Transcript 기존의 MEMS 스위치의 특성 분석

마이크로 웨이프 텀 프로젝트
기존의 MEMS 스위치의 특성 분석
2001-21582 최병두
2004. 6. 21
Contents
• Raythone Capacitive switch
• Rockwell DC-Contact Series switch
• Lincoln Lab. Series switch
• Summary
• MEMS switch 특성 분석
• Conclusion
• References
June 21, 2004
마이크로웨이브 텀프로젝트
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RF MEMS 스위치
RF input
Transmission
Line
Transmission
Line
MEMS switch
RF output
MEMS switch
• 비접촉 방식의 용량형 스위치
– 원리
• 전송선, 가동 구조물 사이의
정전 용량 변화를 이용
June 21, 2004
마이크로웨이브 텀프로젝트
RF input
Transmission
Line
Transmission
Line
RF output
• 직접 접촉 방식의 저항형 스위치
– 원리
• 접촉부와 전송선 사이에서 금속
과 금속의 접촉으로 스위치 동작
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Raythone Capacitive Switches[1]
June 21, 2004
마이크로웨이브 텀프로젝트
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Raythone Capacitive Switches[2]
June 21, 2004
마이크로웨이브 텀프로젝트
•
Substrate: high resistivity silicon (>5000 Ohm-cm)
•
Electrode: tungsten (sputtering, <0.5 µm)
•
Dielectric: nitride (PECVD, 2000 Å, ε=6.7, 300oC)
•
T-line (CPW): aluminum (evaporation, 4 µm)
•
Spacer: PR (spin coating)
•
Membrane: aluminum alloy (sputtering, <0.5 µm)
•
Etch Hole: 2x2 µm
•
Releasing: oxygen plasma etching (100 min)
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Performance
Raythone Capacitive Switches[3]
June 21, 2004
마이크로웨이브 텀프로젝트
•
Loss(dB): 0.15 @ 10 GHz, 0.28 @ 30 GHz
•
Isolation(dB): 15 @ 10 GHz, 35 @ 30 GHz
•
Actuation voltage: 50 V
•
Cap. ratio: 80-120
•
Switching time: 3.5/5.3 µs
•
Reliability: 500 million cycle
6
Rockwell DC-Contact Series switches[1]
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마이크로웨이브 텀프로젝트
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Rockwell DC-Contact Series switches[2]
•
Substrate: GaAs
•
Cantilever: Oxide (PECVD, 2 µm, 250oC)
•
Contact & T-line: Au (evaporation, 1 µm)
•
Spacer: Polyimide (highest baking: 250oC)
•
Top electrode: aluminum (evaporation, 0.25
µm)
•
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마이크로웨이브 텀프로젝트
Releasing: oxygen plasma etching
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Rockwell DC-Contact Series switches[3]
June 21, 2004
마이크로웨이브 텀프로젝트
•
Loss(dB): ~0.2 @ <40 GHz
•
Isolation(dB): -40 @ 1 GHz, -25 @ 40 GHz
•
Actuation voltage: ~85 V
•
Switching time: ~10 µs
•
Reliability: ~100 million cycle
•
Input resistance: 0.4-1 Ohm
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Lincoln Lab. Series switches[1]
•
•
Substrate: Silicon (3000 Ohm-cm)
Cantilever arm
• Oxide/Al/Oxide (100/350/100
nm)
• Oxide: PECVD
• Al: sputtering
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마이크로웨이브 텀프로젝트
•
Bottom electrode
– TaN: Buried 200 nm below the switch
•
•
Size: ~50x50 µm2
DC-contact: platinum-to-platinum
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Lincoln Lab. Series switches[7,8]
DC. Switch
Small Cap. Switch
Large Cap. Switch
• Loss(dB): 0.1-0.2 @ 0.1-40 GHz
• Isolation(dB): -40 @ 4 GHz, -22 @ 30 GHz
• Actuation voltge: 30-80 V
• Reliablity: 9 billion cycle (N/A but similar
device)
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마이크로웨이브 텀프로젝트
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Summary
Raythone Rockwall
Substrate
Loss
Isolation
Actuation
Voltage
Switching
Time
Reliability
Lincoln
Silicon
GaAs
Silicon
0.28 dB
0.2 dB
