1 / 34

MEMS mikrorelé és nanorelé

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem. MEMS mikrorelé és nanorelé. VLSI el őadás. MEMS mikrorelé: Bognár György NEMS nanorelé: Szabó Péter. Bevezetés. Előadás menete. RF MEMS eszközök lehetséges felhasználási területei Hagyományos relék, SSR és MEMS mikrorelék összehasonlítása

caitlyn-kinnerk
Download Presentation

MEMS mikrorelé és nanorelé

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem MEMS mikrorelé és nanorelé VLSI előadás MEMS mikrorelé: Bognár György NEMS nanorelé: Szabó Péter

  2. Bevezetés 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 2

  3. 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

  4. I. RF MEMS felhasználási területei Vezetéknélküli kommunikációs eszkökök (Technológiai trendek) 4

  5. I. RF MEMS felhasználási területei 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

  6. I. RF MEMS felhasználási területei Mikrorelék helye és feladata nagyfrekvenciás alkalmazásokban: • Vezeték nélküli kommunikációt megvalósító eszközök adó/vevő egységeinek (transreceiver moduls) kimenő fokozatában 6

  7. II. EMR, SSR, RF MEMS Mikrorelék összehasonlítása 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, 250m 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 7

  8. II. EMR, SSR, RF MEMS Mikrorelék összehasonlítása 8

  9. II. EMR, SSR, RF MEMS Mikrorelék összehasonlítása • 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 MIKRORELÉK 9

  10. II. EMR, SSR, RF MEMS Mikrorelék összehasonlítása RF MEMS Mikrorelék • Méretek csökkentésével a kontaktusok közötti távolság is arányosan csökken  mikrorelék izolációs feszültsége kisebb (max. 10-20m 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

  11. II. EMR, SSR, RF MEMS Mikrorelék összehasonlítása

  12. II. EMR, SSR, RF MEMS Mikrorelék összehasonlítása Switching speed: 50-100s 12

  13. 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

  14. III. RF MEMS mikrorelék csoportosítása Beavatkozó (actuator) típusa szerint • Mágneses • Elektrosztatikus • Termo-mechanikus 14

  15. IV. Mágneses elven működő MEMS mikrorelék • 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 15

  16. V. Elektrosztatikus elven működő MEMS mikrorelék • 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 16

  17. V. Elektrosztatikus elven működő MEMS mikrorelék • Nagy sebességű, kis fogyasztású, kis helyigényű, gyárthatóság szempontjából a legegyszerűbb megvalósítás • Két - egymástól kis légréssel ( 10m) 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 (10m ~ 15V) • A légrés mérete a biztosítani kívánt izoláció mértékétől függ (breakdown voltage) U  dgap 17

  18. V. Elektrosztatikus elven működő MEMS mikrorelék • Probléma, a terhelő körben a mozgó karon a fém vezetőnek vékonynak kell lennie (<< 1m), 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   18

  19. V. Elektrosztatikus elven működő MEMS mikrorelék • Si hordozóra termikus oxidációval SiO2 réteg növesztve • 4m polyimide feláldozandó réteg oxigén plazmában eltávolítható, így ennek a száraz marásnak a következtében a leragadási probléma 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

  20. V. Elektrosztatikus elven működő MEMS mikrorelék Mérési eredmények az adott architektúra mellett [1] • 20V … 100V behúzó feszültség szükséges a nagy visszatérítő erő miatt • De 50nA  1.0W (Nagyon alacsony fogyasztás) • Kontakt ellenállás 10  …80 • Kapcsolási idő 2.6s [1] Ignaz Schiele, “Surface-micromachined electrostatic microrelay”, 1998 Sensors and Actuators 345-354 20

  21. V. Elektrosztatikus elven működő MEMS mikrorelék Mérési eredmények az adott architektúra mellett 21

  22. V. Elektrosztatikus elven működő MEMS mikrorelék • 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) g = 2g0/3 Beavatkozóban tárolt elektrosztatikus, illetve rugóban tárolt energia 22

  23. V. Elektrosztatikus elven működő MEMS mikrorelék További anyagfüggő paraméterek • Rugó engedékenység L a rúd hossza, E a Young modulus, I a másodrendű nyomaték (keresztmetszet geometriája által definiált ) • Mechanikai rendszer rezgési frekvenciája m a tömeg • Elektromos ellenállás  23

  24. VI. Termomechanikus elven működő MEMS mikrorelék • 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) 24

  25. VI. Termomechanikus elven működő MEMS mikrorelék • 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…300m • Karok szélessége 2 m • Elmozdulás 5.2…9.4 m 12V, 180mW, 8mN, 0.005m 25

  26. VI. Termomechanikus elven működő MEMS mikrorelék • V alakú beavatkozó rugóállandójat a karok vastagsága, E a Youngmodulus,  a két kar által bezárt szög (K=129.5 N/m lett) • Az arany bevonat minimális vastagságaa behatolási mélység függvénye(0.71 m 12GHz-nél) • Az egész mikrorelé 200m  220m területet foglal • A érintkezési felület 700m2 … 1200m2 • A légrés szélessége 4…5m 26

  27. VI. Termomechanikus elven működő MEMS mikrorelék • 525m Si hordozóra 300nm thermal SiO2 növesztve, majd erre 0.6m Si3N4  szigetelő réteg (csökkenti szubsztrát parazita hatásait) • 2m SiO2 feláldozandó réteg növesztve és a támasztó karoknak ablak nyitva • 0.6m poly-szilícium növesztve (LPCVD), és mintázat kialakítva • Az érintkezők aranybevonása (0.3-0.5m) katódporlasztással • Feláldozandó réteg kimarása szelektív marással (HF)Sticktion problem – CO2 drying after HF release Au SiO2 Si3N4 Si 27

  28. VI. Termomechanikus elven működő MEMS mikrorelék Mérési eredmények az adott architektúra mellett [2] • Kontakt erő 25N 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

  29. VII. Nanorelék • 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 Chalmers University of Technology in Sweden 29

  30. VII. Nanorelék • A karbonszál (nanocső) kitérésének függvényében változik az ellenállás és a kapacitás:

  31. Source Gate Drain VII. Nanorelék • Három pólusú eszköz • Az alagút áram a gate feszültséggel szabályozott • Kis feszültségről, kis árammal működtethető, alacsony a fogyasztás

  32. VII. Nanorelék • A karakterisztikák 32

  33. VII. Nanorelék • A karakterisztikák

  34. VII. Nanorelék • Megvalósított nanocsövek

More Related