[go: up one dir, main page]

GR1010742B - Micro-electro-mechanical switch with floating electrodes on structure minimizing field emission currents and related phenomena - Google Patents

Micro-electro-mechanical switch with floating electrodes on structure minimizing field emission currents and related phenomena Download PDF

Info

Publication number
GR1010742B
GR1010742B GR20230100516A GR20230100516A GR1010742B GR 1010742 B GR1010742 B GR 1010742B GR 20230100516 A GR20230100516 A GR 20230100516A GR 20230100516 A GR20230100516 A GR 20230100516A GR 1010742 B GR1010742 B GR 1010742B
Authority
GR
Greece
Prior art keywords
bridge
electrodes
floating electrodes
moving
floating
Prior art date
Application number
GR20230100516A
Other languages
Greek (el)
Inventor
Λουκας Μιχαλας
Γεωργιος Σταυρινιδης
Original Assignee
Ιδρυμα Τεχνολογιας Και Ερευνας,
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ιδρυμα Τεχνολογιας Και Ερευνας, filed Critical Ιδρυμα Τεχνολογιας Και Ερευνας,
Priority to GR20230100516A priority Critical patent/GR1010742B/en
Publication of GR1010742B publication Critical patent/GR1010742B/en

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G5/00Capacitors in which the capacitance is varied by mechanical means, e.g. by turning a shaft; Processes of their manufacture
    • H01G5/16Capacitors in which the capacitance is varied by mechanical means, e.g. by turning a shaft; Processes of their manufacture using variation of distance between electrodes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H59/00Electrostatic relays; Electro-adhesion relays
    • H01H59/0009Electrostatic relays; Electro-adhesion relays making use of micromechanics
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10TTECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00Metal working
    • Y10T29/49Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49002Electrical device making
    • Y10T29/49105Switch making

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Micromachines (AREA)

Abstract

The invention relates to a new micro-electro-mechanical switch arrangement (Micro-Electro-Mechanical-System switch, MEMS) that simultaneously combines the advantages of conventional structures and of structures provided with a floating electrode. Said arrangement aims at minimizing the phenomena arising from the presence of emission currents due to fields (field emission currents) without the use of side actuation pads/electrodes. In the proposed arrangement, on top of the dielectric film and on either side of the area where the moving metal bridge will land -when activated-there are two floating electrodes which are non-electrically interconnected in such a way that no part of the floating electrodes is under the bridge. Activation of these floating electrodes occurs when an additional metal part of a material different from that of the moving bridge, this material being in electrical contact but perpendicular and above the moving bridge (therefore not in contact with the dielectric during activation), creates conductive contact with the floating electrodes. This part is introduced in a way that selectively affects the mechanical and electrical properties of the moving part; the material is chosen to lead to a minimization of field emission currents and of related phenomena, when approaching the said floating electrodes.

Description

ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ DESCRIPTION

Μικροηλεκτρομηχανικός διακόπτης με πλωτά ηλεκτρόδια σε δομή που ελαχιστοποιεί τα φαινόμενα εκπομπής λόγω ηλεκτρικού πεδίου Microelectromechanical switch with floating electrodes in a structure that minimizes emission effects due to electric field

Η εφεύρεση εμπίπτει στη ευρύτερη κατηγορία των ηλεκτρονικών διατάξεων και συγκεκριμένα αφορά σε μία νέα διευθέτηση για έναν μικροηλεκτρομηχανικό διακόπτη (Micro-Electro-Mechanical-System switch, MEMS). Η νέα αυτή διευθέτηση έχει ως στόχο να συνδυάσει ταυτόχρονα τα πλεονεκτήματα των συμβατικών δομών και αυτών με πλωτό ηλεκτρόδιο (Floating Electrode) στοχεύοντας στην ελαχιστοποίηση της παρουσίας ρευμάτων εκπομπής λόγω ηλεκτρικού πεδίου (field emission currents) καί σχετικών φαινομένων χωρίς τη χρήση πλευρικών ηλεκτροδίων ενεργοποίησης (side actuation pads/electrodes). The invention falls within the broader category of electronic devices and specifically concerns a new arrangement for a Micro-Electro-Mechanical-System switch (MEMS). This new arrangement aims to simultaneously combine the advantages of conventional and floating electrode structures, aiming to minimize the presence of field emission currents and related phenomena without the use of side actuation pads/electrodes.