0.2 dB
35 dB
25dB
22 dB
50 V
85V
80 V
3.5/5.3 µs
10 µs
1 µs
500 million
100 million
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마이크로웨이브 텀프로젝트
9 billion
(N/A but similar device)
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MEMS switch 특성 분석
Signal on state
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마이크로웨이브 텀프로젝트
Signal off state
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MEMS switch 특성 분석
50um
148um
43um
Angle a
250um
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마이크로웨이브 텀프로젝트
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MEMS switch 특성 분석
변수 a : angle (degree)
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마이크로웨이브 텀프로젝트
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MEMS switch 특성 분석
변수 a가 0 degree 일 때 (signal on state),
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MEMS switch 특성 분석
Fe: electrostatic force
Fr: restoring force
A: area
V: actuation voltage
g: gap
td: dielectric thickness
E: young’s modulus
Iz: z axis inertia
t: cantilever thickness
w: cantilever width
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Fe 
AV 2
4( g 
td
r
)
Fr  kx
tw3
12 E 
3
12 EI z
Etw
12 
k

L3
L3
L3
Fe  Fr
AV 2
Etw3
 3 g
td
L
4( g  )
r
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MEMS switch 특성 분석
voltage
gap
141.426 124.986 108.546 92.10606 75.66607
4.30E -05 3.80E -05 3.30E -05 2.80E -05 2.30E -05
voltage [V]
gap-voltage
160
140
120
100
80
60
40
20
0
계열1
4.30E- 3.80E- 3.30E- 2.80E- 2.30E05
05
05
05
05
gap [m]
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Conclusion
• Lincoln lab. Switch와 구동 전압이 다르게 된 이유
– 실제 스위치의 경우, cantilever에 curl이 있지만 시뮬레이션에는
없음
• Lincoln lab. Switch의 장점
– Curl로 인하여 pull-down voltage의 감소 (약 50%)
– Curl로 인하여 squeeze film damping이 무시 되어 빠른
switching 속도 가능
– Reliability의 증가
• Lincoln lab. Switch의 단점
– Curl 제작의 어려움
• 시뮬레이션 보완점
– Curl이 아니더라도 cantilever를 여러 조각으로 분할
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References
[1] Charles L. Goldsmith et al., Performance of Low-Loss RF MEMS Capacitive
Switches, IEEE Microwave and guided wave lett., Vol. 8, No. 8, pp. 269-271,
1998.
[2] Z. Jamie Yao et al., Micromachined Low-Loss Microwave Switches, J. Microelectromech. Systems. Vol. 8, No. 2, pp. 129-134, 1999.
[3] J. Jason Yao et al., A Surface Micromachined Miniature Switch for Telecommunications Applications with Signal Frequencies from DC up to 4 GHz, 8th
Int’l Conf. Solid-State Sonsors and Actuators, pp. 384-387, 1995.
[4] R. E. Mihailovich, MEM Relay for Reconfigurable RF Circuits, IEEE Microwave
and wireless comp. Lett., Vol. 11, No. 2, pp.53-55, 2001.
[5] P. Zavracky et al., Micromechanical Switches Fabricated Using Nickel Surface
Micromachining, J. Microelectromech. Systems. Vol. 6, No. 1, pp. 3-9, 1997.
[6] Sumit Majumder et al., Study of contacts in an electrostatically actuated
microswitch, Sensors and Actuators, Vol 93, pp.19-26, 2001.
[7] C. Bozler et al., MEMS Microswitch arrays for reconfigurable distributed
microwave components, 2000 IEEE MTT-S Digest, pp. 153-156, 2000.
[8] Sean Duffy et al., MEMS Microswitches for Reconfigurable Microwave Circuitry,
IEEE Microwave and wireless comp. Lett., Vol. 11, No. 3,pp.106-108, 2001.
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