in the form of comb structures on one side and located directly on the substrate on both sides of the movable electrodes of the second electrostatic drive with the possibility of electrostatic interaction with them in the plane of their plates through the side gaps and interpenetrating each other with comb electrodes, the stationary lower electrode of the first electrostatic drive located directly on the transmission line, and on the surface fixed upper electrode of the first electrostatic drive applied transverse elastic beams of a conductive ma Methods and material, the substrate is made of high resistance material.

Сравнивая предлагаемое устройство с прототипом, видим, что оно содержит новые признаки, то есть соответствует критерию новизны. Проводя сравнение с аналогами, приходим к выводу, что предлагаемое устройство соответствует критерию «существенные отличия», так как в аналогах не обнаружены предъявляемые новые признаки.Comparing the proposed device with the prototype, we see that it contains new features, that is, meets the criterion of novelty. Carrying out a comparison with analogues, we conclude that the proposed device meets the criterion of "significant differences", since no new features are shown in the analogues.

На Фиг. 1 приведена топология предлагаемого интегрального микроэлектромеханического переключателя и показано сечение. На Фиг. 2 приведено сечение предлагаемого интегрального микроэлектромеханического переключателя.In FIG. 1 shows the topology of the proposed integrated microelectromechanical switch and shows a cross section. In FIG. 2 shows a cross section of the proposed integrated microelectromechanical switch.

Интегральный микроэлектромеханический переключатель (Фиг. 1) содержит подложку 1 с расположенным на ней компланарным волноводом 2, состоящим из двух заземляющих линий 3, 4 и линии передачи 5, выполненных из проводникового материала, неподвижный нижний электрод первого электростатического привода 6, выполненный из проводникового материала и встроенный в линию передачи 5 компланарного волновода 2 с нанесенным на его поверхность диэлектрическим слоем 7, расположенным с зазором под подвижным электродом первого электростатического привода 8, выполненным в виде пластины с перфорацией из проводникового материала, закрепленным на подложке 1 с помощью опорных элементов 9, 10, 11, 12, выполненных из проводникового материала и расположенных непосредственно на заземляющих линиях 3, 4 компланарного волновода 2 по средством упругих элементов подвеса 13, 14, 15, 16, выполненных в виде упругих балок в форме меандра из проводникового материала, неподвижным верхним электродом первого электростатического привода 17, выполненным в виде пластины с перфорацией из проводникового материала и закрепленного на опорных элементах 18, 19, 20, 21, расположенных непосредственно на подложке 1, второй электростатический привод, состоящий из двух подвижных электродов второго электростатического привода 22, 23, выполненных из проводникового материала в виде гребенчатых структур с одной из сторон, расположенных симметрично по обе стороны подвижного электрода первого электростатического привода 8, подвижный электрод второго электростатического привода 22 закреплен на опорных элементах 9, 12 и на подвижном электроде первого электростатического привода 8 с помощью упругих подвесов 24, 25, 26, выполненных в виде упругих балок из проводникового материала, подвижный электрод второго электростатического привода 23 закреплен на опорных элементах 10, 11 и на подвижном электроде первого электростатического привода 8 с помощью упругих подвесов 27, 28, 29, выполненных в виде упругих балок из проводникового материала, двух неподвижных электродов второго электростатического привода 30, 31, выполненных из проводникового материала в виде гребенчатых структур с одной из сторон и расположенных непосредственно на подложке по обе стороны от подвижных электродов второго электростатического привода 22, 23 с возможностью электростатического взаимодействия с ними в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенками электродов.The integrated microelectromechanical switch (Fig. 1) contains a substrate 1 with a coplanar waveguide 2 located on it, consisting of two grounding lines 3, 4 and a transmission line 5 made of conductive material, a fixed lower electrode of the first electrostatic drive 6 made of conductive material and built into the transmission line 5 of the coplanar waveguide 2 with a dielectric layer 7 deposited on its surface, located with a gap under the movable electrode of the first electrostatic drive 8, in filled in the form of a plate with perforation of a conductive material, mounted on a substrate 1 using supporting elements 9, 10, 11, 12, made of a conductive material and located directly on the grounding lines 3, 4 of the coplanar waveguide 2 by means of elastic suspension elements 13, 14 , 15, 16, made in the form of elastic beams in the form of a meander of conductive material, a fixed upper electrode of the first electrostatic drive 17, made in the form of a plate with perforation of the conductive material and fixed on the supporting elements 18, 19, 20, 21 located directly on the substrate 1, the second electrostatic drive, consisting of two movable electrodes of the second electrostatic drive 22, 23, made of conductive material in the form of comb structures on one side located symmetrically on both side of the movable electrode of the first electrostatic actuator 8, the movable electrode of the second electrostatic actuator 22 is mounted on the supporting elements 9, 12 and on the movable electrode of the first electrostatic actuator 8 with by the power of elastic suspensions 24, 25, 26, made in the form of elastic beams of conductive material, the movable electrode of the second electrostatic drive 23 is mounted on the supporting elements 10, 11 and on the movable electrode of the first electrostatic drive 8 using elastic suspensions 27, 28, 29 made in the form of elastic beams of conductive material, two fixed electrodes of the second electrostatic drive 30, 31, made of conductive material in the form of comb structures on one side and located directly on ozhke on both sides of the second movable electrode of the electrostatic actuator 22, 23 with the possibility of electrostatic interaction between them in the plane of the plates through the side clearances and interpenetrating each other combs electrodes.