Οι μικροηλεκτρομηχανικοί διακόπτες για μικροκυματικές εφαρμογές (Radio Frequency Micro-electro-mechanical System, RF MEMS) εμφανίζουν μια σειρά από ιδιότητες που τους καθιστούν ιδιαίτερα ελκυστικούς σε σχέση με τις συνήθεις διατάξεις ημιαγωγών που χρησιμοποιούνται κατά κύριο λόγο για τις ίδιες λειτουργίες. Παρουσιάζουν εξαιρετική απόκριση σε μεγάλο εύρος συχνοτήτων ενώ ταυτόχρονα έχουν σχεδόν μηδενική κατανάλωση και ως εκ τούτου συγκεντρώνουν μεγάλο επιστημονικό και τεχνολογικό ενδιαφέρον [G.M. Rebeiz, RF MEMS: Theory, Design and Technology, John Willey & Sons, 2003). Microelectromechanical switches for microwave applications (Radio Frequency Micro-electro-mechanical System, RF MEMS) exhibit a number of properties that make them particularly attractive compared to the usual semiconductor devices that are mainly used for the same functions. They exhibit excellent response over a wide frequency range while at the same time having almost zero consumption and therefore attract great scientific and technological interest [G.M. Rebeiz, RF MEMS: Theory, Design and Technology, John Willey & Sons, 2003).

Μια πολύ συνηθισμένη διευθέτηση ενός χωρητικού μικροηλεκτρομηχανικού διακόπτη (J.B. Muldavin, G.M. Rebeiz "High isolation CPW MEMS shunt switches -Part 1:Modeiing" IEEE Trans. Microwave Theory & Technigues vol.48, pp. 1045-1052, 2000) περιλαμβάνει μια μεταλλική γέφυρα που ενώνεται ηλεκτρικά με τις δύο γειωμένες γραμμές (Ground lines) ενός ομοεπίπεδου κυματοδηγού (coplanar waveguide) και αιωρείται αρχικά σε κάποιο ύφος (air gap) πάνω από το κεντρικό ηλεκτρόδιο αυτού (Signal line). Με κατάλληλη εφαρμογή διαφοράς δυναμικού μεταξύ του κεντρικού ηλεκτροδίου και των γειωμένων γραμμών του κυματοδηγού η μεταλλική γέφυρα καταρρέει πάνω στο κεντρικό ηλεκτρόδιο του κυματοδηγού. Στο σημείο που θα υπάρξει αυτή η επαφή, κάτω από τη γέφυρα και πάνω στο κεντρικό ηλεκτρόδιο του κυματοδηγού, υπάρχει ένα λεπτό διηλεκτρικό υμένιο (πάχους d) για να αποτρέπει την αγώγιμη σύνδεση των δύο μετάλλων που θα οδηγούσε σε βραχυκύκλωμα. Το διηλεκτρικό αυτό υμένιο μπορεί να εκτείνεται και πέραν αυτής της περιοχής. Με τον μηδενισμό ή την αφαίρεση της διαφοράς δυναμικού η μεταλλική γέφυρα επιστρέφει στην αρχική της θέση. Η λειτουργία του διακόπτη καθορίζεται από τις χωρητικότητες που δημιουργούνται από δύο θέσεις στις οποίες μπορεί να βρεθεί η κινούμενη γέφυρα, αιωρούμενη σε απόσταση πάνω από το διηλεκτρικό (Cup-state) ή πάνω στο διηλεκτρικό υμνένιο (Cdown-state). Σε πολλές περιπτώσεις ο λόγος των δύο αυτών χωρητικοτήτων (Cdown-state/cup-state) θεωρείται σημαντικός όμως αυτό που είναι πάντα και αδιαμφισβήτητα εξαιρετικής σημασίας είναι η τιμή της χωρητικότητα στη θέση όπου η γέφυρα έχει καταρρεύσει και βρίσκεται πάνω στο διηλεκτρικό υμένιο (Cdown-state). Στη θέση αυτή η τιμή της χωρητικότητας με καλή προσέγγιση λαμβάνει τη τιμή που δίνεται από τη σχέση. A very common arrangement of a capacitive microelectromechanical switch (J.B. Muldavin, G.M. Rebeiz "High isolation CPW MEMS shunt switches -Part 1:Modeling" IEEE Trans. Microwave Theory & Techniques vol.48, pp. 1045-1052, 2000) involves a metal bridge that is electrically connected to the two ground lines of a coplanar waveguide and is initially suspended in an air gap above its central electrode (Signal line). By applying a suitable potential difference between the central electrode and the ground lines of the waveguide, the metal bridge collapses onto the central electrode of the waveguide. At the point where this contact will occur, under the bridge and on the central electrode of the waveguide, there is a thin dielectric film (thickness d) to prevent the conductive connection of the two metals that would lead to a short circuit. This dielectric film can extend beyond this area. By zeroing or removing the potential difference, the metal bridge returns to its original position. The operation of the switch is determined by the capacitances created by two positions in which the moving bridge can be found, suspended at a distance above the dielectric (Cup-state) or on the dielectric film (Cdown-state). In many cases, the ratio of these two capacitances (Cdown-state/cup-state) is considered important, but what is always and undoubtedly of exceptional importance is the value of the capacitance at the position where the bridge has collapsed and is on the dielectric film (Cdown-state). At this position the value of the capacitance with a good approximation takes the value given by the relation.

