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

Előadás menete RF MEMS eszközök lehetséges felhasználási területei Hagyományos relék, SSR és MEMS mikrorelék összehasonlítása RF MEMS mikrorelék csoportosítása (működési elv, felépítés szerint) Mágneses elven működő MEMS mikrorelék Elektrosztatikus elven működő MEMS mikrorelék Termikus elven működő MEMS mikrorelék Nanorelé Bevezetés 2

I. RF MEMS felhasználási területei SystemOnChip Az érzékelő, a jelfeldolgozó áramkör és a beavatkozó egységek egy félvezető lapkán vannak megvalósítva Cél az egyre kisebb méret, nagyobb pontosság, nagyobb megbízhatóság és alacsonyabb költségek 3

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

Lehetséges RF MEMS eszközök: Mikromechanikai rezonátor Állítható kapacitású kondenzátor (Felső fegyverzet mozgatása) Mikrorelék Félvezető lapkán megvalósított induktivitás (Jósági tényező javítása, kisebb hely) RF MEMS eszközök előnyei: Kis veszteség, jó jósági tényező Kis fogyasztás (MEMS mikrorelék) Állíthatóság, újrakonfigurálhatóság (Kapacitás, rezonátorok, antenna rendszer) I. RF MEMS felhasználási területei 5

Mikrorelék helye és feladata nagyfrekvenciás alkalmazásokban: Vezeték nélküli kommunikációt megvalósító eszközök adó/vevő egységeinek ( transreceiver moduls ) kimenő fokozatában 6

Hagyományos mikrorelék (Electromagnetic relay - EMR) Bekapcsolt állapotban kicsi soros ellenállás (0.001…0.01  ) Kikapcsolt állapotban gyakorlatilag szakadás Jó izoláció (vezérlő és terhelőkör között) – 1500 V, 250  m légrés Átvihető jel frekvenciája nagyobb, mint SSR Mind a mai napig telefonközpontokban, autóelektronikában Nagyon nagy méret Szilárdtest relék (SSR) Egy fotodióda és egy fototranzisztorból állnak Nagy megbízhatóság, kicsi méret mellett Jó izoláció (vezérlő és terhelőkör között) Pergésmentes de lassú (1…10 ms) Bekapcsolt állapotban soros ellenállás nagy (10…100  ) Kis áramú eszközök Nagyon drága II. EMR, SSR, RF MEMS Mikrorelék összehasonlítása 7

8

A mikromechanika alkalmazásával lehetségessé vált EMR miniatürizálása A miniatürizálással a rendszer működéséhez szükséges idő ( kapcsoló nyitása, zárása ) a rendszer lineáris méreteivel arányosan csökken A hőmérséklet hatására bekövetkező méretváltozások, mechanikai rezgések zavaró hatásai a méretcsökkenés következtében egyre kisebb jelentőségű válnak Si kitűnő mechanikai tulajdonságok: Nagy húzószilárdság, nyomószilárdság Ismételt igénybevétel esetén nincs szerkezeti illetve szilárdsági változás, azaz rugalmatlan alakváltozás és fáradás nem lép fel II. EMR, SSR, RF MEMS Mikrorelék összehasonlítása MEMS MIKRORELÉK 9

RF MEMS Mikrorelék Méretek csökkentésével a kontaktusok közötti távolság is arányosan csökken  mikrorelék izolációs feszültsége kisebb (max  m légrés, kb. 400V-600V) EMR esetén a kontaktusokat 10 mN erő nyomja egymásnak, míg Mikroreléknél a beavatkozó maximum 10…1000  N erőt képes kifejteni (a beavatkozó típusától függően). Arany érintkezők használatával 1mN esetén a kontaktellenállás 0.1  értékű A cél jól integrálható, alacsony feszültségű, alacsony fogyasztású ( low voltage, low consumptions ), gyors mikrorelé készítése II. EMR, SSR, RF MEMS Mikrorelék összehasonlítása 10

II. EMR, SSR, RF MEMS Mikrorelék összehasonlítása

Switching speed:  s 12

III. RF MEMS mikrorelék csoportosítása Jelút alapján Kontaktus létrejön (DC jelút is) Kapacitív csatolás (AC jelút), kapacitás értéke meghatározza a maximálisan átvihető jelfrekvenciát Topológia szerint Soros topológia Párhuzamos topológia 13