Предполагаемое изобретение не ограничено только лишь емкостным интегральным микроэлектромеханическим переключателем с контактами металл-диэлектрик-металл, оно также может быть использовано для создания омических интегральных микроэлектромеханических переключателей с контактами металл-металл. В интегральных микроэлектромеханических переключателях с резистивным соединением согласно предполагаемому изобретению подвижный электрод первого электростатического привода 8, выполненный в виде пластины из проводникового материала, предназначен для создания в положении включения замыкания между двумя отстоящими друг от друга частями линии передачи 5, выполненных из проводникового материала, неподвижный нижний электрод первого электростатического привода 6, выполненный из проводникового материала, расположен на подложке 1 симметрично под подвижным электродом первого электростатического привода 8.The alleged invention is not limited only to a capacitive integrated microelectromechanical switch with metal-dielectric-metal contacts, it can also be used to create ohmic integrated microelectromechanical switches with metal-metal contacts. In integrated microelectromechanical switches with a resistive connection according to the proposed invention, the movable electrode of the first electrostatic drive 8, made in the form of a plate of conductive material, is designed to create, in the on position, a circuit between two spaced apart parts of the transmission line 5 made of conductive material, a fixed lower the electrode of the first electrostatic drive 6, made of a conductive material, is located on the substrate 1 symmet adic under the first movable electrode of the electrostatic actuator 8.

В случае емкостного и резистивного интегрального микроэлектромеханического переключателя диэлектрический слой 7 может находится как на подвижном электроде первого электростатического привода 8, так и на поверхности линии передачи 5.In the case of a capacitive and resistive integrated microelectromechanical switch, the dielectric layer 7 can be located both on the movable electrode of the first electrostatic drive 8 and on the surface of the transmission line 5.

Работает устройство следующим образом.The device operates as follows.

Напряжение, приложенное к неподвижному нижнему электроду первого электростатического привода 6 относительно подвижного электрода первого электростатического привода 8, приводит к возникновению электростатической силы, притягивающей подвижный электрод первого электростатического привода 8 к диэлектрическому слою 7, нанесенному на поверхность неподвижного нижнего электрода первого электростатического привода 6. В результате чего большое значение емкости плоского переменного конденсатора структуры металл-диэлектрик-металл, образованного подвижным электродом первого электростатического привода 8, неподвижным нижним электродом первого электростатического привода 6 и диэлектрическим слоем 7, препятствует прохождению поступающего сигнала, замыкая его на заземляющую линию 3, 4. Данное состояния переключателя является включенным, что соответствует нижнему положению подвижного электрода первого электростатического привода 8.The voltage applied to the fixed lower electrode of the first electrostatic drive 6 relative to the movable electrode of the first electrostatic drive 8 leads to an electrostatic force attracting the moving electrode of the first electrostatic drive 8 to the dielectric layer 7 deposited on the surface of the fixed lower electrode of the first electrostatic drive 6. As a result of which the large value of the capacitance of a flat variable capacitor of the metal-dielectric-metal structure, images A moving electrodes of the first electrostatic actuator 8, a fixed lower electrode of the first electrostatic actuator 6 and a dielectric layer 7 prevents the incoming signal from passing by closing it to the ground line 3, 4. This switch state is on, which corresponds to the lower position of the movable electrode of the first electrostatic actuator 8 .