Cdown-state = ε0εrA/d Cdown-state = ε0εrA/d

Όπου ε0 η τιμή της διηλεκτρικής σταθεράςτου κενού, εrη σχετική διηλεκτρική σταθερά του διηλεκτρικού υμενίου , Α η επιφάνεια επαφής και d το πάχος του διηλεκτρικού υμενίου. Where ε0 is the value of the dielectric constant of the vacuum, εr is the relative dielectric constant of the dielectric film, A is the contact area and d is the thickness of the dielectric film.

Στη πράξη η τιμή της χωρητικότητα είναι σημαντικά μικρότερη από αυτή που υπολογίζεται από τον παραπάνω τύπο. Αυτό συμβαίνει επειδή η πραγματική/ενεργή επιφάνεια επαφής της γέφυρας με το διηλεκτρικό υμένιο (Α*) είναι μικρότερη της τιμής Α λόγω του παραμορφωμένου σχήματος της γέφυρας όταν αυτή βρεθεί στη κάτω θέση αλλά καί εξαιτίας της ύπαρξης διεπιφανειακής τραχύτητας στη ελεύθερη επιφάνεια του διηλεκτρικού. Αυτή η μη ελεγχόμενη ελάττωση της χωρητικότητας σε σχέση με τον θεωρητικό υπολογισμό της αποτέλεσε αφορμή για την εισαγωγή μίας κατηγορίας διατάξεων που συνήθως χαρακτηρίζονται με τον όρο πλωτού ηλεκτροδίου (floating electrode). ;;Η βασική διαφορά στις διατάξεις πλωτού ηλεκτροδίου είναι η ύπαρξη ενός λεπτού μεταλλικού υμενίου (ηλεκτροδίου) ακριβώς πάνω στο διηλεκτρικό υμένιο. Το ηλεκτρόδιο αυτό ή μέρος του βρίσκεται κάτω από τη γέφυρα και μέρος του μπορεί να εκτείνεται και εκτός της περιοχής αυτή εφόσον το ίδιο συμβαίνει και με το διηλεκτρικό υμένιο. Το ηλεκτρόδιο αυτό δεν έχει καμία αγώγιμη σύνδεση με άλλο τμήμα του διακόπτη και επομένως χαρακτηρίζεται ως πλωτό (floating). Η παρουσία του εξασφαλίζει πως όταν η κινούμενη γέφυρα καταρρεύσει πάνω του, ακόμα και η οποιαδήποτε ελάχιστη επαφή μεταξύ τους, ενεργοποιεί, λόγω αγώγιμης σύνδεσης, όλη την επιφάνεια του πλωτού ηλεκτροδίου με αποτέλεσμα να μεγιστοποιεί τη χωρητικότητα (C down-state) στη τιμή που προβλέπεται από τους θεωρητικούς υπολογισμούς. Στη περίπτωση παρουσίας του πλωτού ηλεκτροδίου η κινούμενη γέφυρα συνήθως ενεργοποιείται με εφαρμογή διαφοράς δυναμικού σε πλευρικά ηλεκτρόδια ενεργοποίησης (side actuation pads/electrodes) και όχι κατευθείαν διαμέσου της γραμμή μεταφοράς (Signal line) (X. Rottenber et al. "Novel RF-MEMS capacitive switching structures, " 2002 32nd European Microwave Conference, Milan, Italy, 2002, pp. 1-4, X. Rottenberg et al. "Boosted RF-MEMS capacitive shunt switches." Proceedings of Workshop on Semiconductor Sensor and Actuator (SeSens, Veldhoven, The Netherlands, 2003, F. Giacomozzi et al., "Tecnological and Design Improvements for RF MEMS Shunt Switches, " 2007 International Semiconductor Conference, Sinaia, Romania, 2007, pp. 263-266, F. Giaccomozzi et al. "Development of High ConCoffration RF MEMS shunt switches" Rom. J. of Infor. Scien. Technol. vol. 11, pp. 143-151 2008, EP1398811B1). Η ενεργοποίηση των διατάξεων πλωτού ηλεκτροδίου δια μέσου της γραμμής μεταφοράς, όπως οι συμβατικές διατάξεις, έχει παρουσιαστεί πως είναι επίσης δυνατή. Στη περίπτωση αυτή η λειτουργία της διάταξης καθορίζεται από την παρουσία ρευμάτων, εκπομπής λόγω ηλεκτρικού πεδίου (filed emission currents) που οφείλονται ακριβώς στην υψηλή τιμή της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου που αναπτύσσεται καθώς η κινούμενη μεταλλική γέφυρα πλησιάζει το πλωτό ηλεκτρόδιο (G. Papaioannou et al "Floating electrode microelectromechanical system capacitive switches: A different actuation mechanism" Appl. Phys. Lett. 99, 0735501, 2011, L. Michalas etal., "Electrical characteristics of floating electrode MEMS capacitive switches, " 2012 7th European Microwave Integrated Circuit Conference, Amsterdam, Netherlands, 2012, pp. 36-39). Η ύπαρξη των ρευμάτων αυτών (field emission currents) καθιστά την ενεργοποίηση των διατάξεων πλωτού ηλεκτροδίου δια μέσου της γραμμής μεταφοράς εξαιρετικά πολύπλοκη και μια όχι πάντα ελεγχόμενη διαδικασία λόγω των παραγόντων (π.χ. επιφανειακή τραχύτητα) που υπεισέρχονται στη σχετική διαδικασία. ;;Λαμβάνοντα υπόψη τη στάθμη της υπάρχουσας γνώσης η παρούσα εφεύρεση αφορά σε μία νέα διευθέτηση ενός μικροηλεκτρομηχανικού διακόπτη (Micro-Electro-Mechanical-System switch, MEMS) τέτοια ώστε να συνδυάζει ταυτόχρονα τα πλεονεκτήματα των συμβατικών δομών και αυτών με πλωτό ηλεκτρόδιο (Floating Electrode) στοχεύοντας στην ελαχιστοποίηση των φαινομένων που πηγάζουν από τη παρουσία ρευμάτων εκπομπής λόγω πεδίων (field emission currents) χωρίς τη χρήση πλευρικών ηλεκτροδίων ενεργοποίησης (side actuation pads/electrodes). ;Η προτεινόμενη διευθέτηση και απλές/άμεσες παραλλαγές αυτής απεικονίζεται σε