RU2823127C1

RU2823127C1 - Integrated high-frequency microelectromechanical switch of capacitive switching principle with high capacitance factor

Info

Publication number: RU2823127C1
Application number: RU2023125461A
Authority: RU
Inventors: Алексей Вячеславович Ткаченко; Игорь Евгеньевич Лысенко; Марк Анатольевич Денисенко
Filing date: 2023-10-04
Publication date: 2024-07-18

Abstract

FIELD: microsystem equipment.

SUBSTANCE: invention relates to microsystem equipment and can be used in integrated radio electronics for switching high-frequency radio signals over transmission lines. Integral high-frequency microelectromechanical switch of capacitive switching principle with high capacitance factor comprises a suspended movable electrode of an electrostatic drive, made in the form of a plate from a conducting metal material, divided into a left and a right area of electrostatic activation, which are connected to each other by a jumper made of conducting metal material, two pairs of suspended elastic zigzag-shaped suspension elements, made of conductive metal material, characterized by low stiffness coefficient, which enables to significantly reduce the value of the constant control voltage, two supporting-armature elements of the structure, made of a conductive metal material, lower fixed electrode of electrostatic drive, made of conducting material, divided into left and right electrostatic activation area, thin passivation layers made of dielectric material, two flat thin-film variable capacitance capacitors with metal-dielectric-metal plates, formed by the left and right electrostatic activation area of the lower fixed electrode of the electrostatic drive, by thin passivation layers located on their surface, as well as left and right electrostatic activation area of suspended movable electrode of electrostatic drive, through perforations in the plate of the suspended movable electrode of the electrostatic drive, the main control flat thin-film capacitor of constant high capacity with metal-dielectric-metal plates.

EFFECT: reduction of electromechanical and weight and size characteristics of the switch, possibility of performing detailed adjustment of the effective operating frequency range and the central resonance frequency at the design stage of the switch, characterized by low value of constant control voltage 3.5 V for electrostatic activation, which is compatible with integral radio electronics with a short time required to complete a cycle of the operation of closing and opening switch of 6.35 mcs and 3.1 mcs, respectively.

1 cl, 9 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области микросистемной техники и может быть использовано в интегральной радиоэлектронике, в частности в современных антенных, телекоммуникационных и радарных устройствах, устройствах наземной и спутниковый радиосвязи, устройствах лабораторного, тестового и испытательного оборудования для целей коммутации высокочастотных радиосигналов по линиям передачи.The present invention relates to the field of microsystem technology and can be used in integrated radio electronics, in particular in modern antenna, telecommunication and radar devices, terrestrial and satellite radio communication devices, laboratory, test and testing equipment for the purpose of switching high-frequency radio signals along transmission lines.

Известен интегральный высокочастотный микроэлектромеханический переключатель емкостного принципа коммутации с высоким коэффициентом емкости [Charles L. Goldsmith, Zhimin Yao, Susan Eshelman, David Denniston, Performance of Low-Loss RF MEMS Capacitive Switches, IEEE Microwave and Guided Wave Letters, Vol. 8, No. 8, 1998, p. 269, fig. 1, fig 2], который содержит подложку, выполненную из диэлектрического материала, с расположенным на ней высокочастотным копланарным волноводом, выполненным из проводникового материала, образованный центральным проводником, представляющим собой проводник линии передачи радиосигнала, и двумя заземляющими проводниками, расположенными симметрично с зазором по левую и правую сторону относительного центрального проводника, нижний неподвижный электрод электростатического привода, выполненный из проводникового материала, расположенный непосредственно на проводнике линии передачи радиосигнала высокочастотного копланарного волновода, тонкий диэлектрический слой, расположенный на поверхности нижнего неподвижного электрода электростатического привода, подвешенный подвижный электрод электростатического привода, выполненный в виде пластины из проводникового материала, расположенный с зазором относительно тонкого диэлектрического слоя, имеющий сквозные перфорационные отверстия по всей площади, закрепленный симметрично по левой и правой стороне посредством двух опорно-якорных элементов конструкции, выполненных из проводникового материала, которые расположены непосредственно на заземляющих проводниках высокочастотного копланарного волновода, при этом подвешенный подвижный электрод электростатического привода образует с нижним неподвижным электродом электростатического привода и тонким диэлектрическим слоем управляющий конденсатор переменной емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл, емкость которого изменяется при электростатической активации электростатического привода, который образован подвешенным подвижным электродом электростатического привода и нижним неподвижным электродом электростатического привода.An integrated high-frequency microelectromechanical switch of a capacitive switching principle with a high capacitance coefficient is known [Charles L. Goldsmith, Zhimin Yao, Susan Eshelman, David Denniston, Performance of Low-Loss RF MEMS Capacitive Switches, IEEE Microwave and Guided Wave Letters, Vol. 8, No. 8, 1998, p. 269, fig. 1, fig 2], which contains a substrate made of dielectric material, with a high-frequency coplanar waveguide located on it, made of conductor material, formed by a central conductor, which is a conductor of the radio signal transmission line, and two grounding conductors located symmetrically with a gap to the left and the right side of the relative center conductor, a lower stationary electrode of the electrostatic drive made of conductive material, located directly on the conductor of the radio signal transmission line of the high-frequency coplanar waveguide, a thin dielectric layer located on the surface of the lower stationary electrode of the electrostatic drive, a suspended movable electrode of the electrostatic drive made in in the form of a plate made of conductor material, located with a gap of a relatively thin dielectric layer, having through perforations over the entire area, fixed symmetrically on the left and right sides by means of two support-anchor structural elements made of conductor material, which are located directly on the grounding conductors of the high-frequency coplanar waveguide, while the suspended movable electrode of the electrostatic drive forms with the lower fixed electrode of the electrostatic drive and a thin dielectric layer a control capacitor of variable capacitance with metal-dielectric-metal plates, the capacitance of which changes with electrostatic activation of the electrostatic drive, which is formed by the suspended movable electrode of the electrostatic drive and the lower fixed electrode of the electrostatic drive.

Данный интегральный высокочастотный микроэлектромеханический переключатель емкостного принципа коммутации с высоким коэффициентом емкости позволяет коммутировать высокочастотные радиосигналы в диапазоне частот от 9 ГГц до 40 ГГц с малыми вносимыми потерями в открытом состоянии переключателя, малым вносимым сопротивлением и высокой изоляцией в закрытом состоянии на высоких частотах, не хуже $-$ 20 дБ в диапазоне частот от 15 ГГц до 40 ГГц с величиной коэффициента емкости в диапазоне от 80 до 110 при постоянном управляющем напряжении для электростатической активации переключателя в пределах 50 В.This integrated high-frequency microelectromechanical switch of the capacitive switching principle with a high capacitance factor allows switching high-frequency radio signals in the frequency range from 9 GHz to 40 GHz with low insertion loss in the on-state of the switch, low insertion resistance and high isolation in the off-state at high frequencies, no worse $-$ 20 dB in the frequency range from 15 GHz to 40 GHz with a capacitance factor value ranging from 80 to 110 with a constant control voltage for electrostatic switch activation within 50 V.

Признаками аналога, совпадающими с существующими признаками, являются подложка, выполненная из диэлектрического материала, высокочастотный копланарный волновод, нижний неподвижный электрод электростатического привода, выполненные из проводникового материала, тонкий диэлектрический слой, расположенный на поверхности нижнего неподвижного электрода электростатического привода, подвешенный подвижный электрод электростатического привода, выполненный виде пластины из проводникового материала, имеющий сквозные перфорационные отверстия по всей площади, опорно-якорные элементы конструкции, выполненные из проводникового материала, которые расположены на соответствующих заземляющих проводниках высокочастотного копланарного волновода, конденсатор переменной емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл.The features of the analogue, which coincide with the existing features, are a substrate made of dielectric material, a high-frequency coplanar waveguide, a lower fixed electrode of an electrostatic drive, made of conductive material, a thin dielectric layer located on the surface of the lower fixed electrode of an electrostatic drive, a suspended movable electrode of an electrostatic drive, made in the form of a plate made of conductor material, having through perforations over the entire area, support-anchor structural elements made of conductor material, which are located on the corresponding grounding conductors of the high-frequency coplanar waveguide, a variable capacitor with metal-dielectric-metal plates.

Недостатком данной конструкции интегрального высокочастотного микроэлектромеханического переключателя емкостного принципа коммутации с высоким коэффициентом емкости является высокая величина постоянного управляющего напряжения, предназначенного для электростатической активации и приведения в движение в вертикальной плоскости, а также притяжения подвешенного подвижного электрода электростатического привода к нижнему неподвижному электроду электростатического привода, что является следствием высокой механической жесткости подвешенного подвижного электрода электростатического привода, обусловленная отсутствием в конструкции переключателя подвешенных упругих элементов подвеса, выполненных из проводникового материала, низкая линейность и добротность, низкий коэффициент качества конструкции переключателя и длительное время операции перехода переключателя в закрытое состояние при электростатической активации и подаче постоянного управляющего напряжения на нижний неподвижный электрод электростатического привода, а также операции открытия при отключении подачи постоянного управляющего напряжения на нижний неподвижный электрод электростатического привода, низкая величина емкости образованного управляющего конденсатора переменной емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл, а также низкий результирующий коэффициент емкости переключателя, что приводит к снижению линейности и электромагнитных характеристик переключателя в открытом и закрытом состоянии в эффективном рабочем диапазоне частот и на центральной резонансной частоте, а также сводит к минимуму возможности подстройки эффективного рабочего диапазона частот и центральной резонансной частоты, невозможности проектирования переключателя с малыми массогабаритными характеристиками, отсутствие в конструкции переключателя индуктивных выемок, расположенных в плоскости заземляющих проводников и в плоскости центрального проводника линии передачи радиосигнала высокочастотного копланарного волновода, что также позволило бы проводить более детальную подстройку эффективного рабочего диапазона частот и центральной резонансной частоты на этапах проектирования переключателя, отсутствие в конструкции переключателя предусмотренных контактных площадок, выполненных из проводникового материала, обеспечивающих возможность монтажа переключателя в специализированный высокочастотный корпус и его интеграцию в радиоэлектронные устройства, отсутствие в конструкции переключателя изолирующих пассивационных слоев, выполненных из диэлектрического материала, предназначенных для развязки постоянного управляющего напряжения от коммутируемого высокочастотного радиосигнала, конструктивные проблемы низкой надежности, выраженные в неполным, локальном или вовсе отсутствующем контакте между подвижным электродом электростатического привода и тонким диэлектрическим слоем, расположенным на поверхности нижнего неподвижного электрода электростатического привода, при электростатической активации и переводе переключателя в закрытое состояние по причине высокой шероховатости поверхности тонкого диэлектрического слоя, что является следствием несовершенства технологического процесса изготовления либо неверным подбором материала диэлектрического слоя, что также приводит к низкой емкости образованного управляющего конденсатора переменной емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл, а соответственно к низкой величине коэффициента емкости и негативному изменению, отклонению электромагнитных характеристик переключателя от заданных при его проектировании, конструктивные проблемы низкой отказоустойчивости, выраженные в возникающем явлении прилипания подвешенного подвижного электрода электростатического привода к тонкому диэлектрического слою, расположенному на поверхности нижнего неподвижного электрода электростатического привода, при электростатической активации и удержании подвешенного подвижного электрода электростатического привода в нижнем положении при отсутствии подаваемого постоянного управляющего напряжения на нижний неподвижный электрод электростатического привода, что вызвано инжекцией зарядов на поверхность и в объем тонкого диэлектрического слоя, приводящее к значительному снижению добротности данного переключателя, а также в связи с этим высокой плотностью электрического тока, протекающего через тонкий диэлектрический слой и внезапной разностью потенциалов между двумя точками, что, как правило, приводит к необратимому разрушению тонкого диэлектрического слоя, образующего управляющий конденсатор переменной емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл, который начинает вести себя как проводник.The disadvantage of this design of an integrated high-frequency microelectromechanical switch of the capacitive switching principle with a high capacitance coefficient is the high value of the constant control voltage intended for electrostatic activation and driving in the vertical plane, as well as the attraction of the suspended movable electrode of the electrostatic drive to the lower stationary electrode of the electrostatic drive, which is a consequence of the high mechanical rigidity of the suspended movable electrode of the electrostatic drive, due to the absence in the design of the switch of suspended elastic suspension elements made of conductive material, low linearity and quality factor, low quality factor of the switch design and a long time of operation of the switch transition to the closed state during electrostatic activation and supply of constant control voltage to the lower fixed electrode of the electrostatic drive, as well as the opening operation when the supply of constant control voltage to the lower fixed electrode of the electrostatic drive is turned off, the low capacitance value of the formed variable-capacitance control capacitor with metal-dielectric-metal plates, as well as the low resulting switch capacitance coefficient, which leads to a decrease in the linearity and electromagnetic characteristics of the switch in the open and closed states in the effective operating frequency range and at the central resonant frequency, and also minimizes the possibility of adjusting the effective operating frequency range and the central resonant frequency, the impossibility of designing a switch with small weight and size characteristics, the absence in the design of the switch there are inductive notches located in the plane of the grounding conductors and in the plane of the central conductor of the radio signal transmission line of the high-frequency coplanar waveguide, which would also allow for more detailed adjustment of the effective operating frequency range and the central resonant frequency at the design stages of the switch, the absence of the provided contact contacts in the switch design pads made of conductive material, providing the possibility of mounting the switch in a specialized high-frequency housing and its integration into radio-electronic devices, the absence in the design of the switch of insulating passivation layers made of dielectric material designed to decouple the constant control voltage from the switched high-frequency radio signal, design problems of low reliability , expressed in incomplete, local or completely absent contact between the movable electrode of the electrostatic drive and a thin dielectric layer located on the surface of the lower fixed electrode of the electrostatic drive, during electrostatic activation and transfer of the switch to the closed state due to the high roughness of the surface of the thin dielectric layer, which is a consequence imperfections in the manufacturing process or incorrect selection of the material of the dielectric layer, which also leads to a low capacitance of the formed variable-capacity control capacitor with metal-dielectric-metal plates, and, accordingly, to a low value of the capacitance coefficient and a negative change, deviation of the electromagnetic characteristics of the switch from those specified during its design , design problems of low fault tolerance, expressed in the emerging phenomenon of sticking of the suspended movable electrode of the electrostatic drive to a thin dielectric layer located on the surface of the lower stationary electrode of the electrostatic drive, during electrostatic activation and holding of the suspended movable electrode of the electrostatic drive in the lower position in the absence of a constant control voltage applied to the lower stationary electrode of an electrostatic drive, which is caused by the injection of charges onto the surface and into the volume of a thin dielectric layer, leading to a significant decrease in the quality factor of this switch, as well as due to this high density of electric current flowing through the thin dielectric layer and a sudden potential difference between two points , which, as a rule, leads to irreversible destruction of the thin dielectric layer forming a variable-capacitance control capacitor with metal-dielectric-metal plates, which begins to behave as a conductor.

Функциональным аналогом заявленного объекта является интегральный высокочастотный микроэлектромеханический переключатель емкостного принципа коммутации с высоким коэффициентом емкости [Jae Y. Park, Geun H. Kim, Ki W. Chung, Jong U. Bu, Fully Integrated Micromachined Capacitive Switches for RF Applications, IEEE MTT-S Digest, 2000, p. 284, fig. 3-5], содержащий подложку, выполненную из диэлектрического материала, с расположенным на ней высокочастотным копланарным волноводом, выполненным из проводникового материала, образованный центральным проводником, представляющим собой проводник линии передачи радиосигнала, и двумя заземляющими проводниками, расположенными симметрично с зазором по левую и правую сторону относительного центрального проводника, нижний неподвижный электрод электростатического привода, выполненный из проводникового материала, расположенный непосредственно на проводнике линии передачи радиосигнала высокочастотного копланарного волновода, тонкий диэлектрический слой, расположенный на поверхности нижнего неподвижного электрода электростатического привода, подвешенный подвижный электрод электростатического привода, выполненный в виде пластины из проводникового материала, расположенный с зазором относительно тонкого диэлектрического слоя, который симметрично крепится по левой и правой стороне посредством двух подвешенных упругих элементов подвеса в форме меандра, выполненных из проводникового материала, при этом каждый из двух подвешенных упругих элементов подвеса симметрично крепится к соответствующему опорно-якорному элементу конструкции, выполненному из проводникового материала, который расположен непосредственно на соответствующем заземляющем проводнике высокочастотного копланарного волновода, при этом подвешенный подвижный электрод электростатического привода образует с нижним неподвижным электродом электростатического привода и тонким диэлектрическим слоем управляющий конденсатор переменной емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл, емкость которого изменяется при электростатической активации электростатического привода, который образован подвешенным подвижным электродом электростатического привода и нижним неподвижным электродом электростатического привода.A functional analogue of the claimed object is an integrated high-frequency microelectromechanical switch of a capacitive switching principle with a high capacitance coefficient [Jae Y. Park, Geun H. Kim, Ki W. Chung, Jong U. Bu, Fully Integrated Micromachined Capacitive Switches for RF Applications, IEEE MTT-S Digest, 2000, p. 284, fig. 3-5], containing a substrate made of dielectric material, with a high-frequency coplanar waveguide located on it, made of conductive material, formed by a central conductor, which is a conductor of the radio signal transmission line, and two grounding conductors located symmetrically with a gap on the left and right side of the relative central conductor, the lower fixed electrode of the electrostatic drive, made of conductive material, located directly on the conductor of the radio signal transmission line of the high-frequency coplanar waveguide, a thin dielectric layer located on the surface of the lower fixed electrode of the electrostatic drive, a suspended movable electrode of the electrostatic drive, made in the form of a plate made of conductive material, located with a gap of a relatively thin dielectric layer, which is symmetrically attached on the left and right sides by means of two suspended elastic suspension elements in the shape of a meander, made of conductive material, with each of the two suspended elastic suspension elements symmetrically attached to the corresponding support- an anchor structural element made of conductive material, which is located directly on the corresponding grounding conductor of the high-frequency coplanar waveguide, while the suspended movable electrode of the electrostatic drive forms with the lower fixed electrode of the electrostatic drive and a thin dielectric layer a control capacitor of variable capacitance with metal-dielectric-metal plates, the capacitance of which changes upon electrostatic activation of the electrostatic drive, which is formed by the suspended movable electrode of the electrostatic drive and the lower fixed electrode of the electrostatic drive.