В случае отключения прикладываемого напряжения к неподвижному нижнему электроду первого электростатического привода 6, подвижный электрод первого электростатического привода 8 возвращается в исходное (нейтральное) положение за счет действия сил упругости, благодаря естественной жесткости конструкции. Данное состояние переключателя является выключенным, что соответствует нейтральному положению подвижного электрода первого электростатического привода 8.In the case of disconnecting the applied voltage to the fixed lower electrode of the first electrostatic drive 6, the movable electrode of the first electrostatic drive 8 returns to its original (neutral) position due to the action of elastic forces, due to the natural rigidity of the structure. This state of the switch is off, which corresponds to the neutral position of the movable electrode of the first electrostatic drive 8.

При подаче напряжения на неподвижный верхний электрод первого электростатического привода 17, расположенного с зазором над подвижным электродом первого электростатического привода 8, подвижный электрод первого электростатического привода 8 притягивается к неподвижному верхнему электроду первого электростатического привода 17, тем самым увеличивая расстояние до диэлектрического слоя 7, нанесенного на линию передачи 5, что в свою очередь уменьшает емкость образованного плоского переменного конденсатора. В результате поступающий сигнал проходит по линии передачи 5. Данное состояние переключателя является выключенным, что соответствует верхнему положению подвижного электрода первого электростатического привода 8.When voltage is applied to the fixed upper electrode of the first electrostatic drive 17, which is positioned with a gap above the movable electrode of the first electrostatic drive 8, the movable electrode of the first electrostatic drive 8 is attracted to the fixed upper electrode of the first electrostatic drive 17, thereby increasing the distance to the dielectric layer 7 deposited on transmission line 5, which in turn reduces the capacity of the formed flat variable capacitor. As a result, the incoming signal passes through transmission line 5. This switch state is off, which corresponds to the upper position of the movable electrode of the first electrostatic drive 8.

При подаче напряжения на неподвижные электроды второго электростатического привода 30, 31 относительно подвижных электродов второго электростатического привода 22, 23, возникает электростатическое взаимодействие в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов. Таким образом подвижный электрод второго электростатического привода 22 притягивается к неподвижному электроду второго электростатического привода 30, а подвижный электрод второго электростатического привода 23 притягивается к неподвижному электроду второго электростатического привода 31, тем самым вызывая натяжения подвижного электрода первого электростатического привода 8. Данное состояние переключателя является выключенным, и позволяет исключить произвольные срабатывания в случае действия на конструкцию подвижного электрода первого электростатического привода 8 внешнего ускорения в положительном или отрицательном направлении осей X, Y, Z, вибраций, при коммутации сигналов высокой мощности или же в случае прилипания подвижного электрода первого электростатического привода 8 к диэлектрическому слою 7.When voltage is applied to the stationary electrodes of the second electrostatic drive 30, 31 with respect to the movable electrodes of the second electrostatic drive 22, 23, electrostatic interaction occurs in the plane of their plates through the side gaps and the interconnecting electrodes of each other. Thus, the movable electrode of the second electrostatic drive 22 is attracted to the fixed electrode of the second electrostatic drive 30, and the movable electrode of the second electrostatic drive 23 is attracted to the fixed electrode of the second electrostatic drive 31, thereby causing the tension of the movable electrode of the first electrostatic drive 8. This switch state is off, and allows to exclude arbitrary operations in case of action on the design of the movable electrode ne Vågå electrostatic actuator 8 of the acceleration in the positive or negative direction of the axes X, Y, Z, vibrations at high power switching signals or in case of sticking of the movable electrode of the first electrostatic actuator 8 to the dielectric layer 7.