κάτοψη στο Σχήμα 1 (α-στ) σε πρόσοψη στο Σχήμα 2 (α,β) και σε πλάγια όψη στο Σχήμα 3 (α,β). Συγκεκριμένα περιλαμβάνει τη γραμμή μεταφοράς που αποτελείτε από τρία μεταλλικά υμένια (2,3 στο Σχήμα 1α) σε κατάλληλες αποστάσεις μεταξύ τους πάνω σε ένα μονωτικό υπόστρωμα (1, στο Σχήμα 1α) που μπορεί να είναι γυαλί, κεραμικό ή ημιαγωγός πάνω στον οποίο έχει αναπτυχθεί στρώμα διηλεκτρικού. Μέρος του κεντρικού μεταλλικού υμενίου καλύπτεται από ένα διηλεκτρικό υμένιο (4 στο Σχήμα 1α) το πάχος του οποίου αποφασίζεται από τη σχέση 1. Εναλλακτικά είναι δυνατό να έχουν εναποτεθεί περισσότερα από ένα υμένια διαδοχικά το ένα πάνω στο άλλο (4 στο Σχήμα 2β και στο Σχήμα 3β). Στη συνέχεια με κατάλληλη διαδικασία που περιλαμβάνει την εναπόθεση, σχηματοποίηση και αφαίρεση κατάλληλου θυσιαζόμενου υλικού δημιουργείται με εναπόθεση μια μεταλλική γέφυρα (5 στο Σχήμα 1). Οι βάσεις της γέφυρας βρίσκονται σε αγώγιμη σύνδεση με τα δύο μεταλλικά υμένια που βρίσκονται στα άκρα της γραμμής μεταφοράς (2 στο Σχήμα 1α) (όχι το κεντρικό - 3 στο Σχήμα 1α) και αιωρείται πάνω από το κεντρικό μεταλλικό υμένιο της γραμμής μεταφοράς το οποίο καλύπτεται από το υμένιο του διηλεκτρικού. Η κινούμενη μεταλλική γέφυρα μπορεί να έχει ένα συμπαγές σχήμα ή να φέρει οπές (8 στο Σχήμα 1β) ή ακόμα και βραχίονες (5 στο Σχήμα 1γ). Επίσης εναλλακτικά η διευθέτηση μπορεί να βασίζεται σε άλλη μορφή γραμμής μεταφοράς ή γενικά ηλεκτροδίου στο οποίο απουσιάζουν οι πλευρικοί αγωγοί (2, στο σχήμα 1α). Στη περίπτωση αυτή υπάρχει μόνο το κεντρικό ηλεκτρόδιο (Σχήμα 1δ). Στη προτεινόμενη διευθέτηση το διηλεκτρικό υμένιο (4 στο Σχήμα 1α) (ή τα διαδοχικά διηλεκτρικά υμένια 4 στο Σχήμα 2β και στο Σχήμα 2γ) που καλύπτει το κεντρικό μεταλλικό υμένιο της γραμμής μεταφοράς πρέπει να εκτείνεται σε περιοχή μεγαλύτερη από την περιοχή που ορίζει η προβολή της κινούμενης γέφυρας στο επίπεδο που βρίσκεται ο ομοεπίπεδος κυματοδηγός. ;Αυτό πρέπει να συμβαίνει γιατί στην προτεινόμενη διευθέτηση υπάρχουν δύο μη ηλεκτρικά συνδεμένα μεταξύ τους πλωτά ηλεκτρόδια (6 στο Σχήμα 1α), στο πάνω μέρος του διηλεκτρικού υμενίου και εκατέρωθεν την περιοχής στην οποία θα προσγειωθεί η κινούμενη μεταλλική γέφυρα κατά την ενεργοποίηση της, με τρόπο ώστε κανένα τμήμα τους να μη βρίσκεται κάτω από τη γέφυρα, δηλαδή στη προαναφερθείσα περιοχή που ορίζεται από τη προβολή του σχήματός της στο επίπεδο της γραμμής μεταφοράς. Η προτεινόμενη διευθέτηση μπορεί επίσης να υπάρξει σε παραλλαγή με ένα μόνο πλωτό ηλεκτρόδιο ( Σχήμα 1ε). ;Επιπλέον η δομή περιλαμβάνει ένα επιπλέον μεταλλικό τμήμα (7 στο Σχήμα 1α) ή μπορεί και περισσότερα από ένα (7 στο Σχήμα 1στ) από διαφορετικό υλικό (σε σχέση με αυτό της κινούμενης γέφυρας) το οποίο βρίσκεται σε ηλεκτρική επαφή αλλά κάθετα και σε επίπεδο πάνω από την κινούμενη γέφυρα (και επομένως δεν έρχεται σε επαφή με το διηλεκτρικό κατά την ενεργοποίηση). Το τμήμα αυτό εισάγεται με τρόπο που επηρεάζει κατ' επιλογή τις ιδιότητες (μηχανικές, ηλεκτρικές) του κινούμενου τμήματος και το υλικό επιλέγεται ώστε να οδηγήσει σε ελαχιστοποίηση των ρευμάτων λόγω εκπομπής πεδίου (field emission) και των σχετικών με αυτά φαινομένων. ;Τα δύο πλωτά ηλεκτρόδια (6 στο Σχήμα 1α) μπορεί να αποτελούνται από ένα μεταλλικό υμένιο ή από πολλαπλά μεταλλικά στρώματα (multilayer stack) (6 στο Σχήμα 2β κα 6 στο Σχήμα 3β) , ώστε εξασφαλίζεται την καλή συγκόλληση με το διηλεκτρικό υμένιο (adhesion), κατάλληλο πάχος (spacer) ή/και σε συνδυασμό με το υλικό που θα εναποτεθεί πάω από τη κινούμενη γέφυρα να οδηγήσουν σε ελαχιστοποίηση των ρευμάτων λόγω εκπομπής πεδίου (field emission currents) και των σχετικών με αυτά φαινομένων. ;Η ενεργοποίηση των πλωτών αυτών ηλεκτροδίων πραγματοποιείται όταν κατά την ενεργοποίηση της γέφυρας το επιπλέον μεταλλικό τμή μα (7 στο σχήμα 1α ή 7 στο Σχήμα 2β και Σχήμα 3β) από διαφορετικό υλικό (σε σχέση με αυτό της κινούμενης γέφυρας) το οποίο βρίσκεται σε ηλεκτρική επαφή αλλά κάθετα και σε επίπεδο πάνω από την κινούμενη γέφυρα (και επομένως δεν έρχεται σε επαφή με το διηλεκτρικό κατά την ενεργοποίηση) δημιουργεί αγώγιμη επαφή με τα πλωτά ηλεκτρόδια (6 στο σχήμα 1α). Τα πάχη της μεταλλικής γέφυρας και των πλωτών ηλεκτροδίων επιλέγονται κατάλληλα ώστε να συμβαίνει αυτό. ;Με την προτεινόμενη διευθέτηση επιτυγχάνεται η συμβατική ενεργοποίηση του διακόπτη (δία μέσου της γραμμής μεταφοράς), απαλλαγμένη από τις ιδιαιτερότητες που δημιουργεί η παρουσία πλωτών ηλεκτροδίων κάτω από τη γέφυρα καί ταυτόχρονα ελαχιστοποιείται η επίδραση των εν λόγω φαινομένων (που σχετίζονται