Данный интегральный высокочастотный микроэлектромеханический переключатель емкостного принципа коммутации с высоким коэффициентом емкости позволяет коммутировать высокочастотные радиосигналы в диапазоне частот от 1 ГГц до 16 ГГц с малыми вносимыми потерями до $-$ 0,08 дБ на частоте до 10 ГГц в открытом состоянии переключателя, изоляцией $-$ 42 дБ в закрытом состоянии на центральной резонансной частоте 5 ГГц и изоляцией не хуже $-$ 30 дБ в диапазоне частот от 5 ГГц до 16 ГГц с величиной коэффициента емкости равной 600 при постоянном управляющем напряжении для электростатической активации переключателя в пределах 25 В.This integrated high-frequency microelectromechanical switch of the capacitive switching principle with a high capacitance coefficient allows switching high-frequency radio signals in the frequency range from 1 GHz to 16 GHz with low insertion losses up to $-$ 0.08 dB up to 10 GHz switch open, isolated $-$ 42 dB in the closed state at the central resonant frequency of 5 GHz and no worse isolation $-$ 30 dB in the frequency range from 5 GHz to 16 GHz with a capacitance factor value of 600 with a constant control voltage for electrostatic switch activation within 25 V.

Признаками аналога, совпадающими с существующими признаками, являются подложка, выполненная из диэлектрического материала, высокочастотный копланарный волновод, нижний неподвижный электрод электростатического привода, выполненные из проводникового материала, тонкий диэлектрический слой, расположенный на поверхности нижнего неподвижного электрода электростатического привода, подвешенный подвижный электрод электростатического привода, выполненный в виде пластины из проводникового материала, подвешенные упругие элементы подвеса, выполненные из проводникового материала, которые крепятся к подвешенному подвижному электроду электростатического привода и к опорно-якорным элементам конструкции, выполненным из проводникового материала, которые расположены на соответствующих заземляющих проводниках высокочастотного копланарного волновода, конденсатор переменной емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл.The features of the analogue, which coincide with the existing features, are a substrate made of dielectric material, a high-frequency coplanar waveguide, a lower fixed electrode of an electrostatic drive, made of conductive material, a thin dielectric layer located on the surface of the lower fixed electrode of an electrostatic drive, a suspended movable electrode of an electrostatic drive, made in the form of a plate of conductor material, suspended elastic suspension elements made of conductor material, which are attached to the suspended movable electrode of the electrostatic drive and to the support-anchor structural elements made of conductor material, which are located on the corresponding grounding conductors of the high-frequency coplanar waveguide, capacitor variable capacitance with metal-dielectric-metal plates.

Недостатком данной конструкции интегрального высокочастотного микроэлектромеханического переключателя емкостного принципа коммутации с высоким коэффициентом емкости является высокая величина постоянного управляющего напряжения, предназначенного для электростатической активации, приведения в движение в вертикальной плоскости, а также притяжения подвешенного подвижного электрода электростатического привода к нижнему неподвижному электроду электростатического привода, что является следствием высокой механической жесткости подвешенного подвижного электрода электростатического привода, обусловленная высокой величиной коэффициента жесткости, примененных подвешенных упругих элементов подвеса, выполненных из проводникового материала, низкая линейность и добротность, низкий коэффициент качества конструкции переключателя и длительное время операции перехода переключателя в закрытое состояние при электростатической активации и подаче постоянного управляющего напряжения на нижний неподвижный электрод электростатического привода, а также операции открытия при отключении подачи постоянного управляющего напряжения на нижний неподвижный электрод электростатического привода, низкая величина емкости образованного управляющего конденсатора переменной емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл, а также низкий результирующий коэффициент емкости переключателя, что приводит к снижению линейности и электромагнитных характеристик переключателя в открытом и закрытом состоянии в эффективном рабочем диапазоне частот и на центральной резонансной частоте, а также сводит к минимуму возможности подстройки эффективного рабочего диапазона частот и центральной резонансной частоты, невозможности проектирования переключателя с малыми массогабаритными характеристиками, отсутствие в конструкции переключателя индуктивных выемок, а именно в плоскости заземляющих проводников и в плоскости центрального проводника линии передачи радиосигнала высокочастотного копланарного волновода, что позволило бы проводить более детальную подстройку эффективного рабочего диапазона частот и центральной резонансной частоты на этапе проектирования переключателя, отсутствие в конструкции переключателя предусмотренных контактных площадок, выполненных из проводникового материала, обеспечивающих возможность монтажа переключателя в специализированный высокочастотный корпус и его интеграцию в радиоэлектронные устройства, отсутствие в конструкции переключателя изолирующих пассивационных слоев, выполненных из диэлектрического материала, предназначенных для развязки постоянного управляющего напряжения от коммутируемого высокочастотного радиосигнала, конструктивные проблемы низкой надежности, выраженные в отсутствии в подвешенном подвижном электроде электростатического привода, выполненном в виде пластины из проводникового материала, сквозных перфорационных отверстий, что также приводит к снижению коэффициента качества конструкции переключателя и длительному времени операции перехода переключателя в закрытое состояние при электростатической активации и подаче постоянного управляющего напряжения на нижний неподвижный электрод электростатического привода, а также операции открытия при отключении подачи постоянного управляющего напряжения на нижний неподвижный электрод электростатического привода по причине высокой величины коэффициента изотермического и термоупругого демпфирования, кроме того, низкая толщина подвешенного подвижного электрода электростатического привода и отсутствие в его конструкции сквозных перфорационных отверстий влияет на величину остаточных термомеханических напряжений, возникающих на этапах технологического процесса изготовления конструкции переключателя, оказывающих влияние на механическую резонансную частоту подвешенного подвижного электрода электростатического привода, а также служит причиной различного вида механических деформаций пластины подвешенного подвижного электрода электростатического привода, таких как изгибы, сжатие, коробление, что является причиной неполного, локального перемещения подвешенного подвижного электрода электростатического привода к нижнему неподвижному электроду электростатического привода при электростатической активации и переводе переключателя в закрытое состояние, что в свою очередь является причиной неполного, локального или вовсе отсутствующего контакта между подвижным электродом электростатического привода и тонким диэлектрическим слоем, расположенным на поверхности нижнего неподвижного электрода электростатического привода, приводящее к низкой величине емкости образованного управляющего конденсатора переменной емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл, а также к низкой величине коэффициента емкости, смещению эффективного рабочего диапазона частот, центральной резонансной частоты и электромагнитных характеристик переключателя от заданных при его проектировании, конструктивные проблемы низкой отказоустойчивости, выраженные в высокой шероховатости поверхности тонкого диэлектрического слоя по причине несовершенства технологического процесса изготовления либо по причине неверного подбора материала диэлектрического слоя, что также приводит к низкой величине емкости образованного управляющего конденсатора переменной емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл, а соответственно к низкой величине коэффициента емкости и негативному изменению, отклонению электромагнитных характеристик переключателя от заданных при его проектировании, конструктивные проблемы низкой отказоустойчивости, выраженные в возникающем явлении прилипания подвешенного подвижного электрода электростатического привода к тонкому диэлектрическому слою, расположенному на поверхности нижнего неподвижного электрода электростатического привода, при электростатической активации и удержании подвешенного подвижного электрода электростатического привода в нижнем положении при отсутствии подаваемого постоянного управляющего напряжения на нижний неподвижный электрод электростатического привода, что вызвано инжекцией зарядов на поверхность и в объем тонкого диэлектрического слоя, приводящее к значительному снижению добротности данного переключателя, а также в связи с этим высокой плотностью электрического тока, протекающего через тонкий диэлектрический слой и внезапной разностью потенциалов между двумя точками, что, как правило, приводит к необратимому разрушению тонкого диэлектрического слоя, образующего управляющий конденсатор переменной емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл, который начинает вести себя как проводник.The disadvantage of this design of an integrated high-frequency microelectromechanical switch of the capacitive switching principle with a high capacitance coefficient is the high value of the constant control voltage intended for electrostatic activation, driving in the vertical plane, as well as attraction of the suspended movable electrode of the electrostatic drive to the lower stationary electrode of the electrostatic drive, which is a consequence of the high mechanical rigidity of the suspended movable electrode of the electrostatic drive, due to the high value of the stiffness coefficient, the applied suspended elastic suspension elements made of conductive material, low linearity and quality factor, low quality factor of the switch design and a long time of operation of the switch transition to the closed state during electrostatic activation and supply of a constant control voltage to the lower fixed electrode of the electrostatic drive, as well as the opening operation when the supply of constant control voltage to the lower fixed electrode of the electrostatic drive is turned off, the low capacitance value of the formed variable-capacitance control capacitor with metal-dielectric-metal plates, as well as the low resulting capacitance coefficient switch, which leads to a decrease in the linearity and electromagnetic characteristics of the switch in the open and closed states in the effective operating frequency range and at the central resonant frequency, and also minimizes the possibility of adjusting the effective operating frequency range and the central resonant frequency, the impossibility of designing a switch with small weight and size characteristics , the absence of inductive notches in the design of the switch, namely in the plane of the grounding conductors and in the plane of the central conductor of the radio signal transmission line of a high-frequency coplanar waveguide, which would allow for more detailed adjustment of the effective operating frequency range and the central resonant frequency at the design stage of the switch, the absence of provided contact pads made of conductive material, providing the possibility of mounting the switch in a specialized high-frequency housing and its integration into radio-electronic devices, the absence in the design of the switch of insulating passivation layers made of dielectric material designed to decouple the constant control voltage from the switched high-frequency radio signal, design problems low reliability, expressed in the absence of through perforations in the suspended movable electrode of the electrostatic drive, made in the form of a plate of conductive material, which also leads to a decrease in the quality factor of the switch design and a long time for the switch to switch to the closed state during electrostatic activation and the supply of a constant control voltage to the lower fixed electrode of the electrostatic drive, as well as the opening operation when the supply of constant control voltage to the lower fixed electrode of the electrostatic drive is turned off due to the high value of the isothermal and thermoelastic damping coefficient, in addition, the low thickness of the suspended movable electrode of the electrostatic drive and the absence of through connections in its design perforation holes affects the magnitude of residual thermomechanical stresses that arise at the stages of the technological process of manufacturing the switch structure, affecting the mechanical resonant frequency of the suspended movable electrode of the electrostatic drive, and also causes various types of mechanical deformations of the plate of the suspended movable electrode of the electrostatic drive, such as bending, compression , warping, which is the cause of incomplete, local movement of the suspended movable electrode of the electrostatic drive to the lower stationary electrode of the electrostatic drive when electrostatically activated and the switch is moved to the closed state, which in turn causes incomplete, local or completely absent contact between the movable electrode of the electrostatic drive and a thin dielectric layer located on the surface of the lower fixed electrode of the electrostatic drive, leading to a low capacitance of the formed variable-capacity control capacitor with metal-dielectric-metal plates, as well as to a low capacitance coefficient, a shift in the effective operating frequency range, the central resonant frequency and electromagnetic characteristics of the switch from those specified during its design, design problems of low fault tolerance, expressed in high surface roughness of a thin dielectric layer due to imperfections in the manufacturing process or due to incorrect selection of the material of the dielectric layer, which also leads to a low capacitance of the formed variable-capacitance control capacitor with plates metal-dielectric-metal, and, accordingly, to a low value of the capacitance coefficient and a negative change, deviation of the electromagnetic characteristics of the switch from those specified during its design, design problems of low fault tolerance, expressed in the emerging phenomenon of sticking of the suspended movable electrode of the electrostatic drive to a thin dielectric layer located on the surface the lower fixed electrode of the electrostatic drive, with electrostatic activation and holding the suspended movable electrode of the electrostatic drive in the lower position in the absence of a constant control voltage supplied to the lower fixed electrode of the electrostatic drive, which is caused by the injection of charges onto the surface and into the volume of a thin dielectric layer, leading to a significant decrease in the quality factor of this switch, and also due to the high density of electric current flowing through the thin dielectric layer and the sudden potential difference between two points, which, as a rule, leads to irreversible destruction of the thin dielectric layer forming the control capacitor of variable capacitance with metal-dielectric plates -metal that begins to behave as a conductor.

Из известных наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является интегральный высокочастотный микроэлектромеханический переключатель емкостного принципа коммутации с высоким коэффициентом емкости [Jeremy B. Muldavin, Gabriel M. Rebeiz, Inline Capacitive and DC-Contact MEMS Shunt Switches, IEEE Microwave and Wireless Components Letters, Vol. 11, No 8, 2001, p. 334, fig. 1], содержащий подложку, выполненную из диэлектрического материала, с расположенным на ней высокочастотным копланарным волноводом, образованным двумя заземляющими проводниками, выполненными из проводникового материала, которые соединены между собой в центральной части соединительным проводником, выполненным из проводникового материала, расположенные симметрично с зазором относительного центрального проводника, представляющего собой проводник линии передачи радиосигнала, выполненный из проводникового материала, который разделен на две отстоящие друг от друга части, соединенные по средством подвешенного подвижного электрода электростатического привода, выполненного в виде пластины из проводникового материала, который крепится симметрично на каждой из двух частей проводника линии передачи радиосигнала высокочастотного копланарного волновода по средством одного опорно-якорного элемента конструкции, выполненного из проводникового материала, который расположен непосредственно на каждой из двух частей проводника линии передачи радиосигнала высокочастотного копланарного волновода, нижний неподвижный электрод электростатического привода, выполненный из проводникового материала, расположенный непосредственно на соединительном проводнике заземляющих проводников высокочастотного копланарного волновода, а также с зазором под центральной частью подвешенного подвижного электрода электростатического привода, тонкий диэлектрический слой, расположенный на поверхности нижнего неподвижного электрода электростатического привода, при этом между центральной частью подвешенного подвижного электрода электростатического привода, нижним неподвижным электродом электростатического привода и тонким диэлектрическим слоем образуется управляющий конденсатор переменной емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл, емкость которого изменяется при электростатической активации электростатического привода, который образован подвешенным подвижным электродом электростатического привода и нижним неподвижным электродом электростатического привода.Of the known ones, the closest in technical essence to the claimed object is an integrated high-frequency microelectromechanical switch of a capacitive switching principle with a high capacitance coefficient [Jeremy B. Muldavin, Gabriel M. Rebeiz, Inline Capacitive and DC-Contact MEMS Shunt Switches, IEEE Microwave and Wireless Components Letters, Vol. 11, No. 8, 2001, p. 334, fig. 1], containing a substrate made of dielectric material with a high-frequency coplanar waveguide located on it, formed by two grounding conductors made of conductor material, which are connected to each other in the central part by a connecting conductor made of conductor material, located symmetrically with a gap relative to the central conductor, which is a conductor of a radio signal transmission line, made of conductor material, which is divided into two parts spaced apart from each other, connected by means of a suspended movable electrode of an electrostatic drive, made in the form of a plate of conductor material, which is mounted symmetrically on each of the two parts of the conductor radio signal transmission line of the high-frequency coplanar waveguide by means of one support-anchor structural element made of conductor material, which is located directly on each of the two parts of the conductor of the radio signal transmission line of the high-frequency coplanar waveguide, the lower fixed electrode of the electrostatic drive, made of conductor material, located directly on connecting conductor of the grounding conductors of the high-frequency coplanar waveguide, as well as with a gap under the central part of the suspended movable electrode of the electrostatic drive, a thin dielectric layer located on the surface of the lower fixed electrode of the electrostatic drive, while between the central part of the suspended movable electrode of the electrostatic drive, the lower fixed electrode of the electrostatic drive and a thin dielectric layer forms a control capacitor of variable capacitance with metal-dielectric-metal plates, the capacitance of which changes with electrostatic activation of the electrostatic drive, which is formed by the suspended movable electrode of the electrostatic drive and the lower fixed electrode of the electrostatic drive.

Данный интегральный высокочастотный микроэлектромеханический переключатель емкостного принципа коммутации с высоким коэффициентом емкости позволяет коммутировать высокочастотные радиосигналы в диапазоне частот от 18 ГГц до 26,5 ГГц с вносимыми потерями до $-$ 1,25 дБ на частоте до 40 ГГц в открытом состоянии переключателя, изоляцией не хуже $-$ 40 дБ в закрытом состоянии в диапазоне частот от 18 ГГц до 26.5 ГГц и изоляцией $-$ 45 дБ на резонансной частоте 23 ГГц при контактном сопротивлении до 0,35 Ом и величиной коэффициента емкости равным 24 при постоянном управляющем напряжении для электростатической активации переключателя в диапазоне от 18 В до 25 В.This integrated high-frequency microelectromechanical switch of a capacitive switching principle with a high capacitance coefficient allows switching high-frequency radio signals in the frequency range from 18 GHz to 26.5 GHz with insertion losses up to $-$ 1.25 dB at frequencies up to 40 GHz in the open state of the switch, no worse insulation $-$ 40 dB closed, 18 GHz to 26.5 GHz and isolated $-$ 45 dB at a resonant frequency of 23 GHz with a contact resistance of up to 0.35 ohms and a capacitance factor of 24 at a constant control voltage for electrostatic activation of the switch in the range from 18 V to 25 V.

Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками, являются подложка, выполненная из диэлектрического материала, с расположенным на ней высокочастотным копланарным волноводом, образованным двумя заземляющими проводниками, выполненными из проводникового материала, которые соединены между собой в центральной части соединительным проводником, выполненным из проводникового материала, расположенные симметрично с зазором относительного центрального проводника, представляющего собой проводник линии передачи радиосигнала, выполненный из проводникового материала, который разделен на две отстоящие друг от друга части, соединенные по средством подвешенного подвижного электрода электростатического привода, выполненного в виде пластины из проводникового материала, который крепится симметрично на каждой из двух частей проводника линии передачи радиосигнала высокочастотного копланарного волновода по средством опорно-якорного элемента конструкции, выполненного из проводникового материала, который расположен непосредственно на каждой из двух частей проводника линии передачи радиосигнала высокочастотного копланарного волновода, нижний неподвижный электрод электростатического привода, выполненный из проводникового материала, тонкий диэлектрический слой, расположенный на поверхности нижнего неподвижного электрода электростатического привода, конденсатор переменной емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл.The features of the prototype, which coincide with the essential features, are a substrate made of dielectric material with a high-frequency coplanar waveguide located on it, formed by two grounding conductors made of conductor material, which are connected to each other in the central part by a connecting conductor made of conductor material, located symmetrically with the gap of the relative central conductor, which is a conductor of the radio signal transmission line, made of conductor material, which is divided into two parts spaced apart from each other, connected by means of a suspended movable electrode of an electrostatic drive, made in the form of a plate of conductor material, which is mounted symmetrically on each of the two parts of the conductor of the radio signal transmission line of the high-frequency coplanar waveguide by means of a support-anchor structural element made of conductor material, which is located directly on each of the two parts of the conductor of the radio signal transmission line of the high-frequency coplanar waveguide, the lower fixed electrode of the electrostatic drive made of conductor material , a thin dielectric layer located on the surface of the lower fixed electrode of an electrostatic drive, a variable capacitor with metal-dielectric-metal plates.

Недостатком данной конструкции интегрального высокочастотного микроэлектромеханического переключателя емкостного принципа коммутации с высоким коэффициентом емкости является высокая величина постоянного управляющего напряжения, предназначенного для электростатической активации, приведения в движение в вертикальной плоскости, а также притяжения подвешенного подвижного электрода электростатического привода к нижнему неподвижному электроду электростатического привода, что является следствием высокой механической жесткости подвешенного подвижного электрода электростатического привода, обусловленная отсутствием в конструкции переключателя подвешенных упругих элементов подвеса, выполненных из проводникового материала, низкий коэффициент качества конструкции переключателя и длительное время операции перехода переключателя в закрытое состояние при электростатической активации и подаче постоянного управляющего напряжения на нижний неподвижный электрод электростатического привода, а также операции открытия при отключении подачи постоянного управляющего напряжения на нижний неподвижный электрод электростатического привода, низкая величина емкости образованного управляющего конденсатора переменной емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл, а также низкий результирующий коэффициент емкости переключателя, что приводит к снижению добротности, линейности и электромагнитных характеристик переключателя в открытом и закрытом состоянии в эффективном рабочем диапазоне частот и на центральной резонансной частоте, а также сводит к минимуму возможности подстройки эффективного рабочего диапазона частот и центральной резонансной частоты, невозможности проектирования переключателя с малыми массогабаритными характеристиками, отсутствие в конструкции переключателя индуктивных выемок, расположенных в плоскости заземляющих проводников и в плоскости центрального проводника линии передачи радиосигнала высокочастотного копланарного волновода, что также позволило бы проводить более детальную подстройку эффективного рабочего диапазона частот и центральной резонансной частоты на этапе проектирования переключателя, отсутствие в конструкции переключателя предусмотренных контактных площадок, выполненных из проводникового материала, обеспечивающих возможность монтажа переключателя в специализированный высокочастотный корпус и его интеграцию в радиоэлектронные устройства, отсутствие в конструкции переключателя изолирующих пассивационных слоев, выполненных из диэлектрического материала, предназначенных для развязки постоянного управляющего напряжения от коммутируемого высокочастотного радиосигнала, конструктивные проблемы низкой надежности, выраженные в отсутствии в подвешенном подвижном электроде электростатического привода, выполненном в виде пластины, сквозных перфорационных отверстий, что также приводит к снижению коэффициента качества конструкции переключателя и длительному времени операции перехода переключателя в закрытое состояние при электростатической активации и подаче постоянного управляющего напряжения на нижний неподвижный электрод электростатического привода, а также операции открытия при отключении подачи постоянного управляющего напряжения на нижний неподвижный электрод электростатического привода по причине высокой величины коэффициента изотермического и термоупругого демпфирования, кроме того, низкая толщина подвешенного подвижного электрода электростатического привода и отсутствие в его конструкции сквозных перфорационных отверстий, влияющих на рост величины остаточных термомеханических напряжений, возникающих на этапах технологического процесса изготовления конструкции переключателя, оказывающие влияние на механическую резонансную частоту подвешенного подвижного электрода электростатического привода, а также служит причиной различного вида механических деформаций пластины подвешенного подвижного электрода электростатического привода, таких как изгибы, сжатие, коробление, что является причиной неполного, локального перемещения подвешенного подвижного электрода электростатического привода к нижнему неподвижному электроду электростатического привода при электростатической активации и переводе переключателя в закрытое состояние, что в свою очередь является причиной неполного, локального или вовсе отсутствующего контакта между подвешенным подвижным электродом электростатического привода и тонким диэлектрическим слоем, расположенным на поверхности нижнего неподвижного электрода электростатического привода, приводящее к низкой емкости образованного управляющего конденсатора переменной емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл, а также к низкой величине коэффициента емкости, смещению эффективного рабочего диапазона частот и центральной резонансной частоты, электромагнитных характеристик переключателя от заданных при его проектировании, конструктивные проблемы низкой отказоустойчивости, выраженные в высокой шероховатости поверхности тонкого диэлектрического слоя по причине несовершенства технологического процесса изготовления либо по причине неверного подбора материала диэлектрического слоя, что также приводит к низкой величине емкости образованного управляющего конденсатора переменной емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл, а соответственно к низкой величине коэффициента емкости и негативному изменению, отклонению электромагнитных характеристик переключателя от заданных при его проектировании, конструктивные проблемы низкой отказоустойчивости, выраженные в возникающем явлении прилипания подвешенного подвижного электрода электростатического привода к тонкому диэлектрическому слою, расположенному на поверхности нижнего неподвижного электрода электростатического привода, при электростатической активации и удержании подвешенного подвижного электрода электростатического привода в нижнем положении при отсутствии постоянного управляющего напряжения на нижний неподвижный электрод электростатического привода, что вызвано инжекцией зарядов на поверхность и в объем тонкого диэлектрического слоя, приводящее к значительному снижению добротности данного переключателя, а также в связи с этим высокой плотностью электрического тока, протекающего через тонкий диэлектрический слой и внезапной разностью потенциалов между двумя точками, что, как правило, приводит к необратимому разрушению тонкого диэлектрического слоя, образующего управляющего конденсатора переменной емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл, который начинает вести себя как проводник.The disadvantage of this design of an integrated high-frequency microelectromechanical switch of the capacitive switching principle with a high capacitance coefficient is the high value of the constant control voltage intended for electrostatic activation, driving in the vertical plane, as well as attraction of the suspended movable electrode of the electrostatic drive to the lower stationary electrode of the electrostatic drive, which is a consequence of the high mechanical rigidity of the suspended movable electrode of the electrostatic drive, due to the absence in the design of the switch of suspended elastic suspension elements made of conductive material, the low quality factor of the switch design and the long operation time of the transition of the switch to the closed state during electrostatic activation and the supply of a constant control voltage to the lower stationary electrostatic drive electrode, as well as opening operations when the supply of constant control voltage is turned off to the lower fixed electrode of the electrostatic drive, the low capacitance of the formed variable-capacity control capacitor with metal-dielectric-metal plates, as well as the low resulting switch capacitance coefficient, which leads to a decrease in the quality factor , linearity and electromagnetic characteristics of the switch in the open and closed states in the effective operating frequency range and at the central resonant frequency, and also minimizes the possibility of adjusting the effective operating frequency range and the central resonant frequency, the impossibility of designing a switch with small weight and size characteristics, the absence of a switch in the design inductive notches located in the plane of the grounding conductors and in the plane of the central conductor of the radio signal transmission line of the high-frequency coplanar waveguide, which would also allow for more detailed adjustment of the effective operating frequency range and the central resonant frequency at the design stage of the switch; the absence of the provided contact pads in the switch design made of conductive material, providing the possibility of mounting the switch in a specialized high-frequency housing and its integration into radio-electronic devices, the absence in the design of the switch of insulating passivation layers made of dielectric material designed to decouple the constant control voltage from the switched high-frequency radio signal, design problems of low reliability, expressed in the absence of through perforations in the suspended movable electrode of the electrostatic drive, made in the form of a plate, which also leads to a decrease in the quality factor of the switch design and a long time for the operation of switching the switch to the closed state when electrostatically activated and applying a constant control voltage to the lower fixed electrode of the electrostatic drive, as well as the opening operation when the supply of constant control voltage is turned off to the lower fixed electrode of the electrostatic drive due to the high value of the isothermal and thermoelastic damping coefficient, in addition, the low thickness of the suspended movable electrode of the electrostatic drive and the absence of through perforations in its design, which influence the increase in the value of residual thermomechanical stresses arising at the stages of the technological process of manufacturing the switch structure, affecting the mechanical resonant frequency of the suspended movable electrode of the electrostatic drive, and also causes various types of mechanical deformations of the plate of the suspended movable electrode of the electrostatic drive, such as bending, compression, warping, which is the cause incomplete, local movement of the suspended movable electrode of the electrostatic drive to the lower stationary electrode of the electrostatic drive during electrostatic activation and transfer of the switch to the closed state, which in turn causes incomplete, local or completely absent contact between the suspended movable electrode of the electrostatic drive and the thin dielectric layer located on the surface of the lower fixed electrode of the electrostatic drive, leading to a low capacitance of the formed variable-capacity control capacitor with metal-dielectric-metal plates, as well as to a low value of the capacitance coefficient, a shift in the effective operating frequency range and the central resonant frequency, the electromagnetic characteristics of the switch from those specified during its design, design problems of low fault tolerance, expressed in high surface roughness of a thin dielectric layer due to imperfections in the manufacturing process or due to incorrect selection of the material of the dielectric layer, which also leads to a low capacitance of the formed variable-capacitance control capacitor with metal-dielectric-metal plates, and, accordingly, to a low value of the capacitance coefficient and a negative change, deviation of the electromagnetic characteristics of the switch from those specified during its design, design problems of low fault tolerance, expressed in the emerging phenomenon of sticking of the suspended movable electrode of the electrostatic drive to a thin dielectric layer located on the surface of the lower fixed electrode of the electrostatic drive, during electrostatic activation and holding the suspended movable electrode of the electrostatic drive in the lower position in the absence of a constant control voltage on the lower fixed electrode of the electrostatic drive, which is caused by the injection of charges onto the surface and into the volume of a thin dielectric layer, leading to a significant decrease in the quality factor of this switch, as well as due to with this high density of electric current flowing through the thin dielectric layer and the sudden potential difference between the two points, which usually results in irreversible destruction of the thin dielectric layer forming the metal-dielectric-metal control variable capacitor, which begins to behave as a guide.

Технический результат, достигаемый при осуществлении предполагаемого изобретения, заключается в возможности коммутации высокочастотных радиосигналов с эффективным диапазоном частот в области L-, S-, C-, X-диапазона частот, а именно в диапазоне частот от 2 ГГц до 4 ГГц с центральной резонансной частотой 3,4 ГГц и величиной вносимых потерь в открытом состоянии переключателя не хуже $-$ 0,15 дБ на центральной резонансной частоте 3,4 ГГц, изоляцией в закрытом состоянии переключателя не хуже $-$ 55,2 дБ на центральной резонансной частоте 3,4 ГГц, в диапазоне частот от 18 ГГц до 26,5 ГГц с центральной резонансной частотой 21,5 ГГц величина вносимых потерь в открытом состоянии переключателя не хуже $-$ 0,15 дБ, изоляция в закрытом состоянии переключателя не хуже $-$ 42,3 дБ при контактном сопротивлении не более 0,20 Ом, с высокой добротностью и линейностью, высоким коэффициентом качества конструкции переключателя, высоким коэффициентом емкости переключателя - 46600, при малой площади пластины подвешенного подвижного электрода электростатического привода, малой толщине диэлектрического слоя и малой величине воздушного зазора между ними, что также позволяет снизить электромеханические и массогабаритные характеристики переключателя, проводить более детальную подстройку эффективного рабочего диапазона частот и центральной резонансной частоты на этапе проектирования переключателя, с низкой величиной постоянного управляющего напряжения 3,5 В для электростатической активации переключателя, что совместимо с интегральной радиоэлектроникой, в частности, с современными антенными, телекоммуникационными и радарными устройствами, устройствами наземной и спутниковый радиосвязи, с высокими динамическими характеристиками, а именно малым временем необходимым на совершение цикла операции закрытие и открытие переключателя в 6,35 мкс и 3,1 мкс соответственно.The technical result achieved by implementing the proposed invention is the ability to switch high-frequency radio signals with an effective frequency range in the L-, S-, C-, X-frequency range, namely in the frequency range from 2 GHz to 4 GHz with a central resonant frequency 3.4 GHz and the amount of insertion loss in the open state of the switch is no worse $-$ 0.15 dB at the central resonant frequency of 3.4 GHz, insulation in the closed state of the switch is no worse $-$ 55.2 dB at a central resonant frequency of 3.4 GHz, in the frequency range from 18 GHz to 26.5 GHz with a central resonant frequency of 21.5 GHz, the amount of insertion loss in the open state of the switch is no worse $-$ 0.15 dB, insulation when the switch is closed is no worse $-$ 42.3 dB with a contact resistance of no more than 0.20 Ohm, with high quality factor and linearity, high quality factor of the switch design, high switch capacitance factor - 46600, with a small plate area of the suspended moving electrode of the electrostatic drive, small thickness of the dielectric layer and small air gap between them, which also makes it possible to reduce the electromechanical and weight-dimensional characteristics of the switch, to carry out more detailed adjustment of the effective operating frequency range and the central resonant frequency at the switch design stage, with a low constant control voltage of 3.5 V for electrostatic activation of the switch, which is compatible with integrated radio electronics, in particular, with modern antenna, telecommunication and radar devices, terrestrial and satellite radio communication devices, with high dynamic characteristics, namely the short time required to complete the operation cycle of closing and opening the switch at 6.35 μs and 3.1 μs, respectively .

