MEMS mikrorelé és nanorelé

MEMS mikrorelé és nanorelé

MEMS mikrorelé: Bognár GyörgyNEMS nanorelé: Szabó Péter

VLSI előadás

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem

Előadás menete

• RF MEMS eszközök lehetséges felhasználási területei

• Hagyományos relék, SSR és MEMS mikrorelék összehasonlítása

• RF MEMS mikrorelék csoportosítása (működési elv, felépítés szerint)

• Mágneses elven működő MEMS mikrorelék

• Elektrosztatikus elven működő MEMS mikrorelék

• Termikus elven működő MEMS mikrorelék

• Nanorelé

Bevezetés

2

I. RF MEMS felhasználási területei

SystemOnChip

• Az érzékelő, a jelfeldolgozó áramkör és a beavatkozó egységek egy félvezető lapkán vannak megvalósítva

• Cél az egyre kisebb méret, nagyobb pontosság, nagyobb megbízhatóság és alacsonyabb költségek

3


Vezetéknélküli kommunikációs eszkökök (Technológiai trendek)

4

Lehetséges RF MEMS eszközök:

• Mikromechanikai rezonátor

• Állítható kapacitású kondenzátor(Felső fegyverzet mozgatása)

• Mikrorelék

• Félvezető lapkán megvalósított induktivitás(Jósági tényező javítása, kisebb hely)

RF MEMS eszközök előnyei:

• Kis veszteség, jó jósági tényező

• Kis fogyasztás (MEMS mikrorelék)• Állíthatóság, újrakonfigurálhatóság

(Kapacitás, rezonátorok, antenna rendszer)


5


Mikrorelék helye és feladata nagyfrekvenciás alkalmazásokban:• Vezeték nélküli kommunikációt megvalósító eszközök adó/vevő egységeinek (transreceiver

moduls) kimenő fokozatában

6

Hagyományos mikrorelék (Electromagnetic relay - EMR)• Bekapcsolt állapotban kicsi soros ellenállás (0.001…0.01 )• Kikapcsolt állapotban gyakorlatilag szakadás• Jó izoláció (vezérlő és terhelőkör között) – 1500 V, 250m légrés• Átvihető jel frekvenciája nagyobb, mint SSR• Mind a mai napig telefonközpontokban, autóelektronikában• Nagyon nagy méret

Szilárdtest relék (SSR)• Egy fotodióda és egy fototranzisztorból állnak• Nagy megbízhatóság, kicsi méret mellett• Jó izoláció (vezérlő és terhelőkör között)• Pergésmentes de lassú (1…10 ms)• Bekapcsolt állapotban soros ellenállás nagy (10…100 )• Kis áramú eszközök• Nagyon drága

II. EMR, SSR, RF MEMS Mikrorelék összehasonlítása

7


8

• A mikromechanika alkalmazásával lehetségessé vált EMR miniatürizálása

• A miniatürizálással a rendszer működéséhez szükséges idő (kapcsoló nyitása, zárása) a rendszer lineáris méreteivel arányosan csökken

• A hőmérséklet hatására bekövetkező méretváltozások, mechanikai rezgések zavaró hatásai a méretcsökkenés következtében egyre kisebb jelentőségű válnak

• Si kitűnő mechanikai tulajdonságok: • Nagy húzószilárdság, nyomószilárdság • Ismételt igénybevétel esetén nincs szerkezeti illetve szilárdsági

változás, azaz rugalmatlan alakváltozás és fáradás nem lép fel


MEMS MIKRORELÉKMEMS MIKRORELÉK9

RF MEMS Mikrorelék

• Méretek csökkentésével a kontaktusok közötti távolság is arányosan csökken mikrorelék izolációs feszültsége kisebb (max. 10-20m légrés, kb. 400V-600V)

• EMR esetén a kontaktusokat 10 mN erő nyomja egymásnak, míg Mikroreléknél a beavatkozó maximum 10…1000 N erőt képes kifejteni (a beavatkozó típusától függően).