με τη παρουσία ρευμάτων εκπομπής λόγω ηλεκτρικού πεδίου) χωρίς την ανάγκη ύπαρξης επιπλέον ηλεκτροδίων ενεργοποίησης (side actuation pads/electrodes), παρέχοντας με τον τρόπο αυτό μεγάλη ευελιξία στον σχεδίασμά των διατάξεων. ;Στη περίπτωση του προτεινόμενου διακόπτη η τελική τιμή της χωρητικότητας κατά την ενεργοποίηση (C down-state) δίνεται από τη σχέση. ;; ; Όπου Α1 και Α2 οι επιφάνειες που ορίζονται από τα πλωτά ηλεκτρόδια και Α* η ενεργή επιφάνεια της κινούμενης γέφυρας με το διηλεκτρικό υμένιο. In practice, the value of the capacitance is significantly less than that calculated by the above formula. This is because the actual/effective contact area of the bridge with the dielectric film (A*) is less than the value A due to the deformed shape of the bridge when it is in the lower position but also due to the existence of interfacial roughness on the free surface of the dielectric. This uncontrolled reduction of the capacitance in relation to its theoretical calculation was the reason for the introduction of a category of devices usually characterized by the term floating electrode. ;;The main difference in floating electrode devices is the existence of a thin metal film (electrode) directly on the dielectric film. This electrode or part of it is located under the bridge and part of it can extend outside this area since the same happens with the dielectric film. This electrode has no conductive connection to any other part of the switch and is therefore characterized as floating. Its presence ensures that when the moving bridge collapses on it, even any minimal contact between them activates, due to conductive connection, the entire surface of the floating electrode, resulting in maximizing the capacitance (C down-state) to the value predicted by theoretical calculations. In the case of the floating electrode, the moving bridge is usually activated by applying a potential difference to the side actuation pads/electrodes and not directly through the transmission line (Signal line) (X. Rottenber et al. "Novel RF-MEMS capacitive switching structures," 2002 32nd European Microwave Conference, Milan, Italy, 2002, pp. 1-4, X. Rottenberg et al. "Boosted RF-MEMS capacitive shunt switches." Proceedings of Workshop on Semiconductor Sensor and Actuator (SeSens, Veldhoven, The Netherlands, 2003, F. Giacomozzi et al., "Technological and Design Improvements for RF MEMS Shunt Switches," 2007 International Semiconductor Conference, Sinaia, Romania, 2007, pp. 263-266, F. Giaccomozzi et al. "Development of High ConCoffration RF MEMS shunt switches" Rom. J. of Infor. Scien. Technol. vol. 11, pp. 143-151 2008, EP1398811B1). The actuation of floating electrode devices through the transmission line, like conventional devices, has been shown to be possible as well. In this case the operation of the device is determined by the presence of filed emission currents which are due precisely to the high value of the electric field intensity that develops as the moving metal bridge approaches the floating electrode (G. Papaioannou et al "Floating electrode microelectromechanical system capacitive switches: A different actuation mechanism" Appl. Phys. Lett. 99, 0735501, 2011, L. Michalas etal., "Electrical characteristics of floating electrode MEMS capacitive switches, " 2012 7th European Microwave Integrated Circuit Conference, Amsterdam, Netherlands, 2012, pp. 36-39). The existence of these currents (field emission currents) makes the actuation of floating electrode devices through the transmission line extremely complex and a not always controllable process due to the factors (e.g. surface roughness) that enter into the relevant process. ;;Taking into account the level of existing knowledge, the present invention relates to a new arrangement of a micro-electromechanical-system switch (MEMS) such that it simultaneously combines the advantages of conventional structures and those with a floating electrode (Floating Electrode) aiming at minimizing the phenomena arising from the presence of field emission currents (field emission currents) without the use of side actuation electrodes (side actuation pads/electrodes). ;The proposed arrangement and simple/direct variations thereof are illustrated in plan view in Figure 1 (a-f) in front view in Figure 2 (a,b) and in side view in Figure 3 (a,b). Specifically, it includes the transmission line consisting of three metal films (2,3 in Figure 1a) at appropriate