В конфигурации включенного состояния не существует опасности взаимодействия между электростатическими силами, используемыми для приведения подвижного электрода первого электростатического привода 8 в определенное положение и радиочастотным сигналом, передаваемым по компланарному волноводу 2, благодаря использованию емкостной развязки управляющего напряжения от радиочастотного сигнала. Следовательно, поверхность неподвижного нижнего электрода первого электростатического привода 6 и неподвижного верхнего электрода первого электростатического привода 17 может быть большой, однако величина напряжения включенного состояния, прикладываемого к неподвижным электродам первого электростатического привода 6, 17 может быть очень низкой.In the on state configuration, there is no danger of interaction between the electrostatic forces used to bring the movable electrode of the first electrostatic drive 8 to a specific position and the radio frequency signal transmitted along the coplanar waveguide 2, due to the use of capacitive isolation of the control voltage from the radio frequency signal. Therefore, the surface of the stationary lower electrode of the first electrostatic drive 6 and the fixed upper electrode of the first electrostatic drive 17 can be large, however, the magnitude of the on-state voltage applied to the fixed electrodes of the first electrostatic drive 6, 17 can be very low.

Таким образом, предлагаемое устройство представляет собой интегральный микроэлектромеханический переключатель с электростатическим механизмом активации и емкостным принципом коммутации, позволяющий замыкать или размыкать цепь в линии передачи при коммутации сигналов сантиметрового волнового диапазона.Thus, the proposed device is an integrated microelectromechanical switch with an electrostatic activation mechanism and a capacitive switching principle, which allows you to close or open the circuit in the transmission line when switching signals of the centimeter wave range.

Введение неподвижного верхнего электрода первого электростатического привода, выполненного в виде пластины с перфорацией из проводникового материала с нанесенными на его поверхность поперечными упругими балками из проводникового материала, закрепленный на дополнительных четырех опорных элементах, расположенных непосредственно на подложке, второго электростатического привода, состоящего из двух подвижных электродов второго электростатического привода, выполненных из проводникового материала в виде гребенчатых структур с одной из сторон, расположенных симметрично по обе стороны подвижного электрода первого электростатического привода и закрепленных на опорных элементах крепления подвижного электрода первого электростатического привода с помощью двух пар упругих подвесов, выполненных в виде упругих балок из проводникового материала и двух упругих элементов, выполненных из проводникового материала и закрепленных непосредственно на подвижном электроде первого электростатического привода, двух неподвижных электродов второго электростатического привода, выполненных из проводникового материала в виде гребенчатых структур с одной из сторон и расположенных непосредственно на подложке по обе стороны от подвижных электродов второго электростатического привода с возможностью электростатического взаимодействия с ними в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенками электродов, позволяет коммутировать сигналы по линии передачи с большей добротностью, низкими вносимыми потерями в замкнутом состоянии, большей шириной полосы частот, низкой индуктивностью, низким напряжением смещения, малым временем переключения из одного состояния в другое, с исключением произвольных срабатываний при коммутации сигналов высокой мощности, чувствительности к вибрациям, внешним ускорениям в положительном или отрицательном направлении осей X, Y, Z, а также с возможностью возвращения подвижного электрода первого электростатического привода в случае его прилипания в нижнем или в верхнем положении, что позволяет использовать предполагаемое изобретение в качестве интегрального элемента, позволяющего коммутировать сигналы сантиметрового волнового диапазона.The introduction of the fixed upper electrode of the first electrostatic drive, made in the form of a plate with perforation of a conductive material with transverse elastic beams of conductive material deposited on its surface, mounted on an additional four support elements located directly on the substrate, the second electrostatic drive, consisting of two movable electrodes the second electrostatic drive made of a conductive material in the form of comb structures with one and from the sides located symmetrically on both sides of the movable electrode of the first electrostatic drive and mounted on supporting elements of the fastening of the movable electrode of the first electrostatic drive using two pairs of elastic suspensions made in the form of elastic beams of conductive material and two elastic elements made of conductive material and fixed directly on the movable electrode of the first electrostatic drive, two stationary electrodes of the second electrostatic drive, in made of conductor material in the form of comb structures on one of the sides and located directly on the substrate on both sides of the movable electrodes of the second electrostatic drive with the possibility of electrostatic interaction with them in the plane of their plates through the side gaps and interpenetrating each other with comb electrodes, allows you to switch signals on a transmission line with a higher quality factor, low insertion loss in a closed state, a larger bandwidth, low inductance w, low bias voltage, short switching time from one state to another, with the exception of arbitrary triggering when switching high-power signals, sensitivity to vibrations, external accelerations in the positive or negative direction of the X, Y, Z axes, as well as with the possibility of returning the movable electrode the first electrostatic drive in the event of its adhesion in the lower or upper position, which allows the use of the alleged invention as an integral element allowing communication th e signals centimeter wavelength range.