• Arany érintkezők használatával 1mN esetén a kontaktellenállás 0.1 értékű

• A cél jól integrálható, alacsony feszültségű, alacsony fogyasztású (low voltage, low consumptions), gyors mikrorelé készítése


10



Switching speed: 50-100Switching speed: 50-100ss

12

III. RF MEMS mikrorelék csoportosítása

Jelút alapján

• Kontaktus létrejön (DC jelút is)

• Kapacitív csatolás (AC jelút), kapacitás értéke meghatározza a maximálisan átvihető jelfrekvenciát

Topológia szerint

• Soros topológia

• Párhuzamos topológia

13

Beavatkozó (actuator) típusa szerint

• Mágneses

• Elektrosztatikus

• Termo-mechanikus

III. RF MEMS mikrorelék csoportosítása

14

• Tekercsen átfolyó áram mágneses teret generál a tekercs körül, ez húzza az egyik érintkezőt a másikhoz

• Már 1980-as évek végétől (1994 január – A behúzó-tekercs még külön a MEMS kapcsolótól - Hiroshi Hosaka, “Electromagnetic microrelay”, Sensors

and Acutators)

• MEMS technikához nem illeszkedik (3D tekercs)

• Planár tekercs előállítható ugyan, de rossz jósági tényező

• Nagyon bonyolult, komplex gyártási folyamat drága

• Nagyon nagy méret a tekercs miatt

Ha lehet más elven működő mikrorelék készítése

IV. Mágneses elven működő MEMS mikrorelék

15

• 1979 IBM Micromechanical membrane switches on Silicon substrate

• 1996 Bulk-micromachined microrelay

• Hátoldali marás szükséges, KOH – nem CMOS kompatibilis

• Túl nagy helyet foglalt egy kapcsoló

• 1995 First electrostatic microrelay by front side etching

V. Elektrosztatikus elven működő MEMS mikrorelék

16

• Nagy sebességű, kis fogyasztású, kis helyigényű, gyárthatóság szempontjából a legegyszerűbb megvalósítás

• Két - egymástól kis légréssel ( 10m) elszigetelt - vezető lemez egymással kontaktusba hozható egy elegendően nagy feszültség által generált elektrosztatikus térrel, ha Feleksz > Fmech

• Feleksz négyzetesen függ a generált elektrosztatikus tér erősségtől

• A működtető feszültség lineárisan csökken a légrés (gap) méretével (10m ~ 15V)

• A légrés mérete a biztosítani kívánt izoláció mértékétől függ (breakdown voltage)


U U d dgapgap

17

• Probléma, a terhelő körben a mozgó karon a fém vezetőnek vékonynak kell lennie (<< 1m), hogy a karnak ne legyen túl nagy a belső feszültsége kis áramú eszközök

• Kevés laterális megoldás létezik (Nehezen integrálható), inkább térbeli elrendezés

• A túl nagy légréshez túl nagy működtető feszültség szükséges (Az integrált áramkörhöz használt tápfeszültségnél nagyobb)

• Előállításához nem szabványos gyártási lépéseket alkalmaznak (Az integrált áramkör gyártásával nem kompatibilis lépések)


I I

18


• Si hordozóra termikus oxidációval SiO2 réteg növesztve

• 4m polyimide feláldozandó réteg oxigén plazmában eltávolítható, így oxigén plazmában eltávolítható, így ennek a száraz marásnak a ennek a száraz marásnak a következtében a leragadási következtében a leragadási probléma elkerülhetőprobléma elkerülhető

• Szigetelő réteg, majd tapadást javító réteg

• Első fémréteg felvitele• Tapadást javító réteg, majd

szigetelő réteg• Fotoreziszt felvitele, megmunkálása

(feláldozandó réteg)• Másik érintkező elkészítése

(második fémréteg + száraz marás)• Feláldozandó rétegek kimarása

19

Mérési eredmények az adott architektúra mellett [1]

• 20V … 100V behúzó feszültség szükséges a nagy visszatérítő erő miatt

• De 50nA 1.0W (Nagyon alacsony fogyasztás)

• Kontakt ellenállás 10 …80• Kapcsolási idő 2.6s

[1] Ignaz Schiele, “Surface-micromachined electrostatic microrelay”, 1998 Sensors and Actuators 345-354


20

21


Geometria Cantilever beam Fixed-fixed beam Torsion beamBehúzó feszültség 20-100 V 60-150 V 150 VBeavatkozó árama 50 nA 70 nA 60 nAFogyasztás 1.0 - 4.5 mW 4.2 - 10.5 mW 9 mWKapcsolási idő 2.6 - 20 ms 14 - 45 ms 24 - 33 msMaximális terhelő áram 1 mA 1 mA 1 mAKontakt ellenállás 10-80 W 15-80 W 15-60 W

Mérési eredmények az adott architektúra mellett

• A beavatkozó, karok anyaga leginkább Si, de a MEMS technológia fejlettsége lehetővé teszi számos fém, ötvözet, kerámia, üveg és polimer használatát is (SiO2, alumínium, nikkel, gyémánt, SiC)