distances between them on an insulating substrate (1, in Figure 1a) which can be glass, ceramic or semiconductor on which a dielectric layer has been grown. Part of the central metal film is covered by a dielectric film (4 in Figure 1a) the thickness of which is decided by the relationship 1. Alternatively, it is possible for more than one film to be deposited sequentially one on top of the other (4 in Figure 2b and Figure 3b). Then, with an appropriate process that includes the deposition, patterning and removal of a suitable sacrificial material, a metal bridge (5 in Figure 1) is created by deposition. The bases of the bridge are located in conductive connection with the two metal films located at the ends of the transmission line (2 in Figure 1a) (not the central one - 3 in Figure 1a) and suspended above the central metal film of the transmission line which is covered by the dielectric film. The movable metal bridge can have a solid shape or have holes (8 in Figure 1b) or even arms (5 in Figure 1c). Also alternatively the arrangement can be based on another form of transmission line or general electrode in which the lateral conductors (2, in Figure 1a) are absent. In this case there is only the central electrode (Figure 1d). In the proposed arrangement the dielectric film (4 in Figure 1a) (or the successive dielectric films 4 in Figure 2b and Figure 2c) covering the central metal film of the transmission line must extend over an area larger than the area defined by the projection of the moving bridge on the plane of the coplanar waveguide. ;This must be the case because in the proposed arrangement there are two non-electrically connected floating electrodes (6 in Figure 1a), on the upper part of the dielectric film and on either side of the area in which the moving metal bridge will land upon activation, in such a way that no part of them is located under the bridge, i.e. in the aforementioned area defined by the projection of its shape on the plane of the transmission line. The proposed arrangement can also exist in a variant with a single floating electrode (Figure 1e). ;In addition, the structure includes an additional metal part (7 in Figure 1a) or more than one (7 in Figure 1f) of a different material (relative to that of the moving bridge) which is located in an electrical contact but perpendicularly and in a plane above the moving bridge (and therefore does not come into contact with the dielectric during activation). This part is inserted in a way that selectively affects the properties (mechanical, electrical) of the moving part and the material is chosen to lead to a minimization of field emission currents and related phenomena. ;The two floating electrodes (6 in Figure 1a) may consist of a metal film or of multiple metal layers (multilayer stack) (6 in Figure 2b and 6 in Figure 3b), so as to ensure good adhesion with the dielectric film, appropriate thickness (spacer) and/or in combination with the material to be deposited by the moving bridge to lead to a minimization of field emission currents and related phenomena. ;The activation of these floating electrodes is realized when, during the activation of the bridge, the additional metal section (7 in Figure 1a or 7 in Figure 2b and Figure 3b) of a different material (in relation to that of the moving bridge) which is in electrical contact but perpendicular and level above the moving bridge (and therefore does not come into contact with the dielectric during activation) creates conductive contact with the floating electrodes (6 in Figure 1a). The thicknesses of the metal bridge and the floating electrodes are chosen appropriately so that this happens. ;With the proposed arrangement, the conventional activation of the switch (via the transmission line) is achieved, free from the peculiarities created by the presence of floating electrodes under the bridge and at the same time the effect of these phenomena (related to the presence of emission currents due to the electric field) is minimized without the need for additional activation electrodes (side actuation pads/electrodes), thus providing great flexibility in the design of the devices. ;In the case of the proposed switch the final value of the capacitance during activation (C down-state) is given by the relationship. ;; ; Where A1 and A2 are the surfaces defined by the floating electrodes and A* is the active surface of the moving bridge with the dielectric film.