Для достижения необходимого технического результата в интегральный высокочастотный микроэлектромеханический переключатель емкостного принципа коммутации с высоким коэффициентом емкости, содержащий подложку, выполненную из диэлектрического материала, с расположенным на ней высокочастотным копланарным волноводом, образованным двумя заземляющими проводниками, выполненными из проводникового материала, которые соединены между собой в центральной части соединительным проводником, выполненным из проводникового материала, расположенные симметрично с зазором относительного центрального проводника, представляющего собой проводник линии передачи радиосигнала, выполненный из проводникового материала, который разделен на две отстоящие друг от друга части, введены подвешенный подвижный электрод электростатического привода, выполненный в виде пластины из проводникового материала, разделенный на левую и правую область электростатической активации, которые соединены между собой перемычкой, выполненной из проводникового материала, расположенный с воздушным зазором и симметрично по левую и правую сторону относительно соединительного проводника высокочастотного копланарного волновода, соединяющий две отстоящие друг от друга части проводника линии передачи радиосигнала высокочастотного копланарного волновода, две пары подвешенных упругих элементов подвеса зигзагообразной формы, выполненные из проводникового материала, характеризующиеся низкой величиной коэффициента жесткости, что позволяет существенно снизить величину постоянного управляющего напряжения, при этом одна пара подвешенных упругих элементов подвеса крепиться к левой области электростатической активации подвешенного подвижного электрода электростатического привода, а другая пара подвешенных упругих элементов подвеса крепиться к правой области электростатической активации подвешенного подвижного электрода электростатического привода, симметрично по левую и правую сторону подвешенного подвижного электрода электростатического привода, два опорно-якорных элемента конструкции, выполненные из проводникового материала, при этом каждый из двух опорно-якорных элементов конструкции закреплен на каждой из отстоящих друг от друга частей проводника линии передачи радиосигнала высокочастотного копланарного волновода по левую и правую сторону относительно подвешенного подвижного электрода электростатического привода, к которым крепится соответствующая пара подвешенных упругих элементов подвеса зигзагообразной формы, нижний неподвижный электрод электростатического привода, выполненный из проводникового материала, разделенный на левую и правую область электростатической активации, расположенные симметрично с зазором по левую и правую сторону относительно соединительного проводника заземляющих проводников высокочастотного копланарного волновода, а также симметрично с воздушным зазором под левой и правой областью электростатической активации подвешенного подвижного электрода электростатического привода, тонкие пассивационные слои, выполненные из диэлектрического материала, которые нанесены на поверхность левой и правой области электростатической активации нижнего неподвижного электрода электростатического привода, предназначенные для исключения контакта по всей площади левой и правой области электростатической активации подвешенного подвижного электрода электростатического привода с соответствующими левой и правой областью электростатической активации нижнего неподвижного электрода электростатического привода, два конденсатора переменной емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл, образованные левой и правой областью электростатической активации нижнего неподвижного электрода электростатического привода, тонкими пассивационными слоями, расположенные на их поверхности, а также левой и правой областью электростатической активации подвешенного подвижного электрода электростатического привода, сквозные перфорационные отверстия в пластине подвешенного подвижного электрода электростатического привода и расположенные с определенным шагом по всей площади пластины, что позволяет снизить величину коэффициента изотермического и термоупругого демпфирования, повысить динамические характеристики переключателя, а также существенно снизить величину остаточных термомеханических напряжений, возникающих на этапах технологического процесса изготовления конструкции переключателя, оказывающих влияние на величину механической резонансной частоты подвешенного подвижного электрода электростатического привода, служащих причиной различного вида механических деформаций пластины подвешенного подвижного электрода электростатического привода, таких как изгибы, сжатие, коробление, что также может являться причиной негативного изменения механических характеристик переключателя, являясь причиной неполного, локального перемещения подвешенного подвижного электрода электростатического привода к нижнему неподвижному электроду электростатического привода при электростатической активации и переводе переключателя в закрытое состояние, что в свою очередь является причиной неполного, локального или вовсе отсутствующего контакта между левой и правой областью электростатической активации подвижного электрода электростатического привода и тонкими пассивационными слоями, расположенными на поверхности левой и правой области электростатической активации нижнего неподвижного электрода электростатического привода, что приводит к низкой величине емкости образованного конденсатора переменной емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл, а также к низкой величине коэффициента емкости и смещению эффективного рабочего диапазона частот, центральной резонансной частоты и электромагнитных характеристик переключателя от заданных при его проектировании, основной управляющий конденсатор с обкладками металл-диэлектрик-металл, который образован нанесенным локально с определенной топологической конфигурацией тонким диэлектрическим слоем с высокой диэлектрической проницаемостью на поверхность соединительного проводника заземляющих проводников высокочастотного копланарного волновода, нанесенным на его поверхность дополнительным проводниковым слоем, что позволяет существенно повысить величину коэффициента емкости переключателя, а также исключить конструктивные причины неполного или локального контакта между левой и правой областью электростатической активации подвижного электрода электростатического привода и тонкими пассивационными слоями, расположенными на поверхности левой и правой области электростатической активации нижнего неподвижного электрода электростатического привода при электростатической активации и переводе переключателя в закрытое состояние по причине высокой шероховатости поверхности тонкого пассивационного слоя, что является следствием несовершенства технологического процесса изготовления либо неверным подбором материала диэлектрического слоя, что приводит к низкой величине емкости образованных конденсаторов переменной емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл, а соответственно к снижению величины коэффициента емкости и негативному изменению, отклонению электромагнитных характеристик переключателя от заданных при его проектировании, кроме того, предоставляя возможность проектировать переключатель с малой площадью пластины подвешенного подвижного электрода электростатического привода, малой толщиной диэлектрического слоя основного управляющего конденсатора и малой величиной воздушного зазора между ними, что также позволяет повысить электромеханические и снизить массогабаритные характеристики переключателя, также формируется разница в соосности элементов конструкции переключателя, которая заключается в разнице толщин слоев, а именно толщина слоев, образованная левой и правой областью электростатической активации нижнего неподвижного электрода электростатического привода и тонкими пассивационными слоями на их поверхности, меньше, чем толщина слоев, образованная соединительным проводником заземляющих проводников высокочастотного копланарного волновода, тонким диэлектрическим слоем с высокой диэлектрической проницаемостью и дополнительным проводниковым слоем на его поверхности, так что в закрытом состоянии переключателя соединительная перемычка подвешенного подвижного электрода электростатического привода в полной мере контактирует лишь с поверхностью дополнительного проводникового слоя, исключая проблему возникающего явления прилипания левой и/или правой области электростатической активации подвешенного подвижного электрода электростатического привода к тонким пассивационным слоям при электростатической активации переключателя, что вызвано инжекцией зарядов на поверхность и в объем тонких пассивационных слоев, третий конденсатор переменной емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл, образованный соединительной перемычкой подвешенного подвижного электрода электростатического привода, дополнительным проводниковым слоем и воздушным зазором между ними, индуктивные выемки, расположенные в плоскости заземляющих проводников высокочастотного копланарного волновода индуктивные выемки, расположенные в плоскости отстоящих друг от друга частей проводника линии передачи радиосигнала высокочастотного копланарного волновода, что позволяет проводить более детальную подстройку эффективного рабочего диапазона частот, а также центральной резонансной частоты на этапе проектирования переключателя, двух контактных площадок, выполненных из проводникового материала, расположенные в выемках плоскости левого заземляющего проводника относительно соединительного проводника высокочастотного копланарного волновода, проводниковые соединения, нанесенные на подложку, которые имеют непосредственное электрическое соединение каждой из двух контактных площадок с соответствующей левой и правой областью электростатической активации нижнего неподвижного электрода электростатического привода, одной контактной площадки, выполненной из проводникового материала, расположенной в выемке плоскости правого заземляющего проводника относительно соединительного проводника высокочастотного копланарного волновода, проводниковое соединение, нанесенное на подложку, которое имеет непосредственное электрическое соединение одной контактной площадки с одной из отстоящих друг от друга частей проводника линии передачи радиосигнала высокочастотного копланарного волновода, что обеспечивает возможность монтажа переключателя в специализированный высокочастотный корпус и его интеграцию в радиоэлектронные устройства, тонкие пассивационные слои, выполненные из диэлектрического материала, нанесенные на поверхности проводниковых соединений, предназначенные для электрической изоляции проводниковых соединений от соответствующих заземляющих проводников высокочастотного копланарного волновода, а именно электрической развязки постоянного управляющего напряжения от коммутируемого высокочастотного радиосигнала.To achieve the required technical result, an integrated high-frequency microelectromechanical switch of the capacitive switching principle with a high capacitance coefficient containing a substrate made of dielectric material with a high-frequency coplanar waveguide located on it, formed by two grounding conductors made of conductive material, which are connected to each other in the central parts with a connecting conductor made of conductor material, located symmetrically with a gap of the relative central conductor, which is a conductor of the radio signal transmission line, made of conductor material, which is divided into two parts spaced apart from each other, a suspended movable electrode of an electrostatic drive, made in the form of a plate, is inserted made of conductor material, divided into left and right areas of electrostatic activation, which are interconnected by a jumper made of conductor material, located with an air gap and symmetrically on the left and right sides relative to the connecting conductor of the high-frequency coplanar waveguide, connecting two parts of the conductor spaced apart from each other radio signal transmission lines of a high-frequency coplanar waveguide, two pairs of suspended elastic suspension elements of a zigzag shape, made of conductor material, characterized by a low stiffness coefficient, which allows to significantly reduce the amount of constant control voltage, while one pair of suspended elastic suspension elements is attached to the left area of electrostatic activation suspended movable electrode of the electrostatic drive, and another pair of suspended elastic suspension elements are attached to the right electrostatic activation region of the suspended movable electrode of the electrostatic drive, symmetrically on the left and right sides of the suspended movable electrode of the electrostatic drive, two support-anchor structural elements made of conductive material, with In this case, each of the two support-anchor elements of the structure is fixed on each of the spaced apart parts of the conductor of the radio signal transmission line of the high-frequency coplanar waveguide on the left and right sides relative to the suspended movable electrode of the electrostatic drive, to which the corresponding pair of suspended elastic suspension elements of a zigzag shape, the lower one, is attached a stationary electrode of an electrostatic drive, made of conductive material, divided into left and right electrostatic activation areas, located symmetrically with a gap on the left and right sides relative to the connecting conductor of the grounding conductors of the high-frequency coplanar waveguide, and also symmetrically with an air gap under the left and right electrostatic activation areas suspended movable electrode of the electrostatic drive, thin passivation layers made of dielectric material, which are applied to the surface of the left and right areas of electrostatic activation of the lower fixed electrode of the electrostatic drive, designed to exclude contact over the entire area of the left and right area of electrostatic activation of the suspended movable electrode of the electrostatic drive with corresponding to the left and right regions of electrostatic activation of the lower fixed electrode of the electrostatic drive, two variable capacitors with metal-dielectric-metal plates formed by the left and right regions of electrostatic activation of the lower fixed electrode of the electrostatic drive, thin passivation layers located on their surface, as well as the left and the right region of electrostatic activation of the suspended movable electrode of the electrostatic drive, through perforations in the plate of the suspended movable electrode of the electrostatic drive and located with a certain pitch over the entire area of the plate, which allows you to reduce the value of the isothermal and thermoelastic damping coefficient, increase the dynamic characteristics of the switch, and also significantly reduce the magnitude of residual thermomechanical stresses that arise at the stages of the technological process of manufacturing the switch structure, influencing the value of the mechanical resonant frequency of the suspended movable electrode of the electrostatic drive, causing various types of mechanical deformations of the plate of the suspended movable electrode of the electrostatic drive, such as bending, compression, warping, which also may cause a negative change in the mechanical characteristics of the switch, causing incomplete, local movement of the suspended movable electrode of the electrostatic drive to the lower stationary electrode of the electrostatic drive during electrostatic activation and transfer of the switch to the closed state, which in turn causes incomplete, local or completely absent contact between the left and right region of electrostatic activation of the movable electrode of the electrostatic drive and thin passivation layers located on the surface of the left and right region of electrostatic activation of the lower fixed electrode of the electrostatic drive, which leads to a low capacitance of the formed variable capacitor with metal-dielectric-metal plates, as well as to the low value of the capacitance coefficient and the displacement of the effective operating frequency range, the central resonant frequency and the electromagnetic characteristics of the switch from those specified during its design, the main control capacitor with metal-dielectric-metal plates, which is formed by a thin dielectric layer with a high dielectric applied locally with a certain topological configuration permeability to the surface of the connecting conductor of the grounding conductors of the high-frequency coplanar waveguide, deposited on its surface with an additional conductive layer, which makes it possible to significantly increase the value of the capacitance coefficient of the switch, as well as eliminate design reasons for incomplete or local contact between the left and right areas of electrostatic activation of the movable electrode of the electrostatic drive and thin passivation layers located on the surface of the left and right areas of electrostatic activation of the lower stationary electrode of the electrostatic drive during electrostatic activation and transfer of the switch to the closed state due to the high surface roughness of the thin passivation layer, which is a consequence of imperfections in the manufacturing process or incorrect selection of the dielectric layer material, which leads to a low capacitance value of the formed variable capacitors with metal-dielectric-metal plates, and, accordingly, to a decrease in the value of the capacitance coefficient and a negative change, deviation of the electromagnetic characteristics of the switch from those specified during its design, in addition, providing the opportunity to design a switch with a small suspended plate area moving electrode of the electrostatic drive, the small thickness of the dielectric layer of the main control capacitor and the small size of the air gap between them, which also makes it possible to increase the electromechanical and reduce the weight and size characteristics of the switch; a difference is also formed in the coaxiality of the switch design elements, which lies in the difference in the thickness of the layers, namely the thickness layers formed by the left and right electrostatic activation region of the lower fixed electrode of the electrostatic drive and thin passivation layers on their surface is less than the thickness of the layers formed by the connecting conductor of the grounding conductors of the high-frequency coplanar waveguide, a thin dielectric layer with high dielectric constant and an additional conductive layer on it surface, so that in the closed state of the switch, the connecting jumper of the suspended movable electrode of the electrostatic drive is in full contact only with the surface of the additional conductive layer, eliminating the problem of the emerging phenomenon of sticking of the left and/or right electrostatic activation region of the suspended movable electrode of the electrostatic drive to thin passivation layers during electrostatic activation of the switch, which is caused by the injection of charges onto the surface and into the volume of thin passivation layers, the third variable capacitor with metal-dielectric-metal plates, formed by the connecting jumper of the suspended movable electrode of the electrostatic drive, an additional conductive layer and the air gap between them, inductive notches located in the plane of the grounding conductors of the high-frequency coplanar waveguide there are inductive notches located in the plane of the spaced apart parts of the conductor of the radio signal transmission line of the high-frequency coplanar waveguide, which allows for more detailed adjustment of the effective operating frequency range, as well as the central resonant frequency at the design stage of the switch, two contact pads , made of conductive material, located in the recesses of the plane of the left grounding conductor relative to the connecting conductor of the high-frequency coplanar waveguide, conductive connections deposited on the substrate, which have a direct electrical connection of each of the two contact pads with the corresponding left and right electrostatic activation region of the lower fixed electrode of the electrostatic drive , one pad made of conductive material located in the recess of the plane of the right ground conductor relative to the connecting conductor of a high-frequency coplanar waveguide, a conductor connection deposited on a substrate that has a direct electrical connection of one pad to one of the spaced apart conductor parts of the transmission line radio signal of a high-frequency coplanar waveguide, which makes it possible to install the switch in a specialized high-frequency housing and its integration into radio-electronic devices, thin passivation layers made of dielectric material deposited on the surfaces of conductor connections, designed to electrically isolate the conductor connections from the corresponding grounding conductors of the high-frequency coplanar waveguide, namely, the electrical isolation of the constant control voltage from the switched high-frequency radio signal.

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, it meets the criterion of novelty. Carrying out a comparison with analogues, we come to the conclusion that the proposed device meets the criterion of “significant differences”, since the analogues did not reveal the new features presented.

На Фиг. 1 приведена топология предлагаемого интегрального высокочастотного микроэлектромеханического переключателя емкостного принципа коммутации с высоким коэффициентом емкости и показано сечение в двух плоскостях А-А, Б-Б. На Фиг. 2А) и Фиг. 2Б) приведено сечение в плоскостях А-А, Б-Б предлагаемого интегрального высокочастотного микроэлектромеханического переключателя емкостного принципа коммутации с высоким коэффициентом емкости. На Фиг. 3А) и Фиг. 3Б) приведена топология и основные элементы предлагаемого интегрального высокочастотного микроэлектромеханического переключателя емкостного принципа коммутации с высоким коэффициентом емкости. На Фиг. 4А) и Фиг. 4Б) приведено сечение в плоскости Б-Б и принцип работы предлагаемого интегрального высокочастотного микроэлектромеханического переключателя емкостного принципа коммутации с высоким коэффициентом емкости. На Фиг. 5А) и Фиг. 5Б) приведено сечение в плоскости Б-Б и принцип работы торсионного механизма возврата подвешенного подвижного электрода электростатического привода, в случае возникновения явления прилипания областей электростатической активации подвешенного подвижного электрода электростатического привода к тонким пассивационным слоям на поверхности областей электростатической активации нижнего неподвижного электрода электростатического привода.In FIG. Figure 1 shows the topology of the proposed integrated high-frequency microelectromechanical switch of the capacitive switching principle with a high capacitance coefficient and shows a cross-section in two planes A-A, B-B. In FIG. 2A) and Fig. 2B) shows a cross-section in planes A-A, B-B of the proposed integrated high-frequency microelectromechanical switch of the capacitive switching principle with a high capacitance coefficient. In FIG. 3A) and Fig. 3B) shows the topology and main elements of the proposed integrated high-frequency microelectromechanical switch of the capacitive switching principle with a high capacitance coefficient. In FIG. 4A) and Fig. 4B) shows a cross-section in the B-B plane and the operating principle of the proposed integrated high-frequency microelectromechanical switch of the capacitive switching principle with a high capacitance coefficient. In FIG. 5A) and Fig. 5B) shows a cross-section in the B-B plane and the operating principle of the torsion mechanism for returning the suspended movable electrode of the electrostatic drive, in the event of the phenomenon of sticking of the electrostatic activation areas of the suspended movable electrode of the electrostatic drive to thin passivation layers on the surface of the electrostatic activation areas of the lower fixed electrode of the electrostatic drive.