Таким образом, по сравнению с аналогичными устройствами, предлагаемый интегральный микроэлектромеханический переключатель позволяет коммутировать сигналы по линии передачи с низкими вносимыми потерями, большей шириной полосы частот, низким напряжением смещения, малым временем переключения из одного состояния в другое благодаря использованию подвижного электрода первого электростатического привода с малой площадь пластины и малой жесткостью крепления, а также второй электростатический привод позволяет исключить произвольные срабатывания при коммутации сигналов высокой мощности, чувствительность к вибрациям, внешним ускорениям в положительном или отрицательном направлении осей X, Y, Z, и реализовать механизм возвращения подвижного электрода первого электростатического привода в случае его прилипания в нижнем или в верхнем положении.Thus, in comparison with similar devices, the proposed integrated microelectromechanical switch allows switching signals along the transmission line with low insertion loss, wider bandwidth, low bias voltage, short switching time from one state to another due to the use of a movable electrode of the first electrostatic drive with a small plate area and low rigidity of fastening, as well as a second electrostatic drive eliminates arbitrary atyvaniya for switching high power signals, sensitivity to vibrations, external accelerations in the positive or negative direction of the axes X, Y, Z, and realize the return mechanism of the first movable electrode of the electrostatic actuator in the case of trapping in the lower or the upper position.

Claims

An integrated microelectromechanical switch containing a substrate with a coplanar waveguide located on it, consisting of two grounding lines and a transmission line made of conductive material, a fixed lower electrode of the first electrostatic drive made of conductive material, a dielectric layer located on the surface of the fixed lower electrode of the first electrostatic the drive, the movable electrode of the first electrostatic drive, made in the form of a plate with perfo a conductor material and located with a gap relative to the dielectric layer, mounted on the substrate using four support elements made of a conductor material and located directly on the grounding lines of the coplanar waveguide by means of elastic suspension elements made in the form of elastic beams in the form of a meander made of conductive material, the fixed upper electrode of the first electrostatic drive, made in the form of a plate with perforation of a conductive material, characterized by the fact that a second electrostatic drive consisting of two movable electrodes of the second electrostatic drive made of a conductive material in the form of a conductive material is inserted into it and is mounted on four support elements made of a conductive material and located directly on the ground lines of a coplanar waveguide by means of elastic suspension elements comb structures on one of the sides located symmetrically on both sides of the movable electrode of the first electrostatic drive and closed insulated on the supporting fastening elements of the movable electrode of the first electrostatic drive using two pairs of elastic suspensions made in the form of elastic beams of conductive material and two elastic elements made of conductive material and mounted directly on the movable electrode of the first electrostatic drive, two stationary electrodes of the second electrostatic drive made of conductive material in the form of comb structures on one side and located directly about on the substrate on both sides of the movable electrodes of the second electrostatic drive with the possibility of electrostatic interaction with them in the plane of their plates through the side gaps and interpenetrating each other with comb electrodes, and the stationary lower electrode of the first electrostatic drive is located directly on the transmission line, and on the surface of the fixed the upper electrode of the first electrostatic drive is applied transverse elastic beams of conductive material, the substrate is made of highly resistive material.