Claims (7)

ΑΞΙΩΣΕΙΣ 1. Ένας μικροηλεκτρομηχανικός διακόπτης που αποτελείτε από τη γραμμή μεταφοράς πάνω σε κατάλληλο υπόστρωμα, ένα διηλεκτρικό υμένιο που καλύπτει τμήμα από το κεντρικό ηλεκτρόδιο της γραμμής μεταφοράς, μία κινούμενη μεταλλική γέφυρα, δύο πλωτά ηλεκτρόδια πάνω στο διηλεκτρικό υμένιο σε περιοχή που να μην βρίσκονται κάτω από τη κινούμενη μεταλλική γέφυρα και ένα επιπλέον μεταλλικό τμήμα πάνω στη κινούμενη γέφυρα σε αγώγιμη επαφή με αυτή και σε επίπεδο πάνω από αυτή και σε κάθετο με αυτή προσανατολισμό ώστε κατά την ενεργοποίηση, η οποία πραγματοποιείται από τη γραμμή μεταφοράς και χωρίς ηλεκτρόδια ενεργοποίησης (side actuation pads/electrodes), να ακουμπά τα πλωτά ηλεκτρόδια χωρίς όμως να έρχεται σε επαφή με το διηλεκτρικό.1. A microelectromechanical switch consisting of the transmission line on a suitable substrate, a dielectric film covering part of the central electrode of the transmission line, a moving metal bridge, two floating electrodes on the dielectric film in an area not below the moving metal bridge and an additional metal part on the moving bridge in conductive contact with it and in a plane above it and in a perpendicular orientation to it so that during activation, which is carried out by the transmission line and without activation electrodes (side actuation pads/electrodes), it touches the floating electrodes without however coming into contact with the dielectric. 2. Μία παραλλαγή αυτής της δομής που περιλαμβάνει ένα αντί για δύο πλωτά ηλεκτρόδια2. A variation of this structure that includes one instead of two floating electrodes 3. Μία παραλλαγή που περιλαμβάνει περισσότερα από ένα επιπλέον μεταλλικά τμήματα πάνω στη κινούμενη γέφυρα σε γεωμετρία που να ελέγχει τις μηχανικές ιδιότητες της γέφυρας.3. A variant that includes more than one additional metal section on the moving bridge in a geometry that controls the mechanical properties of the bridge. 4. Μία παραλλαγή που η γραμμή μεταφοράς δεν είναι ομοεπίπδος κυματοδηγός αλλά άλλη μορφή κυματοδηγού ή απλού ηλεκτροδίου.4. A variant where the transmission line is not a planar waveguide but another form of waveguide or simple electrode. 5. Μια παραλλαγή όπου το διηλεκτρικό υμένιο μπορεί να αποτελείται από περισσότερα από ένα υμένια, διαδοχικά το ένα πάνω στο άλλο.5. A variation where the dielectric film may consist of more than one film, sequentially one on top of the other. 6. Μια παραλλαγή που το/τα πλωτά ηλεκτρόδια αποτελούνται από πολλαπλά μεταλλικά στρώματα (multilayer stack).6. A variant in which the floating electrode(s) consist of multiple metal layers (multilayer stack). 7. Μια παραλλαγή αυτής της δομής μπορεί να περιλαμβάνει κινούμενη γέφυρα με οπές ή/και βραχίονες.7. A variation of this structure may include a movable bridge with holes and/or arms.
GR20230100516A 2023-06-26 2023-06-26 Micro-electro-mechanical switch with floating electrodes on structure minimizing field emission currents and related phenomena GR1010742B (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GR20230100516A GR1010742B (en) 2023-06-26 2023-06-26 Micro-electro-mechanical switch with floating electrodes on structure minimizing field emission currents and related phenomena