Интегральный высокочастотный микроэлектромеханический переключатель емкостного принципа коммутации с высоким коэффициентом емкости (Фиг. 1, Фиг. 2А), Фиг. 2Б), Фиг. 3А), Фиг. 3Б)) содержит подложку 1, выполненную из диэлектрического материала, с расположенным на ней высокочастотным копланарным волноводом 2, образованный двумя заземляющими проводниками 3, 4, соединенными между собой в центральной части соединительным проводником 5, выполненным из проводникового материала, расположенные симметрично с зазором относительного центрального проводника, представляющего собой проводник линии передачи радиосигнала 6, который разделен на две отстоящие друг от друга части 7, 8, выполненные из проводникового материала, соединенные по средством подвешенного подвижного электрода электростатического привода 9, выполненного в виде пластины из проводникового материала, разделенного на левую и правую область электростатической активации 10, 11, которые расположены с зазором и симметрично по левую и правую сторону относительно соединительного проводника 5 высокочастотного копланарного волновода 2, соединенные между собой перемычкой 12, выполненной из проводникового материала, две пары подвешенных упругих элементов подвеса зигзагообразной формы 13, 14, выполненные из проводникового материала, при этом одна пара подвешенных упругих элементов подвеса зигзагообразной формы 13 крепиться к левой области электростатической активации 10 подвешенного подвижного электрода электростатического привода 9, а другая пара подвешенных упругих элементов подвеса 14 зигзагообразной формы крепиться к правой области электростатической активации 11 подвешенного подвижного электрода электростатического привода 9, симметрично по левую и правую сторону подвешенного подвижного электрода электростатического привода 9, два опорно-якорных элемента конструкции 15, 16, выполненные из проводникового материала, при этом каждый из двух опорно-якорных элементов конструкции закреплен на каждой из отстающих друг от друга частей 7, 8 проводника линии передачи радиосигнала 6 высокочастотного копланарного волновода 2 по левую и правую сторону относительно подвешенного подвижного электрода электростатического привода 9, к которым крепится соответствующая пара подвешенных упругих элементов подвеса зигзагообразной формы 13, 14, нижний неподвижный электрод электростатического привода 17, выполненный из проводникового материала, разделенный на левую и правую области электростатической активации 18, 19, расположенные симметрично с зазором по левую и правую сторону относительно соединительного проводника 5 заземляющих проводников 3, 4 высокочастотного копланарного волновода 2, а также симметрично с зазором 20, 21 под левой и правой областью электростатической активации 10, 11 подвешенного подвижного электрода электростатического привода 9, тонкие пассивационные слои 22, 23, выполненные из диэлектрического материала, которые нанесены на поверхность левой и правой области электростатической активации 10, 11 нижнего неподвижного электрода электростатического привода 9, два конденсатора переменной емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл 24, 25, образованные левой и правой областью электростатической активации 18, 19 нижнего неподвижного электрода электростатического привода 17, тонкими пассивационными слоями 22, 23, расположенными на их поверхности, а также левой и правой областью электростатической активации 10, 11 подвешенного подвижного электрода электростатического привода 9, сквозные перфорационные отверстия 26 в пластине подвешенного подвижного электрода электростатического привода 9, и расположенные с определенным шагом по всей площади пластины, основной управляющий конденсатор с обкладками металл-диэлектрик-металл 27, который образован нанесенным локально тонким диэлектрическим слоем с высокой диэлектрической проницаемостью 28 на поверхность соединительного проводника 5 заземляющих проводников 3, 4 высокочастотного копланарного волновода 2, нанесенным на его поверхность дополнительным проводниковым слоем 29, третий конденсатор переменной емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл 30, образованный соединительной перемычкой 12 подвешенного подвижного электрода электростатического привода 9, дополнительным проводниковым слоем 29 и воздушным зазором между ними 31, индуктивные выемки 32, 33, 34, 35, расположенные в плоскости заземляющих проводников 3, 4 высокочастотного копланарного волновода 2, индуктивные выемки 36, 37, расположенные в плоскости отстоящих друг от друга частей 7, 8 проводника линии передачи радиосигнала 6 высокочастотного копланарного волновода 2, две контактные площадки 38, 39, выполненные из проводникового материала, расположенные в выемках плоскости левого заземляющего проводника 3 относительно соединительного проводника 5 высокочастотного копланарного волновода 2, проводниковые соединения 40, 41, нанесенные на подложку 1, которые имеют непосредственное электрическое соединение каждой из двух контактных площадок 38, 39 с соответствующей левой и правой областью электростатической активации 18, 19 нижнего неподвижного электрода электростатического привода 17, одну контактную площадку 42, выполненную из проводникового материала, расположенную в выемке плоскости правого заземляющего проводника 4 относительно соединительного проводника 5 высокочастотного копланарного волновода 2, проводниковое соединение 43, нанесенное на подложку 1, которое имеет непосредственное электрическое соединение одной контактной площадки 42 с одной из двух отстоящих друг от друга частей 7 проводника линии передачи радиосигнала 6 высокочастотного копланарного волновода 2, тонкие пассивационные слои 44, 45, 46, выполненные из диэлектрического материала, нанесенные на поверхности проводниковых соединений 40, 41, 43, предназначенные для электрической изоляции проводниковых соединений 40, 41, 43 от соответствующих заземляющих проводников 3, 4 высокочастотного копланарного волновода 2, а именно электрической развязки постоянного управляющего напряжения от коммутируемого высокочастотного радиосигнала.Integrated high-frequency microelectromechanical switch of the capacitive switching principle with a high capacitance coefficient (Fig. 1, Fig. 2A), Fig. 2B), Fig. 3A), Fig. 3B)) contains a substrate 1 made of dielectric material with a high-frequency coplanar waveguide 2 located on it, formed by two grounding conductors 3, 4, connected to each other in the central part by a connecting conductor 5 made of conductive material, located symmetrically with a gap relative to the central conductor, which is a conductor of a radio signal transmission line 6, which is divided into two spaced apart parts 7, 8, made of conductor material, connected by means of a suspended movable electrode of an electrostatic drive 9, made in the form of a plate of conductor material, divided into left and the right area of electrostatic activation 10, 11, which are located with a gap and symmetrically on the left and right sides relative to the connecting conductor 5 of the high-frequency coplanar waveguide 2, connected to each other by a jumper 12 made of conductor material, two pairs of suspended elastic suspension elements of a zigzag shape 13, 14 , made of conductive material, with one pair of suspended elastic suspension elements of a zigzag shape 13 attached to the left region of electrostatic activation 10 of the suspended movable electrode of the electrostatic drive 9, and the other pair of suspended elastic suspension elements 14 of a zigzag shape attached to the right region of electrostatic activation 11 of the suspended movable electrostatic drive electrode 9, symmetrically on the left and right sides of the suspended movable electrode of the electrostatic drive 9, two support-anchor structural elements 15, 16, made of conductive material, with each of the two support-anchor structural elements fixed to each of the lagging ones other parts 7, 8 of the conductor of the radio signal transmission line 6 of the high-frequency coplanar waveguide 2 on the left and right sides relative to the suspended movable electrode of the electrostatic drive 9, to which is attached the corresponding pair of suspended elastic suspension elements of a zigzag shape 13, 14, the lower fixed electrode of the electrostatic drive 17, made made of conductor material, divided into left and right areas of electrostatic activation 18, 19, located symmetrically with a gap on the left and right side relative to the connecting conductor 5 grounding conductors 3, 4 high-frequency coplanar waveguide 2, and also symmetrically with a gap 20, 21 under the left and the right electrostatic activation region 10, 11 of the suspended movable electrode of the electrostatic drive 9, thin passivation layers 22, 23 made of dielectric material, which are applied to the surface of the left and right electrostatic activation regions 10, 11 of the lower fixed electrode of the electrostatic drive 9, two variable capacitors with metal-dielectric-metal plates 24, 25 formed by the left and right electrostatic activation region 18, 19 of the lower fixed electrode of the electrostatic drive 17, thin passivation layers 22, 23 located on their surface, as well as the left and right electrostatic activation region 10, 11 of the suspended movable electrode of the electrostatic drive 9, through perforations 26 in the plate of the suspended movable electrode of the electrostatic drive 9, and located with a certain pitch over the entire area of the plate, the main control capacitor with metal-dielectric-metal plates 27, which is formed by a locally deposited thin dielectric layer with a high dielectric constant 28 on the surface of the connecting conductor 5 grounding conductors 3, 4 high-frequency coplanar waveguide 2, an additional conductive layer 29 applied to its surface, a third variable capacitor with metal-dielectric-metal plates 30, formed by a connecting jumper 12 of a suspended movable electrostatic electrode drive 9, an additional conductive layer 29 and an air gap between them 31, inductive recesses 32, 33, 34, 35 located in the plane of grounding conductors 3, 4 high-frequency coplanar waveguide 2, inductive recesses 36, 37 located in a plane spaced apart from each other parts 7, 8 of the conductor of the radio signal transmission line 6 of the high-frequency coplanar waveguide 2, two contact pads 38, 39, made of conductor material, located in the recesses of the plane of the left grounding conductor 3 relative to the connecting conductor 5 of the high-frequency coplanar waveguide 2, conductor connections 40, 41, applied on the substrate 1, which have a direct electrical connection between each of the two contact pads 38, 39 with the corresponding left and right electrostatic activation areas 18, 19 of the lower fixed electrode of the electrostatic drive 17, one contact pad 42 made of conductive material, located in the recess of the plane of the right grounding conductor 4 relative to the connecting conductor 5 of the high-frequency coplanar waveguide 2, a conductor connection 43 deposited on the substrate 1, which has a direct electrical connection of one contact pad 42 with one of the two spaced apart conductor parts 7 of the radio signal transmission line 6 of the high-frequency coplanar waveguide 2, thin passivation layers 44, 45, 46, made of dielectric material, deposited on the surfaces of the conductor connections 40, 41, 43, designed to electrically isolate the conductor connections 40, 41, 43 from the corresponding grounding conductors 3, 4 of the high-frequency coplanar waveguide 2, namely electrical isolation of the constant control voltage from the switched high-frequency radio signal.

Предполагаемое изобретение не ограничено лишь интегральным высокочастотным микроэлектромеханическим переключателем емкостного принципа коммутации с высоким коэффициентом емкости с контактами металл-диэлектрик-металл, оно может быть использовано для создания омических интегральных высокочастотных микроэлектромеханических переключателей с резистивным принципом коммутации с контактами металл-металл. В интегральных высокочастотных микроэлектромеханических переключателях с резистивным контактом, согласно предполагаемому изобретению, отсутствует тонкий диэлектрический слой с высокой диэлектрической проницаемостью 28, нанесенный локально на поверхность соединительного проводника 5 заземляющих проводников 3, 4 высокочастотного копланарного волновода 2, а также дополнительный проводниковый слой 29, нанесенный на поверхность тонкого диэлектрического слоя с высокой диэлектрической проницаемостью 28, формирующие основной управляющий конденсатор 27 с обкладками металл-диэлектрик-металл, при этом на поверхность соединительного проводника 5 заземляющих проводников 3, 4 высокочастотного копланарного волновода 2 нанесен тонкий пассивационный слой, выполненный из диэлектрического материала, на поверхность которого нанесен дополнительный неподвижный проводниковый слой, представляющий собой соединительную перемычку, выполненную из проводникового материала, предназначенную для создания непосредственного электрического контакта металл-металл между двумя отдельными частями подвешенного подвижного электрода электростатического привода 9, выполненного в виде двух отдельных пластин из проводникового материала, которые разделены на отдельные левую и правую область электростатической активации и расположены с зазором над левой и правой областью электростатической активации 18, 19 нижнего неподвижного электрода электростатического привода 17 и тонких пассивационных слоев 22, 23, нанесенных на их поверхность, а также симметрично по левую и правую сторону относительно соединительного проводника 5 высокочастотного копланарного волновода 2, не соединенные между собой перемычкой 12, симметрично закрепленный на каждой из отстоящих друг от друга частей 7, 8 проводника линии передачи радиосигнала 6 высокочастотного копланарного волновода 2 по левую и правую сторону относительно подвешенного подвижного электрода электростатического привода 9 с помощью двух пар подвешенных упругих элементов подвеса зигзагообразной формы 13, 14, выполненных из проводникового материала, при этом подвешенные упругие элементы подвеса зигзагообразной формы 13 имеют крепление к левой части подвешенного подвижного электрода электростатического привода 9, подвешенные упругие элементы подвеса зигзагообразной формы 14 имеют крепление к правой части подвешенного подвижного электрода электростатического привода 9, симметрично по обе стороны относительно подвешенного подвижного электрода электростатического привода 9, имеющие крепление к двум опорно-якорным элементам конструкции 15, 16, а именно по одному опорно-якорному элементу на каждой из отстающих друг от друга частей 7, 8 проводника линии передачи радиосигнала 6 высокочастотного копланарного волновода 2, при этом пара подвешенных упругих элемента подвеса зигзагообразной формы 13 крепится к опорно-якорному элементу 15, а пара подвешенных упругих элементов подвеса зигзагообразной формы 14 крепится к опорно-якорному элементу 16, так что сформирован разрыв в проводнике подвешенного подвижного электрода электростатического привода 9, представляющий собой две подвешенные и отстоящие друг от друга части проводника линии передачи радиосигнала 6 высокочастотного копланарного волновода 2, также формируется разница в соосности элементов конструкции переключателя, заключающаяся в разнице толщин слоев, а именно, толщина слоев, образованная левой и правой областью электростатической активации 18, 19 нижнего неподвижного электрода электростатического привода 17 и тонкими пассивационными слоями 22, 23, нанесенными на их поверхность, меньше, чем толщина слоев, образованная тонким диэлектрическим слоем с высокой диэлектрической проницаемостью 28 на поверхность соединительного проводника 5 заземляющих проводников 3, 4 высокочастотного копланарного волновода 2, нанесенным на его поверхность дополнительным неподвижным проводниковым слоем, представляющий собой соединительную перемычку, так что при отсутствии постоянного управляющего напряжения переключатель находится в закрытом состоянии и высокочастотный радиосигнал не передается с входа на выход проводника линии передачи радиосигнала 6 высокочастотного копланарного волновода 2 по причине сформированного электрического разрыва в проводнике подвешенного подвижного электрода электростатического привода 9, однако при подаче постоянного управляющего напряжения на левую и правую область электростатической активации 18, 19 нижнего неподвижного электрода электростатического привода 17, отдельные части подвешенного подвижного электрода электростатического привода 9 под действием силы электростатического притяжения перемещаются в вертикальной плоскости по направлению к левой и правой области 18, 19 электростатической активации нижнего неподвижного электрода электростатического привода 17, однако по причине сформированной разницы в соосности элементов конструкции переключателя, отдельные левая и правая область электростатической активации подвижного электрода электростатического привода 9 контактируют лишь с дополнительным неподвижным проводниковым слоем, препятствующим их дальнейшему перемещению, создавая при этом непосредственное электрическое соединение контакта металл-металл, позволяя передаваться поступающему высокочастотному радиосигналу с входа на выход проводника линии передачи радиосигнала 6 высокочастотного копланарного волновода 2.The proposed invention is not limited only to an integrated high-frequency microelectromechanical switch of a capacitive switching principle with a high capacitance coefficient with metal-dielectric-metal contacts, it can be used to create ohmic integrated high-frequency microelectromechanical switches with a resistive switching principle with metal-to-metal contacts. Integrated high-frequency microelectromechanical switches with resistive contact, according to the proposed invention, lack a thin dielectric layer with a high dielectric constant 28 deposited locally on the surface of the connecting conductor 5 ground conductors 3, 4 high-frequency coplanar waveguide 2, as well as an additional conductive layer 29 deposited on the surface thin dielectric layer with high dielectric constant 28, forming the main control capacitor 27 with metal-dielectric-metal plates, while a thin passivation layer made of dielectric material is applied to the surface of the connecting conductor 5 grounding conductors 3, 4 high-frequency coplanar waveguide 2 which is coated with an additional fixed conductor layer, which is a connecting jumper made of conductor material, designed to create direct electrical metal-to-metal contact between two separate parts of the suspended movable electrode of the electrostatic drive 9, made in the form of two separate plates of conductor material, which are divided into separate left and right areas of electrostatic activation and are located with a gap above the left and right areas of electrostatic activation 18, 19 of the lower fixed electrode of the electrostatic drive 17 and thin passivation layers 22, 23 deposited on their surface, as well as symmetrically on the left and right sides relative to the connecting conductor 5 of the high-frequency coplanar waveguide 2, not interconnected by a jumper 12, symmetrically fixed on each of the spaced parts 7, 8 of the conductor of the radio signal transmission line 6 of the high-frequency coplanar waveguide 2 on the left and right sides relative to the suspended movable electrode of the electrostatic drive 9 using two pairs of suspended elastic suspension elements of a zigzag shape 13, 14, made of conductive material, while the suspended elastic suspension elements of a zigzag shape 13 are attached to the left side of the suspended movable electrode of the electrostatic drive 9, suspended elastic suspension elements of a zigzag shape 14 are attached to the right side suspended movable electrode of the electrostatic drive 9, symmetrically on both sides relative to the suspended movable electrode of the electrostatic drive 9, having fastening to two support-anchor elements of the structure 15, 16, namely one support-anchor element on each of the parts 7 lagging behind each other, 8 conductor of the radio signal transmission line 6 of the high-frequency coplanar waveguide 2, while a pair of suspended elastic suspension elements of a zigzag shape 13 is attached to the support-anchor element 15, and a pair of suspended elastic suspension elements of a zigzag shape 14 are attached to the support-anchor element 16, so that a gap is formed in the conductor of the suspended movable electrode of the electrostatic drive 9, which is two suspended and spaced apart parts of the conductor of the radio signal transmission line 6 of the high-frequency coplanar waveguide 2, a difference is also formed in the coaxiality of the switch design elements, which consists in the difference in the thickness of the layers, namely, the thickness of the layers, formed by the left and right areas of electrostatic activation 18, 19 of the lower fixed electrode of the electrostatic drive 17 and thin passivation layers 22, 23 deposited on their surface, less than the thickness of the layers formed by a thin dielectric layer with a high dielectric constant 28 on the surface of the connecting conductor 5 grounding conductors 3, 4 of the high-frequency coplanar waveguide 2, deposited on its surface with an additional fixed conductor layer, which is a connecting jumper, so that in the absence of a constant control voltage, the switch is in the closed state and the high-frequency radio signal is not transmitted from the input to the output of the conductor of the high-frequency radio signal transmission line 6 coplanar waveguide 2 due to the formed electrical gap in the conductor of the suspended movable electrode of the electrostatic drive 9, however, when a constant control voltage is applied to the left and right areas of electrostatic activation 18, 19 of the lower fixed electrode of the electrostatic drive 17, individual parts of the suspended movable electrode of the electrostatic drive 9 are under the action the forces of electrostatic attraction move in a vertical plane towards the left and right electrostatic activation areas 18, 19 of the lower fixed electrode of the electrostatic drive 17, however, due to the formed difference in the alignment of the switch design elements, the separate left and right electrostatic activation areas of the movable electrode of the electrostatic drive 9 are in contact only with an additional stationary conductor layer that prevents their further movement, while creating a direct electrical connection of the metal-to-metal contact, allowing the incoming high-frequency radio signal to be transmitted from the input to the output of the conductor of the radio signal transmission line 6 of the high-frequency coplanar waveguide 2.