22

2

2

e g2

AVF

ggDDF 0r

A

ggDg2V 0

2

A27

Dg8V

30

InPull

2elastic

2

ticElectrosta Dg2

1U,

g2

AVU

Beavatkozóban tárolt elektrosztatikus, illetve rugóban tárolt energia

g = 2g0/3

• Rugó engedékenység


23

EIC

LS

1

3

L a rúd hossza, E a Young modulus,I a másodrendű nyomaték (keresztmetszet geometriája által definiált )

• Mechanikai rendszer rezgési frekvenciája mS2

1f

m a tömeg

• Elektromos ellenállás

További anyagfüggő paraméterek

• Az anyagok hőtágulásán alapuló megoldás

• MEMS eszközökben - a arányos méretcsökkentés következtében - egy kis felületet relatív kis hőközléssel gyorsan fel lehet fűteni, illetve a kis felület gyorsan le is hűl

• Rengeteg anyag és geometria választék az előállításhoz

• A beavatkozó az egyik érintkezőt lényegében „hozzátolja” a másik érintkezőhöz

• Ennél a típusnál alakul ki a legnagyobb kontakt erő itt a legkisebb a soros ellenállás a terhelő körben

• Laterális, az integrált áramkör előállítási technológiával maximálisan kompatibilis gyártástechnológiai lépések

• A meghajtó feszültség megfelelően alacsony lehet (integrált áramköröknél alkalmazott tápfeszültséggel kompatibilis)

VI. Termomechanikus elven működő MEMS mikrorelék

24

• Poly-szilíciumból előállított V alakú beavatkozó, a rajta átfolyó áram hatására felmelegszik és kitágul

• A tágulás következtében az egyik érintkező a másikhoz nyomódik

• SiN szigetelő a megfelelő termikus és elektronikus izolációt biztosítja

• Az érintkező, a jelvezetékek és az oldalfaluk arannyal vannak bevonva


• V alakú érintkező – könnyű megvalósíthatóság, egyenes vonalú mozgás (érintkező)

• 0.1…10 mN erő is elérhető

• Karok hossza 200…300m

• Karok szélessége 2 m

• Elmozdulás 5.2…9.4 m

12V, 180mW, 8mN, 0.005m25

• V alakú beavatkozó rugóállandójat a karok vastagsága, E a Youngmodulus, a két kar által bezártszög (K=129.5 N/m lett)

• Az arany bevonat minimális vastagságaa behatolási mélység függvénye(0.71 m 12GHz-nél)

• Az egész mikrorelé 200m 220m területet foglal• A érintkezési felület 700m2 … 1200m2

• A légrés szélessége 4…5m

L

EtW)(sin4K

2


2f

1

26


• 525m Si hordozóra 300nm thermal SiO2 növesztve, majd erre 0.6m Si3N4 szigetelő réteg (csökkenti szubsztrát parazita hatásait)

• 2m SiO2 feláldozandó réteg növesztve és a támasztó karoknak ablak nyitva

• 0.6m poly-szilícium növesztve (LPCVD), és mintázat kialakítva• Az érintkezők aranybevonása (0.3-0.5m) katódporlasztással• Feláldozandó réteg kimarása szelektív marással (HF)

Sticktion problem – COSticktion problem – CO2 2 drdryying ing after HF releaseafter HF release

Si

Si3N4

SiO2

Au

27

Mérési eredmények az adott architektúra mellett [2]

• Kontakt erő 25N 12.5V tápfeszültség mellett

• Az izoláció 12GHz-n -20dB (kapacitív csatolás, Si szubsztrát sokat rontana a helyzeten)

• Beiktatási csillapítás maximum -1dB

• Fogyasztás 20…40mW

[2] Ye Wang, Zhihong Li, “A micromachined RF microrelay with electrothermal actuation”, 2003 Sensors and Actuators


28

VII. Nanorelék

Chalmers University of Technology in Sweden 29

• NEMS – Nano Electro-Mechanical System

• Gate-re adott vezérlő feszültség hatására a karbon szál elhajlik • A kapcsolási sebesség 10-11 – 10-12 sec

• 1…2 GHz kapcsolási frekvencia

• A karbonszál: 50…100nm, a rés 5nm

VII. Nanorelék

• A karbonszál (nanocső) kitérésének függvényében változik az ellenállás és a kapacitás:

VII. Nanorelék

• Három pólusú eszköz

• Az alagút áram a gate feszültséggel szabályozott

• Kis feszültségről, kis árammal működtethető, alacsony a fogyasztás

Gate Drain

Source

VII. Nanorelék

32

• A karakterisztikák

VII. Nanorelék

• A karakterisztikák

VII. Nanorelék

• Megvalósított nanocsövek

MEMS mikrorelé és nanorelé

Documents