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GR20230100516A GR1010742B (en) 2023-06-26 2023-06-26 Micro-electro-mechanical switch with floating electrodes on structure minimizing field emission currents and related phenomena

Publications (1)

Publication Number Publication Date
GR1010742B true GR1010742B (en) 2024-08-27

Family

ID=92843415

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
GR20230100516A GR1010742B (en) 2023-06-26 2023-06-26 Micro-electro-mechanical switch with floating electrodes on structure minimizing field emission currents and related phenomena

Country Status (1)

Country Link
GR (1) GR1010742B (en)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040124497A1 (en) * 2002-09-16 2004-07-01 Xavier Rottenberg Switchable capacitor and method of making the same
EP1722386A1 (en) * 2005-05-10 2006-11-15 Interuniversitair Microelektronica Centrum Vzw Micro electromechanical device with reduced self-actuation

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040124497A1 (en) * 2002-09-16 2004-07-01 Xavier Rottenberg Switchable capacitor and method of making the same
EP1722386A1 (en) * 2005-05-10 2006-11-15 Interuniversitair Microelektronica Centrum Vzw Micro electromechanical device with reduced self-actuation

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5578976A (en) Micro electromechanical RF switch
US6310526B1 (en) Double-throw miniature electromagnetic microwave (MEM) switches
US6307452B1 (en) Folded spring based micro electromechanical (MEM) RF switch
Park et al. Monolithically integrated micromachined RF MEMS capacitive switches
US6373682B1 (en) Electrostatically controlled variable capacitor
US9373460B2 (en) Method for manufacturing a high-capacitance RF MEMS switch
US20100263999A1 (en) Low-cost process-independent rf mems switch
US10134552B2 (en) Method for fabricating MEMS switch with reduced dielectric charging effect
JP5774193B2 (en) RFMEMS intersection switch and intersection switch matrix including RFMEMS intersection switch
US7692519B2 (en) MEMS switch with improved standoff voltage control
EP1398811B1 (en) Switchable capacitor
DE60224836D1 (en) METHOD FOR PRODUCING ELECTROMECHANIC MICROSWITCHES ON CMOS COMPATIBLE SUBSTRATES
JP4814316B2 (en) Capacitive RF-MEMS device with integrated decoupling capacitor
US8018307B2 (en) Micro-electromechanical device and module and method of manufacturing same
Giacomozzi et al. A flexible fabrication process for RF MEMS devices
US7118935B2 (en) Bump style MEMS switch
US20080217149A1 (en) Integrated arrangement and method for production
GR1010742B (en) Micro-electro-mechanical switch with floating electrodes on structure minimizing field emission currents and related phenomena
CN1251960C (en) Bridge for microelectromechanical structure
Asutkar et al. A novel approach for optimized design of RF MEMS capacitive switch
NL1023275C2 (en) Method for manufacturing a micro-mechanical element.
WO2009057988A2 (en) Radio frequency mems switch
KR20010010224A (en) microswitches and production method using electrostatic force
Pu et al. Stable zipping RF MEMS varactors
Orlianges et al. Application of aluminum oxide and ta-C thin films deposited at room temperature by PLD in RF-MEMS fabrication

Legal Events

Date Code Title Description
PG Patent granted

Effective date: 20240906