Работает устройство следующим образом.The device works as follows.

Интегральный высокочастотный микроэлектромеханический переключатель емкостного принципа коммутации с высоким коэффициентом емкости работает как цифровой перестраиваемый конденсатор с двумя устойчивыми состояниями, при этом разность потенциалов постоянного управляющего напряжения (Фиг. 4А)), приложена к контактным площадкам 38, 39, 42, так что положительный потенциал постоянного управляющего напряжения прикладывается к контактным площадкам 38, 39, выполненным из проводникового материала, расположенным в выемке плоскости заземляющего проводника 3, симметрично относительно соединительного проводника 5 заземляющих проводников 3, 4 высокочастотного копланарного волновода 2, имеющие проводниковые соединения 40, 41, нанесенные на подложку 1, с левой и правой областью электростатической активации 18, 19 нижнего неподвижного электрода электростатического привода 17, расположенные в индуктивных выемках 32, 33, 36, 37, симметрично относительно соединительного проводника 5 заземляющих проводников 3, 4 высокочастотного копланарного волновода 2, а отрицательный потенциал постоянного управляющего напряжения прикладывается к контактной площадке 42, выполненной из проводникового материала, расположенной в выемке плоскости заземляющего проводника 4, симметрично относительно соединительного проводника 5 заземляющих проводников 3, 4 высокочастотного копланарного волновода 2, имеющей проводниковое соединение 43, нанесенное на подложку 1, с одной из двух отстоящих друг от друга частей 7 проводника линии передачи радиосигнала 6 высокочастотного копланарного волновода 2, что приводит к электростатической активации и возникновению силы электростатического взаимодействия между левой и правой областью электростатической активации 10, 11 подвешенного подвижного электрода электростатического привода 9 и левой и правой областью электростатической активации 18, 19 нижнего неподвижного электрода электростатического привода 17, при этом возникшая сила электростатического взаимодействия уравновешивается механической силой упругости, которая зависит от величины результирующего коэффициента жесткости двух пар подвешенных упругих элементов подвеса зигзагообразной формы 13, 14, к тому же баланс сил электростатического притяжения и механической силы упругости действует до тех пор, пока механическая сила упругости, являющаяся линейной функцией, может компенсировать рост величины силы электростатического притяжения, которая изменяется по квадратичному закону, что приводит к тому, что в некоторый момент времени рост величины механической силы упругости не может компенсировать и уравновесить рост величины силы электростатического притяжения, вызывая перемещение левой и правой области электростатической активации 10, 11 подвешенного подвижного электрода электростатического привода 9 в вертикальной плоскости, в результате чего каждая из составных частей 10, 11, 12 подвешенного подвижного электрода электростатического привода 9 перемещается в нижнее фиксированное положение, что приводит к росту величины емкости конденсаторов переменной емкости 24, 25, 30 с обкладками металл-диэлектрик-металл, а также росту величины коэффициента емкости и результирующей величины емкости переключателя, включающую величину емкости основного управляющего конденсатора с обкладками металл-диэлектрик-металл 27, в результате чего высокая величина емкости, описанных конденсаторных структур, препятствует прохождению высокочастотного радиосигнала с входа на выход проводника линии передачи радиосигнала 6 высокочастотного копланарного волновода 2. Данное состояние переключателя считается закрытым.The integrated high-frequency microelectromechanical switch of the capacitive switching principle with a high capacitance ratio operates as a digital tunable capacitor with two stable states, while the potential difference of the constant control voltage (Fig. 4A)) is applied to the contact pads 38, 39, 42, so that the positive potential of the constant the control voltage is applied to the contact pads 38, 39, made of conductor material, located in the recess of the plane of the grounding conductor 3, symmetrically relative to the connecting conductor 5 of the grounding conductors 3, 4 high-frequency coplanar waveguide 2, having conductor connections 40, 41, deposited on the substrate 1, with the left and right areas of electrostatic activation 18, 19 of the lower fixed electrode of the electrostatic drive 17, located in inductive recesses 32, 33, 36, 37, symmetrically relative to the connecting conductor 5 grounding conductors 3, 4 high-frequency coplanar waveguide 2, and the negative potential of the constant control voltage is applied to the contact pad 42, made of conductor material, located in the recess of the plane of the grounding conductor 4, symmetrically relative to the connecting conductor 5 of the grounding conductors 3, 4 of the high-frequency coplanar waveguide 2, having a conductor connection 43 deposited on the substrate 1, with one of two spaced apart from each other parts 7 of the conductor of the radio signal transmission line 6 of the high-frequency coplanar waveguide 2, which leads to electrostatic activation and the emergence of an electrostatic interaction force between the left and right electrostatic activation areas 10, 11 of the suspended movable electrode of the electrostatic drive 9 and the left and right electrostatic activation areas 18, 19 the lower fixed electrode of the electrostatic drive 17, while the resulting force of electrostatic interaction is balanced by the mechanical elastic force, which depends on the value of the resulting stiffness coefficient of two pairs of suspended elastic elements of the zigzag-shaped suspension 13, 14, in addition, the balance of the forces of electrostatic attraction and mechanical elastic force acts until as long as the mechanical elastic force, which is a linear function, can compensate for the increase in the magnitude of the electrostatic force of attraction, which changes according to a quadratic law, which leads to the fact that at some point in time the increase in the magnitude of the mechanical elastic force cannot compensate and balance the increase in the magnitude of the electrostatic force attraction, causing the left and right electrostatic activation areas 10, 11 of the suspended movable electrode of the electrostatic drive 9 to move in a vertical plane, as a result of which each of the component parts 10, 11, 12 of the suspended movable electrode of the electrostatic drive 9 moves to the lower fixed position, which leads to an increase in the capacitance value of variable capacitors 24, 25, 30 with metal-dielectric-metal plates, as well as an increase in the value of the capacitance coefficient and the resulting value of the switch capacitance, including the capacitance value of the main control capacitor with metal-dielectric-metal plates 27, resulting in a high The capacitance value of the described capacitor structures prevents the passage of a high-frequency radio signal from the input to the output of the conductor of the radio signal transmission line 6 of the high-frequency coplanar waveguide 2. This state of the switch is considered closed.

При этом за счет нанесения дополнительного проводникового слоя 29 на поверхность тонкого диэлектрического слоя с высокой диэлектрической проницаемостью 28 формируется разница в соосности некоторых элементов конструкции переключателя, заключающаяся в разнице толщин слоев, а именно, толщина слоев, образованная левой и правой областью электростатической активации 18, 19 нижнего неподвижного электрода электростатического привода 17, тонкими пассивационными слоями 22, 23 на их поверхности, меньше, чем толщина слоев, образованная соединительным проводником 5 заземляющих проводников 3, 4 высокочастотного копланарного волновода 2, включая тонкий диэлектрический слой с высокой диэлектрической проницаемостью 28 и дополнительный проводниковый слой 29 на его поверхности, так что в закрытом состоянии переключателя соединительная перемычка 12 подвешенного подвижного электрода электростатического привода 9 в полной мере контактирует лишь с поверхностью дополнительного проводникового слоя 29, исключая проблему возникающего явления прилипания левой и/или правой области электростатической активации 10, 11 подвешенного подвижного электрода электростатического привода 9 к тонким пассивационным слоям 22, 23 при электростатической активации переключателя, вызванное инжекцией зарядов на поверхность и в объем тонких пассивационных слоев 22, 23, что позволяет существенно повысить надежность и отказоустойчивость высокочастотных микроэлектромеханических переключателей с емкостным типом контакта.In this case, by applying an additional conductive layer 29 to the surface of a thin dielectric layer with a high dielectric constant 28, a difference is formed in the alignment of some elements of the switch design, which consists in the difference in layer thicknesses, namely, the thickness of the layers formed by the left and right areas of electrostatic activation 18, 19 lower fixed electrode of the electrostatic drive 17, thin passivation layers 22, 23 on their surface, less than the thickness of the layers formed by the connecting conductor 5 grounding conductors 3, 4 high-frequency coplanar waveguide 2, including a thin dielectric layer with high dielectric constant 28 and an additional conductive layer 29 on its surface, so that in the closed state of the switch, the connecting jumper 12 of the suspended movable electrode of the electrostatic drive 9 is in full contact only with the surface of the additional conductive layer 29, eliminating the problem of the emerging phenomenon of sticking of the left and/or right electrostatic activation region 10, 11 of the suspended movable electrostatic drive electrode 9 to thin passivation layers 22, 23 during electrostatic activation of the switch, caused by the injection of charges onto the surface and into the volume of thin passivation layers 22, 23, which can significantly increase the reliability and fault tolerance of high-frequency microelectromechanical switches with a capacitive type of contact.

В случае отключения подаваемого постоянного управляющего напряжения, а именно, снятии разности потенциалов (Фиг. 4Б)), приложенной к контактным площадкам 38, 39, 42, так что положительный потенциал постоянного управляющего напряжения прикладывается к контактным площадкам 38, 39, выполненным из проводникового материала, расположенным в выемке плоскости заземляющего проводника 3, симметрично относительно соединительного проводника 5 заземляющих проводников 3, 4 высокочастотного копланарного волновода 2, имеющие проводниковые соединения 40, 41, нанесенные на подложку 1, с левой и правой областью электростатической активации 18, 19 нижнего неподвижного электрода электростатического привода 17, расположенные в индуктивных выемках 32, 33, 36, 37, симметрично относительно соединительного проводника 5 заземляющих проводников 3, 4 высокочастотного копланарного волновода 2, а отрицательный потенциал постоянного управляющего напряжения прикладывается к контактной площадке 42, выполненной из проводникового материала, расположенной в выемке плоскости заземляющего проводника 4, симметрично относительно соединительного проводника 5 заземляющих проводников 3, 4 высокочастотного копланарного волновода 2, имеющей проводниковое соединение 43, нанесенное на подложку 1, с одной частью 7 проводника линии передачи радиосигнала 6 высокочастотного копланарного волновода 2, приводящее к тому, что левая и правая область электростатической активации 10, 11, соединительная перемычка 12 подвешенного подвижного электрода электростатического привода 9 возвращаются в исходное (нейтральное) положение за счет действия механической силы упругости, вызванной жесткостью двух пар подвешенных упругих элементов подвеса зигзагообразной формы 13, 14. Данное состояние переключателя считается открытым.In the event of disconnection of the supplied constant control voltage, namely, removal of the potential difference (Fig. 4B)) applied to the contact pads 38, 39, 42, so that the positive potential of the constant control voltage is applied to the contact pads 38, 39 made of conductive material , located in the recess of the plane of the grounding conductor 3, symmetrically relative to the connecting conductor 5 of the grounding conductors 3, 4 high-frequency coplanar waveguide 2, having conductor connections 40, 41, deposited on the substrate 1, with the left and right areas of electrostatic activation 18, 19 of the lower fixed electrode electrode drive 17, located in inductive recesses 32, 33, 36, 37, symmetrically relative to the connecting conductor 5 of the grounding conductors 3, 4 of the high-frequency coplanar waveguide 2, and the negative potential of the direct control voltage is applied to the contact pad 42, made of conductor material, located in the recess plane of the grounding conductor 4, symmetrically relative to the connecting conductor 5 of the grounding conductors 3, 4 of the high-frequency coplanar waveguide 2, having a conductor connection 43 deposited on the substrate 1, with one part 7 of the conductor of the radio signal transmission line 6 of the high-frequency coplanar waveguide 2, leading to the fact that the left and the right region of electrostatic activation 10, 11, the connecting jumper 12 of the suspended movable electrode of the electrostatic drive 9 returns to its original (neutral) position due to the action of the mechanical elastic force caused by the rigidity of two pairs of suspended elastic elements of the zigzag-shaped suspension 13, 14. This state of the switch is considered open.

Подстройка заданной рабочей полосы частот (Фиг. 3А), Фиг. 3Б)), центральной резонансной частоты и основных электромагнитных характеристик в предлагаемом интегральном высокочастотном микроэлектромеханическом переключателе емкостного принципа коммутации с высоким коэффициентом емкости возможна за счет различных конфигураций индуктивных выемок 32, 33, 34, 35, расположенных в плоскости заземляющих проводников 3, 4 симметрично с зазором по левую и правую сторону относительно соединительного проводника 5 заземляющих проводников 3, 4 высокочастотного копланарного волновода 2, при этом индуктивные выемки 32, 33 расположены в плоскости заземляющего проводника 3 высокочастотного копланарного волновода 2, индуктивные выемки 34, 35 расположены в плоскости заземляющего проводника 4 высокочастотного копланарного волновода 2, индуктивных выемок 36, 37, расположенных в плоскости отстоящих друг от друга частей 7, 8 проводника линии передачи радиосигнала 6 высокочастотного копланарного волновода 2 симметрично с зазором по левую и правую сторону относительно соединительного проводника 5 заземляющих проводников 3, 4 высокочастотного копланарного волновода 2, при этом индуктивная выемка 36 расположена в плоскости первой из двух отстоящих друг от друга частей 7 проводника линии передачи радиосигнала 6, индуктивная выемка 37 расположена в плоскости второй из двух отстоящих друг от друга частей 8 проводника линии передачи радиосигнала 6 высокочастотного копланарного волновода 2, а также за счет различных топологический конфигураций основного управляющего конденсатора с обкладками металл-диэлектрик-металл 27 на этапах проектирования переключателя, при этом использование в качестве материала тонкого диэлектрического слоя с высокой диэлектрической проницаемостью 28 диэлектрических материалов с высокой диэлектрической проницаемостью позволяет проектировать переключатель с высокой величиной коэффициента емкости, крайне малыми массогабаритными характеристиками при малой площади пластины подвешенного подвижного электрода электростатического привода 9, малой толщине тонкого диэлектрического слоя с высокой диэлектрической проницаемостью 28 и малой величиной воздушного зазора 20, 21, 31 между левой и правой областью электростатической активации 10, 11 подвешенного подвижного электрода электростатического привода 9 и тонкими пассивационными слоями 22, 23, нанесенным на поверхность левой и правой области электростатической активации 18, 19 нижнего неподвижного электрода электростатического привода 17, а также между соединительной перемычкой 12 подвешенного подвижного электрода электростатического привода 9 и дополнительным проводниковым слоем 29, что также позволяет повысить электромеханические характеристики переключателя.Adjustment of a given operating frequency band (Fig. 3A), Fig. 3B)), the central resonant frequency and the main electromagnetic characteristics in the proposed integrated high-frequency microelectromechanical switch of the capacitive switching principle with a high capacitance coefficient is possible due to various configurations of inductive notches 32, 33, 34, 35 located in the plane of the grounding conductors 3, 4 symmetrically with a gap on the left and right sides relative to the connecting conductor 5 grounding conductors 3, 4 high-frequency coplanar waveguide 2, while inductive recesses 32, 33 are located in the plane of the grounding conductor 3 of the high-frequency coplanar waveguide 2, inductive recesses 34, 35 are located in the plane of the grounding conductor 4 high-frequency coplanar waveguide 2, inductive recesses 36, 37 located in the plane of spaced parts 7, 8 of the conductor of the radio signal transmission line 6 of the high-frequency coplanar waveguide 2 symmetrically with a gap on the left and right sides relative to the connecting conductor 5 of the grounding conductors 3, 4 of the high-frequency coplanar waveguide 2 , while the inductive recess 36 is located in the plane of the first of two spaced apart parts 7 of the conductor of the radio signal transmission line 6, the inductive recess 37 is located in the plane of the second of the two spaced apart parts 8 of the conductor of the radio signal transmission line 6 of the high-frequency coplanar waveguide 2, and also due to different topological configurations of the main control capacitor with metal-dielectric-metal plates 27 at the stages of switch design, while the use of a thin dielectric layer with a high dielectric constant 28 as a material makes it possible to design a switch with a high capacitance coefficient , extremely small weight and size characteristics with a small area of the plate of the suspended movable electrode of the electrostatic drive 9, a small thickness of the thin dielectric layer with high dielectric constant 28 and a small air gap 20, 21, 31 between the left and right areas of electrostatic activation 10, 11 of the suspended movable electrode of the electrostatic drive 9 and thin passivation layers 22, 23 applied to the surface of the left and right electrostatic activation areas 18, 19 of the lower fixed electrode of the electrostatic drive 17, as well as between the connecting jumper 12 of the suspended movable electrode of the electrostatic drive 9 and the additional conductive layer 29, which also allows improve the electromechanical characteristics of the switch.

Использование нижнего неподвижного электрода электростатического привода 17, состоящего из двух разделенных левой и правой области электростатической активации 18, 19, расположенных симметрично с зазором по левую и правую сторону относительно соединительного проводника 5 заземляющих проводников 3, 4 высокочастотного копланарного волновода 2, а также симметрично с зазором 20, 21 под левой и правой областью электростатической активации 10, 11 подвешенного подвижного электрода электростатического привода 9, позволяет реализовать дополнительный, работающий на изгиб, торсионный механизм возврата подвешенного подвижного электрода электростатического привода 9, в случае возникновения явления прилипания подвижного электрода электростатического привода 9, а именно левой или правой области электростатической активации 10, 11 к тонким пассивационным слоям 22, 23, нанесенным на поверхность левой и правой области электростатической активации 18, 19 нижнего неподвижного электрода электростатического привода 17, путем попеременной подачи постоянного управляющего напряжения на левую и правую области электростатической активации 18, 19 нижнего неподвижного электрода электростатического привода 17, так что, подаваемое постоянное управляющее напряжение на левую область электростатической активации 18 нижнего неподвижного электрода электростатического привода 17 (Фиг. 5А)) приводит к электростатическому притяжению правой области электростатической активации 11 подвешенного подвижного электрода электростатического привода 9, вызывая тем самым рост величины механической силы упругости и величины механических напряжений в правой области электростатической активации 11 подвешенного подвижного электрода 9 электростатического привода, позволяя тем самым осуществить освобождение правой области электростатической активации 11 подвешенного подвижного электрода электростатического привода 9, и наоборот, подаваемое постоянное управляющее напряжение на правую область электростатической активации 19 нижнего неподвижного электрода электростатического привода 17 (Фиг. 5Б)) приводит к электростатическому притяжению правой области электростатической активации 11 подвешенного подвижного электрода электростатического привода 9, вызывая тем самым рост величины механической силы упругости и величины механических напряжений в левой области электростатической активации 10 подвешенного подвижного электрода электростатического привода 9, позволяя тем самым осуществить освобождение левой области электростатической активации 10 подвешенного подвижного электрода электростатического привода 9, что позволяет повысить надежность и отказоустойчивость переключателя.The use of the lower fixed electrode of the electrostatic drive 17, consisting of two separated left and right areas of electrostatic activation 18, 19, located symmetrically with a gap on the left and right side relative to the connecting conductor 5 grounding conductors 3, 4 high-frequency coplanar waveguide 2, and also symmetrically with the gap 20, 21 under the left and right areas of electrostatic activation 10, 11 of the suspended movable electrode of the electrostatic drive 9, allows you to implement an additional, bending, torsion mechanism for returning the suspended movable electrode of the electrostatic drive 9, in the event of the phenomenon of sticking of the movable electrode of the electrostatic drive 9, and namely the left or right region of electrostatic activation 10, 11 to thin passivation layers 22, 23 applied to the surface of the left and right region of electrostatic activation 18, 19 of the lower fixed electrode of the electrostatic drive 17, by alternately applying a constant control voltage to the left and right regions of electrostatic activation 18, 19 of the lower stationary electrode of the electrostatic drive 17, so that a constant control voltage is supplied to the left electrostatic activation region 18 of the lower stationary electrode of the electrostatic drive 17 (Fig. 5A)) leads to electrostatic attraction of the right region of electrostatic activation 11 of the suspended movable electrode of the electrostatic drive 9, thereby causing an increase in the magnitude of the mechanical elastic force and the magnitude of mechanical stress in the right region of electrostatic activation 11 of the suspended movable electrode 9 of the electrostatic drive, thereby allowing the release of the right electrostatic activation region 11 of the suspended movable electrode of the electrostatic drive 9, and vice versa, the supplied constant control voltage to the right electrostatic activation region 19 of the lower fixed electrode of the electrostatic drive 17 (Fig. 5B)) leads to electrostatic attraction of the right electrostatic activation region 11 of the suspended movable electrode of the electrostatic drive 9, thereby causing an increase in the magnitude of the mechanical elastic force and the magnitude of mechanical stress in the left region of electrostatic activation 10 of the suspended movable electrode of the electrostatic drive 9, thereby allowing the release of the left region of electrostatic activation 10 of the suspended movable electrode of the electrostatic drive 9, which allows for increased reliability and fault tolerance switch.

В закрытом состоянии высокочастотного микроэлектромеханического переключателя емкостного принципа коммутации с высоким коэффициентом емкости не существует опасности взаимодействия между электростатическими силами, используемыми для перемещения подвешенного подвижного электрода электростатического привода 9 вертикальной плоскости в определённое положение и высокочастотным радиосигналом, передаваемым по проводнику линии передача радиосигнала 6 копланарного волновода 2, благодаря использованию тонких пассивационных слоев 44, 45, 46, выполненных из диэлектрического материала, при этом тонкие пассивационные слои 44, 45 нанесены на поверхности проводникового соединения 40, 41, имеющие непосредственный электрический контакт между каждой из двух контактных площадок 38, 39 в выемках плоскости заземляющего проводника 3 высокочастотного копланарного волновода 2, а также с левой и правой областью электростатической активации 18, 19 нижнего неподвижного электрода электростатического привода 17, а тонкий пассивационный слой 46 нанесен на поверхность проводникового соединения 43 между одной контактной площадкой 42, расположенной в выемке плоскости заземляющего проводника 4 высокочастотного копланарного волновода 2 и одной из двух отстоящих друг от друга частей 7 проводника линии передачи радиосигнала 6 высокочастотного копланарного волновода 2 соответственно, предназначенные для электрической изоляции проводниковых соединений 40, 41, 43 от соответствующих заземляющих проводников 3, 4 высокочастотного копланарного волновода 2, а именно, электрической развязки постоянного управляющего напряжения от коммутируемого высокочастотного радиосигнала.In the closed state of the high-frequency microelectromechanical switch of the capacitive switching principle with a high capacitance ratio, there is no danger of interaction between the electrostatic forces used to move the suspended movable electrode of the electrostatic drive 9 of the vertical plane to a certain position and the high-frequency radio signal transmitted along the conductor of the radio signal transmission line 6 of the coplanar waveguide 2, thanks to the use of thin passivation layers 44, 45, 46 made of dielectric material, with thin passivation layers 44, 45 applied to the surfaces of the conductor connection 40, 41, having direct electrical contact between each of the two contact pads 38, 39 in the recesses of the ground plane conductor 3 of the high-frequency coplanar waveguide 2, as well as with the left and right areas of electrostatic activation 18, 19 of the lower fixed electrode of the electrostatic drive 17, and a thin passivation layer 46 is applied to the surface of the conductor connection 43 between one contact pad 42 located in the recess of the plane of the grounding conductor 4 high-frequency coplanar waveguide 2 and one of the two spaced apart parts 7 of the conductor of the radio signal transmission line 6 of the high-frequency coplanar waveguide 2, respectively, designed to electrically isolate the conductor connections 40, 41, 43 from the corresponding grounding conductors 3, 4 of the high-frequency coplanar waveguide 2, namely , electrical isolation of the constant control voltage from the switched high-frequency radio signal.

Таким образом, предлагаемое устройство представляет собой высокочастотный микроэлектромеханический переключатель емкостного принципа коммутации с высоким коэффициентом емкости и электростатическим механизмом активации, позволяющее замыкать или размыкать электрическую цепь в проводнике линии передачи радиосигнала 5 высокочастотного копланарного волновода 8 при коммутации высокочастотных радиосигналов с эффективным диапазоном частот в области L-, S-, C-, X-диапазона частот, а именно в диапазоне от 2 ГГц до 4 ГГц с центральной резонансной частотой 3,4 ГГц, а также в диапазоне частот от 18 ГГц до 26,5 ГГц с центральной резонансной частотой 21,5 ГГц.Thus, the proposed device is a high-frequency microelectromechanical switch of the capacitive switching principle with a high capacitance coefficient and an electrostatic activation mechanism, which allows you to close or open an electrical circuit in the conductor of the radio signal transmission line 5 of the high-frequency coplanar waveguide 8 when switching high-frequency radio signals with an effective frequency range in the L- region , S-, C-, X-band frequencies, namely in the range from 2 GHz to 4 GHz with a central resonant frequency of 3.4 GHz, as well as in the frequency range from 18 GHz to 26.5 GHz with a central resonant frequency of 21, 5 GHz.

Введение подвешенного подвижного электрода электростатического привода, выполненного в виде пластины из проводникового материала, разделенного на левую и правую область электростатической активации, которые соединены между собой перемычкой, выполненной из проводникового материала, расположенного с зазором и симметрично по левую и правую сторону относительно соединительного проводника высокочастотного копланарного волновода, соединяющего две отстоящие друг от друга части проводника линии передачи радиосигнала высокочастотного копланарного волновода, двух пар подвешенных упругих элементов подвеса зигзагообразной формы, выполненных из проводникового материала, при этом одна пара подвешенных упругих элементов подвеса зигзагообразной формы крепиться к левой области электростатической активации подвешенного подвижного электрода электростатического привода, а другая пара подвешенных упругих элементов подвеса зигзагообразной формы крепиться к правой области электростатической активации подвешенного подвижного электрода электростатического привода, симметрично по левую и правую сторону подвешенного подвижного электрода электростатического привода, двух опорно-якорных элементов конструкции, выполненных из проводникового материала, при этом каждый из двух опорно-якорных элементов конструкции закреплен на каждой из составных частей проводника линии передачи радиосигнала высокочастотного копланарного волновода по левую и правую сторону относительно подвешенного подвижного электрода электростатического привода, к которым крепится соответствующая пара подвешенных упругих элементов подвеса зигзагообразной формы, нижнего неподвижного электрода электростатического привода, выполненного из проводникового материала, разделенного на левую и правой область электростатической активации, которые расположены симметрично с зазором по левую и правую сторону относительно соединительного проводника заземляющих проводников высокочастотного копланарного волновода, а также симметрично с зазором под левой и правой областью электростатической активации подвешенного подвижного электрода электростатического привода, тонких пассивационных слоев, выполненных из диэлектрического материала, которые нанесены на поверхность левой и правой области электростатической активации нижнего неподвижного электрода электростатического привода, двух конденсаторов переменной емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл, образованных левой и правой областью электростатической активации нижнего неподвижного электрода электростатического привода, тонкими пассивационными слоями, расположенными на их поверхности, а также левой и правой областью электростатической активации подвешенного подвижного электрода электростатического привода, сквозных перфорационных отверстий в пластине подвешенного подвижного электрода электростатического привода, и расположенных с определенным шагом по всей площади пластины, основного управляющего конденсатора с обкладками металл-диэлектрик-металл, который образован нанесенным локально с определенной топологической конфигурацией тонким диэлектрическим слоем с высокой диэлектрической проницаемостью на поверхность соединительного проводника заземляющих проводников высокочастотного копланарного волновода, нанесенным на его поверхность дополнительным проводниковым слоем, третьего конденсатора переменной емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл, образованного соединительной перемычкой подвешенного подвижного электрода электростатического привода, дополнительным проводниковым слоем и воздушным зазором между ними, индуктивных выемок, расположенных в плоскости заземляющих проводников высокочастотного копланарного волновода, индуктивных выемок, расположенных в плоскости отстоящих друг от друга частей проводника линии передачи радиосигнала высокочастотного копланарного волновода, двух контактных площадок, выполненных из проводникового материала, расположенных в выемках плоскости левого заземляющего проводника относительно соединительного проводника высокочастотного копланарного волновода, проводниковых соединений, нанесенные на подложку, которые имеют непосредственное электрическое соединение каждой из двух контактных площадок с соответствующей левой и правой областью электростатической активации нижнего неподвижного электрода электростатического привода, одной контактной площадки, выполненной из проводникового материала, расположенной в выемке плоскости правого заземляющего проводника относительно соединительного проводника высокочастотного копланарного волновода, проводникового соединения, нанесенного на подложку, которое имеет непосредственное электрическое соединение одной контактной площадки с одной из двух отстоящих друг от друга частей проводника линии передачи радиосигнала высокочастотного копланарного волновода, тонких пассивационных слоев, выполненных из диэлектрического материала, нанесенных на поверхности проводниковых соединений, предназначенных для электрической изоляции проводниковых соединений от соответствующих заземляющих проводников высокочастотного копланарного волновода, а именно электрической развязки постоянного управляющего напряжения от коммутируемого высокочастотного радиосигнала, позволяет коммутировать высокочастотные радиосигналы по проводнику линии передачи радиосигналов высокочастотного копланарного волновода с высокой добротностью и линейностью, высоким коэффициентом качества конструкции переключателя, высоким коэффициентом емкости, низкими потерями в открытом состоянии, высокой изоляцией и малым вносимым контактным сопротивлением в закрытом состоянии переключателя в заданной полосе частот и на заданной центральной резонансной частоте, при низкой величиной постоянного управляющего напряжения и высоких динамических характеристиках, а именно малом времени перехода переключателя из открытого состояния в закрытое состояние и наоборот, сводя к минимуму недостатки и проблемы надежности, присущие высокочастотным микроэлектромеханическим переключателям с емкостным принципом коммутации.Introduction of a suspended movable electrode of an electrostatic drive, made in the form of a plate of conductor material, divided into left and right areas of electrostatic activation, which are interconnected by a jumper made of conductor material, located with a gap and symmetrically on the left and right sides relative to the high-frequency coplanar connecting conductor a waveguide connecting two spaced apart conductor parts of a radio signal transmission line of a high-frequency coplanar waveguide, two pairs of suspended elastic suspension elements of a zigzag shape made of conductor material, while one pair of suspended elastic suspension elements of a zigzag shape are attached to the left electrostatic activation region of the suspended movable electrode electrostatic drive, and another pair of suspended elastic suspension elements of a zigzag shape are attached to the right electrostatic activation region of the suspended movable electrode of the electrostatic drive, symmetrically on the left and right sides of the suspended movable electrode of the electrostatic drive, two support-anchor structural elements made of conductive material, while each of the two support-anchor elements of the structure is fixed to each of the components of the conductor of the radio signal transmission line of the high-frequency coplanar waveguide on the left and right sides relative to the suspended movable electrode of the electrostatic drive, to which is attached a corresponding pair of suspended elastic elements of the zigzag-shaped suspension, the lower fixed electrode of the electrostatic drive , made of conductor material, divided into left and right electrostatic activation areas, which are located symmetrically with a gap on the left and right sides relative to the connecting conductor of the grounding conductors of the high-frequency coplanar waveguide, and also symmetrically with a gap under the left and right electrostatic activation areas of the suspended movable electrostatic electrode drive, thin passivation layers made of dielectric material, which are applied to the surface of the left and right electrostatic activation region of the lower fixed electrode of the electrostatic drive, two variable capacitors with metal-dielectric-metal plates formed by the left and right electrostatic activation region of the lower fixed electrode of the electrostatic drive, thin passivation layers located on their surface, as well as the left and right areas of electrostatic activation of the suspended movable electrode of the electrostatic drive, through perforations in the plate of the suspended movable electrode of the electrostatic drive, and located with a certain pitch over the entire area of the plate, the main control capacitor with metal-dielectric-metal plates, which is formed by a thin dielectric layer with a high dielectric constant deposited locally with a certain topological configuration on the surface of the connecting conductor of the grounding conductors of a high-frequency coplanar waveguide, an additional conductive layer deposited on its surface, a third variable capacitor with metal-dielectric plates. metal formed by the connecting jumper of the suspended movable electrode of the electrostatic drive, the additional conductive layer and the air gap between them, inductive recesses located in the plane of the grounding conductors of the high-frequency coplanar waveguide, inductive recesses located in the plane of the spaced apart parts of the conductor of the radio signal transmission line of the high-frequency coplanar waveguide , two contact pads made of conductive material located in the recesses of the plane of the left grounding conductor relative to the connecting conductor of the high-frequency coplanar waveguide, conductor connections deposited on the substrate, which have a direct electrical connection between each of the two contact pads with the corresponding left and right electrostatic activation region of the lower fixed electrode of the electrostatic drive, one contact pad made of conductive material located in the recess of the plane of the right grounding conductor relative to the connecting conductor of the high-frequency coplanar waveguide, a conductor connection deposited on the substrate, which has a direct electrical connection of one contact pad with one of two spaced apart other parts of the conductor of the radio signal transmission line of the high-frequency coplanar waveguide, thin passivation layers made of dielectric material deposited on the surfaces of the conductor connections, designed to electrically isolate the conductor connections from the corresponding grounding conductors of the high-frequency coplanar waveguide, namely, electrically decouple the direct control voltage from the switched high-frequency radio signal , allows switching high-frequency radio signals along the radio transmission line conductor of a high-frequency coplanar waveguide with high quality factor and linearity, high switch design quality factor, high capacitance factor, low on-state losses, high insulation and low introduced contact resistance in the closed state of the switch in a given frequency band and at a given central resonant frequency, with a low constant control voltage and high dynamic characteristics, namely a short transition time of the switch from the open state to the closed state and vice versa, minimizing the disadvantages and reliability problems inherent in high-frequency microelectromechanical switches with a capacitive switching principle.

Таким образом, по сравнению с аналогичными устройствами, предлагаемый высокочастотный микроэлектромеханический переключатель емкостного принципа коммутации с высоким коэффициентом емкости позволяет коммутировать высокочастотные радиосигналы по проводнику линии передачи радиосигналов высокочастотного копланарного волновода с высокой добротностью и линейностью, высоким коэффициентом качества конструкции переключателя, высоким коэффициентом емкости, низкими потерями в открытом состоянии, высокой изоляцией и малым вносимым контактным сопротивлением в закрытом состоянии переключателя в заданной полосе частот и на заданной центральной резонансной частоте, при низкой величиной постоянного управляющего напряжения и высоких динамических характеристиках, а именно малом времени перехода переключателя из открытого состояния в закрытое состояние и наоборот, сводя к минимуму недостатки и проблемы надежности, присущие высокочастотным микроэлектромеханическим переключателям с емкостным принципом коммутации, благодаря использованию подвешенного подвижного электрода электростатического привода, выполненного в виде пластины из проводникового материала, разделенного на левую и правую область электростатической активации, которые соединены между собой перемычкой, выполненной из проводникового материала, расположенного с зазором и симметрично по левую и правую сторону относительно соединительного проводника высокочастотного копланарного волновода, соединяющего две отстоящие друг от друга части проводника линии передачи радиосигнала высокочастотного копланарного волновода, двух пар подвешенных упругих элементов подвеса зигзагообразной формы, выполненных из проводникового материала, при этом одна пара подвешенных упругих элементов подвеса зигзагообразной формы крепиться к левой области электростатической активации подвешенного подвижного электрода электростатического привода, а другая пара подвешенных упругих элементов подвеса зигзагообразной формы крепиться к правой области электростатической активации подвешенного подвижного электрода электростатического привода, симметрично по левую и правую сторону подвешенного подвижного электрода электростатического привода, двух опорно-якорных элементов конструкции, выполненных из проводникового материала, при этом каждый из двух опорно-якорных элементов конструкции закреплен на каждой из составных частей проводника линии передачи радиосигнала высокочастотного копланарного волновода по левую и правую сторону относительно подвешенного подвижного электрода электростатического привода, к которым крепится соответствующая пара подвешенных упругих элементов подвеса зигзагообразной формы, нижнего неподвижного электрода электростатического привода, выполненного из проводникового материала, разделенного на левую и правой область электростатической активации, которые расположены симметрично с зазором по левую и правую сторону относительно соединительного проводника заземляющих проводников высокочастотного копланарного волновода, а также симметрично с зазором под левой и правой областью электростатической активации подвешенного подвижного электрода электростатического привода, тонких пассивационных слоев, выполненных из диэлектрического материала, которые нанесены на поверхность левой и правой области электростатической активации нижнего неподвижного электрода электростатического привода, двух конденсаторов переменной емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл, образованных левой и правой областью электростатической активации нижнего неподвижного электрода электростатического привода, тонкими пассивационными слоями, расположенными на их поверхности, а также левой и правой областью электростатической активации подвешенного подвижного электрода электростатического привода, сквозных перфорационных отверстий в пластине подвешенного подвижного электрода электростатического привода, и расположенные с определенным шагом по всей площади пластины, основного управляющего конденсатора с обкладками металл-диэлектрик-металл, который образован нанесенным локально с определенной топологической конфигурацией тонким диэлектрическим слоем с высокой диэлектрической проницаемостью на поверхность соединительного проводника заземляющих проводников высокочастотного копланарного волновода, нанесенным на его поверхность дополнительным проводниковым слоем, третьего конденсатора переменной емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл, образованного соединительной перемычкой подвешенного подвижного электрода электростатического привода, дополнительным проводниковым слоем и воздушным зазором между ними, индуктивных выемок, расположенных в плоскости заземляющих проводников высокочастотного копланарного волновода, индуктивных выемок, расположенных в плоскости отстоящих друг от друга частей проводника линии передачи радиосигнала высокочастотного копланарного волновода, двух контактных площадок, выполненных из проводникового материала, расположенных в выемках плоскости левого заземляющего проводника относительно соединительного проводника высокочастотного копланарного волновода, проводниковых соединений, нанесенные на подложку, которые имеют непосредственное электрическое соединение каждой из двух контактных площадок с соответствующей левой и правой областью электростатической активации нижнего неподвижного электрода электростатического привода, одной контактной площадки, выполненной из проводникового материала, расположенной в выемке плоскости правого заземляющего проводника относительно соединительного проводника высокочастотного копланарного волновода, проводникового соединения, нанесенного на подложку, которое имеет непосредственное электрическое соединение одной контактной площадки с одной из двух отстоящих друг от друга частей проводника линии передачи радиосигнала высокочастотного копланарного волновода, тонких пассивационных слоев, выполненных из диэлектрического материала, нанесенных на поверхности проводниковых соединений, предназначенных для электрической изоляции проводниковых соединений от соответствующих заземляющих проводников высокочастотного копланарного волновода, а именно электрической развязки постоянного управляющего напряжения от коммутируемого высокочастотного радиосигналаThus, compared with similar devices, the proposed high-frequency microelectromechanical switch of the capacitive switching principle with a high capacitance coefficient allows switching high-frequency radio signals along the radio signal transmission line conductor of a high-frequency coplanar waveguide with high quality factor and linearity, high quality factor of the switch design, high capacitance factor, low losses in the open state, high insulation and low introduced contact resistance in the closed state of the switch in a given frequency band and at a given central resonant frequency, with a low constant control voltage and high dynamic characteristics, namely a short transition time of the switch from the open state to the closed state and on the contrary, minimizing the disadvantages and reliability problems inherent in high-frequency microelectromechanical switches with a capacitive switching principle, thanks to the use of a suspended moving electrode of an electrostatic drive, made in the form of a plate of conductive material, divided into left and right electrostatic activation regions, which are interconnected by a jumper, made of conductor material located with a gap and symmetrically on the left and right sides relative to the connecting conductor of the high-frequency coplanar waveguide connecting two spaced apart parts of the conductor of the radio signal transmission line of the high-frequency coplanar waveguide, two pairs of suspended elastic suspension elements of a zigzag shape, made of conductor material , wherein one pair of suspended elastic zigzag-shaped suspension elements is attached to the left electrostatic activation region of the suspended movable electrode of the electrostatic drive, and the other pair of suspended elastic zigzag-shaped suspension elements is attached to the right electrostatic activation region of the suspended movable electrode of the electrostatic drive, symmetrically on the left and right sides a suspended movable electrode of an electrostatic drive, two support-anchor structural elements made of conductor material, with each of the two support-anchor structural elements fixed to each of the components of the conductor of the radio signal transmission line of the high-frequency coplanar waveguide on the left and right sides relative to the suspended movable electrode electrostatic drive, to which is attached a corresponding pair of suspended elastic suspension elements of a zigzag shape, the lower fixed electrode of the electrostatic drive, made of conductor material, divided into left and right electrostatic activation areas, which are located symmetrically with a gap on the left and right sides relative to the connecting conductor of the grounding conductors high-frequency coplanar waveguide, as well as symmetrically with a gap under the left and right electrostatic activation region of the suspended movable electrode of the electrostatic drive, thin passivation layers made of dielectric material, which are deposited on the surface of the left and right electrostatic activation region of the lower fixed electrode of the electrostatic drive, two variable capacitors containers with metal-dielectric-metal plates formed by the left and right region of electrostatic activation of the lower fixed electrode of the electrostatic drive, thin passivation layers located on their surface, as well as the left and right region of electrostatic activation of the suspended movable electrode of the electrostatic drive, through perforations in the plate suspended movable electrode of the electrostatic drive, and located with a certain pitch over the entire area of the plate, the main control capacitor with metal-dielectric-metal plates, which is formed by a thin dielectric layer with a high dielectric constant deposited locally with a certain topological configuration on the surface of the connecting conductor of the high-frequency coplanar grounding conductors a waveguide deposited on its surface with an additional conductive layer, a third variable capacitor with metal-dielectric-metal plates formed by the connecting jumper of a suspended movable electrode of an electrostatic drive, an additional conductive layer and an air gap between them, inductive recesses located in the plane of the grounding conductors of the high-frequency coplanar waveguide, inductive recesses located in the plane of spaced apart parts of the conductor of the radio signal transmission line of the high-frequency coplanar waveguide, two contact pads made of conductor material located in the recesses of the plane of the left grounding conductor relative to the connecting conductor of the high-frequency coplanar waveguide, conductor connections deposited on the substrate , which have a direct electrical connection of each of the two contact pads with the corresponding left and right electrostatic activation region of the lower fixed electrode of the electrostatic drive, one contact pad made of conductive material located in the recess of the plane of the right grounding conductor relative to the connecting conductor of the high-frequency coplanar waveguide, conductor connection , deposited on a substrate, which has a direct electrical connection of one contact pad with one of two spaced apart conductor parts of a radio signal transmission line of a high-frequency coplanar waveguide, thin passivation layers made of dielectric material deposited on the surfaces of conductor connections intended for electrical insulation of conductor connections from the corresponding grounding conductors of the high-frequency coplanar waveguide, namely the electrical isolation of the direct control voltage from the switched high-frequency radio signal

В представленной топологической конфигурации предлагаемый высокочастотный микроэлектромеханический переключатель емкостного принципа коммутации с высоким коэффициентом емкости позволяет коммутировать высокочастотных радиосигналы с эффективным диапазоном частот в области L-, S-, C-, X-диапазона частот, а именно в диапазоне частот от 2 ГГц до 4 ГГц с центральной резонансной частотой 3,4 ГГц, величиной вносимых потерь в открытом состоянии переключателя не хуже $-$ 0,15 дБ на центральной резонансной частоте 3,4 ГГц, изоляцией в закрытом состоянии переключателя не хуже $-$ 55,2 дБ на центральной резонансной частоте 3,4 ГГц, в диапазоне частот от 18 ГГц до 26,5 ГГц с центральной резонансной частотой 21,5 ГГц и величиной вносимых потерь в открытом состоянии переключателя не хуже $-$ 0,15 дБ, изоляцией в закрытом состоянии переключателя не хуже $-$ 42,3 дБ при контактном сопротивлении не более 0,20 Ом, с высокой добротностью и линейностью, высоким коэффициентом качества конструкции переключателя, высоким коэффициентом емкости переключателя - 46600, при малой площади пластины подвешенного подвижного электрода электростатического привода, малой толщине диэлектрического слоя и малой величине воздушного зазора между ними, что также позволяет снизить электромеханические и массогабаритные характеристики переключателя, с низкой величиной постоянного управляющего напряжения 3,5 В, необходимого для электростатической активации переключателя, а также высокими динамическими характеристиками, а именно малым временем необходимым на совершение цикла операции закрытие и открытие переключателя в 6,35 мкс и 3,1 мкс соответственно, с низкой величиной коэффициента изотермического и термоупругого демпфирования за счет введения сквозных перфорационных отверстий по всей площади подвешенного подвижного электрода электростатического привода, имеющих круглый профиль и расположенные с определенным шагом по всей площади подвешенного подвижного электрода электростатического привода, что также позволяет существенно снизить величину остаточных термомеханических напряжений, возникающих на этапах технологического процесса изготовления переключателя, с наличием в конструкции переключателя предусмотренных контактных площадок, обеспечивающих возможность монтажа переключателя в специализированный высокочастотный корпус и его интеграцию в радиоэлектронные устройства, с наличием в конструкции переключателя тонких пассивационных слоев, выполненных из диэлектрического материала, предназначенных для развязки постоянного управляющего напряжения от коммутируемого высокочастотного радиосигнала, в сочетании с высокой надежностью и отказоустойчивостью конструкции переключателя, что в полной мере соответствует требованиям, предъявляемым к высокочастотным радиоэлектронным устройствам в современной интегральной радиоэлектронике, в частности, в современных антенных, телекоммуникационных и радарных устройствах, устройствах наземной и спутниковой радиосвязи.In the presented topological configuration, the proposed high-frequency microelectromechanical switch of the capacitive switching principle with a high capacitance coefficient allows switching high-frequency radio signals with an effective frequency range in the L-, S-, C-, X-band frequency range, namely in the frequency range from 2 GHz to 4 GHz with a central resonant frequency of 3.4 GHz, the value of insertion losses in the open state of the switch is no worse $-$ 0.15 dB at the central resonant frequency of 3.4 GHz, insulation in the closed state of the switch is no worse $-$ 55.2 dB at a center resonant frequency of 3.4 GHz, in the frequency range from 18 GHz to 26.5 GHz with a center resonant frequency of 21.5 GHz and the value of insertion loss in the open state of the switch is no worse $-$ 0.15 dB, insulation when the switch is closed is no worse $-$ 42.3 dB with a contact resistance of no more than 0.20 Ohm, with high quality factor and linearity, high quality factor of the switch design, high switch capacitance factor - 46600, with a small plate area of the suspended moving electrode of the electrostatic drive, small thickness of the dielectric layer and small air gap between them, which also makes it possible to reduce the electromechanical and weight-dimensional characteristics of the switch, with a low constant control voltage of 3.5 V required for electrostatic activation of the switch, as well as high dynamic characteristics, namely the short time required to complete the closing and opening operation cycle switch at 6.35 μs and 3.1 μs, respectively, with a low value of the isothermal and thermoelastic damping coefficient due to the introduction of through perforations over the entire area of the suspended movable electrode of the electrostatic drive, having a round profile and located with a certain pitch over the entire area of the suspended movable electrode electrostatic drive, which also makes it possible to significantly reduce the amount of residual thermomechanical stresses arising at the stages of the technological process of manufacturing the switch, with the presence in the design of the switch of the provided contact pads, ensuring the possibility of mounting the switch in a specialized high-frequency housing and its integration into radio-electronic devices, with the presence in the design of the switch thin passivation layers made of dielectric material, designed to decouple the constant control voltage from the switched high-frequency radio signal, combined with high reliability and fault tolerance of the switch design, which fully meets the requirements for high-frequency radio-electronic devices in modern integrated radio electronics, in particular, in modern antenna, telecommunication and radar devices, terrestrial and satellite radio communication devices.

Claims

An integrated high-frequency microelectromechanical switch of the capacitive switching principle with a high capacitance coefficient, containing a substrate made of dielectric material with a high-frequency coplanar waveguide located on it, formed by two grounding conductors made of conductor material, which are connected to each other in the central part by a connecting conductor made of conductor material located symmetrically with a gap of the relative central conductor, which is a conductor of the radio signal transmission line, made of conductor material, which is divided into two parts spaced apart from each other, characterized in that a suspended movable electrode of an electrostatic drive, made in the form of a plate, is inserted into it made of conductor material, divided into left and right areas of electrostatic activation, which are interconnected by a jumper made of conductor material, located with a gap and symmetrically on the left and right sides relative to the connecting conductor of the high-frequency coplanar waveguide, connecting two parts of the line conductor spaced apart from each other transmission of a radio signal of a high-frequency coplanar waveguide, two pairs of suspended elastic elements of a zigzag-shaped suspension, made of a conductor material, with one pair of suspended elastic elements of a zigzag-shaped suspension attached to the left electrostatic activation region of the suspended movable electrode of the electrostatic drive, and the other pair of suspended elastic elements of a zigzag shape suspension is attached to the right electrostatic activation area of the suspended movable electrode of the electrostatic drive, symmetrically on the left and right sides of the suspended movable electrode of the electrostatic drive, two support-anchor structural elements made of conductive material, with each of the two support-anchor structural elements fixed to each from the components of the conductor of the radio signal transmission line of the high-frequency coplanar waveguide on the left and right sides relative to the suspended movable electrode of the electrostatic drive, to which is attached a corresponding pair of suspended elastic suspension elements of a zigzag shape, the lower fixed electrode of the electrostatic drive, made of conductive material, divided into left and right electrostatic activation areas located symmetrically with a gap on the left and right sides relative to the connecting conductor of the grounding conductors of the high-frequency coplanar waveguide, as well as symmetrically with a gap under the left and right electrostatic activation areas of the suspended movable electrode of the electrostatic drive, thin passivation layers made of dielectric material, which applied to the surface of the left and right electrostatic activation regions of the lower fixed electrode of the electrostatic drive, two flat thin-film capacitors of variable capacity with metal-dielectric-metal plates, formed by the left and right electrostatic activation regions of the lower fixed electrode of the electrostatic drive, thin passivation layers located on their surface , as well as the left and right areas of electrostatic activation of the suspended movable electrode of the electrostatic drive, through perforations in the plate of the suspended movable electrode of the electrostatic drive and located with a certain pitch over the entire area of the plate, the main high-capacity control capacitor with metal-dielectric-metal plates, which is formed a thin dielectric layer with a high dielectric constant on the surface of the connecting conductor of the grounding conductors of the high-frequency coplanar waveguide, deposited on its surface with an additional conductive metal layer, a third variable capacitor with metal-dielectric-metal plates, formed by the connecting jumper of the suspended movable electrode of the electrostatic drive, an additional conductive metal layer and an air gap between them, inductive recesses located in the plane of the grounding conductors of a high-frequency coplanar waveguide, inductive recesses located in the plane of spaced apart parts of the conductor of the radio signal transmission line of a high-frequency coplanar waveguide, two contact pads made of conductive material located in the recesses planes of the left ground conductor relative to the connecting conductor of the high-frequency coplanar waveguide, conductive metal connections deposited on the substrate, which have a direct electrical connection of each of the two contact pads with the corresponding left and right electrostatic activation region of the lower fixed electrode of the electrostatic drive, one contact pad made of conductive material, located in the recess of the plane of the right ground conductor relative to the connecting conductor of the high-frequency coplanar waveguide, a conductive metal connection deposited on the substrate, which has a direct electrical connection of one contact pad with one of two spaced apart conductor parts of the radio signal transmission line of the high-frequency coplanar waveguide, thin passivation layers made of dielectric material deposited on the surfaces of conductive metal connections, intended for electrical isolation of conductor metal connections from the corresponding grounding conductors of the high-frequency coplanar waveguide, namely, electrical isolation of the direct control voltage from the switched high-frequency radio signal.