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

Tekercsen átfolyó áram mágneses teret generál a tekercs körül, ez húzza az egyik érintkezőt a másikhoz Már 1980-as évek végétől ( 1994 január – A behúzó-tekercs még külön a MEMS kapcsolótól - Hiroshi Hosaka, “Electromagnetic microrelay”, Sensors and Acutators ) MEMS technikához nem illeszkedik (3D tekercs) Planár tekercs előállítható ugyan, de rossz jósági tényező Nagyon bonyolult, komplex gyártási folyamat  drága Nagyon nagy méret a tekercs miatt Ha lehet más elven működő mikrorelék készítése IV. Mágneses elven működő MEMS mikrorelék 15

1979 IBM Micromechanical membrane switches on Silicon substrate 1996 Bulk-micromachined microrelay Hátoldali marás szükséges, KOH – nem CMOS kompatibilis Túl nagy helyet foglalt egy kapcsoló 1995 First electrostatic microrelay by front side etching V. Elektrosztatikus elven működő MEMS mikrorelék 16

Nagy sebességű, kis fogyasztású, kis helyigényű, gyárthatóság szempontjából a legegyszerűbb megvalósítás Két - egymástól kis légréssel (  10  m) elszigetelt - vezető lemez egymással kontaktusba hozható egy elegendően nagy feszültség által generált elektrosztatikus térrel, ha F eleksz > F mech F eleksz négyzetesen függ a generált elektrosztatikus tér erősségtől A működtető feszültség lineárisan csökken a légrés (gap) méretével (10  m ~ 15V) A légrés mérete a biztosítani kívánt izoláció mértékétől függ (breakdown voltage) V. Elektrosztatikus elven működő MEMS mikrorelék U  d gap 17

Probléma, a terhelő körben a mozgó karon a fém vezetőnek vékonynak kell lennie (<< 1  m), hogy a karnak ne legyen túl nagy a belső feszültsége  kis áramú eszközök Kevés laterális megoldás létezik (Nehezen integrálható), inkább térbeli elrendezés A túl nagy légréshez túl nagy működtető feszültség szükséges (Az integrált áramkörhöz használt tápfeszültségnél nagyobb) Előállításához nem szabványos gyártási lépéseket alkalmaznak (Az integrált áramkör gyártásával nem kompatibilis lépések) V. Elektrosztatikus elven működő MEMS mikrorelék I   18

V. Elektrosztatikus elven működő MEMS mikrorelék Si hordozóra termikus oxidációval SiO 2 réteg növesztve oxigén plazmában eltávolítható, így ennek a száraz marásnak a következtében a leragadási probléma elkerülhető4  m polyimide feláldozandó réteg oxigén plazmában eltávolítható, így ennek a száraz marásnak a következtében a leragadási probléma elkerülhető Szigetelő réteg, majd tapadást javító réteg Első fémréteg felvitele Tapadást javító réteg, majd szigetelő réteg Fotoreziszt felvitele, megmunkálása (feláldozandó réteg) Másik érintkező elkészítése (második fémréteg + száraz marás) Feláldozandó rétegek kimarása 19

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

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

A beavatkozó, karok anyaga leginkább Si, de a MEMS technológia fejlettsége lehetővé teszi számos fém, ötvözet, kerámia, üveg és polimer használatát is (SiO2, alumínium, nikkel, gyémánt, SiC) V. Elektrosztatikus elven működő MEMS mikrorelék 22 Beavatkozóban tárolt elektrosztatikus, illetve rugóban tárolt energia g = 2g 0 /3

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

Az anyagok hőtágulásán alapuló megoldás MEMS eszközökben - a arányos méretcsökkentés következtében - egy kis felületet relatív kis hőközléssel gyorsan fel lehet fűteni, illetve a kis felület gyorsan le is hűl Rengeteg anyag és geometria választék az előállításhoz A beavatkozó az egyik érintkezőt lényegében „hozzátolja” a másik érintkezőhöz Ennél a típusnál alakul ki a legnagyobb kontakt erő  itt a legkisebb a soros ellenállás a terhelő körben Laterális, az integrált áramkör előállítási technológiával maximálisan kompatibilis gyártástechnológiai lépések A meghajtó feszültség megfelelően alacsony lehet (integrált áramköröknél alkalmazott tápfeszültséggel kompatibilis) VI. Termomechanikus elven működő MEMS mikrorelék 24

Poly-szilíciumból előállított V alakú beavatkozó, a rajta átfolyó áram hatására felmelegszik és kitágul A tágulás következtében az egyik érintkező a másikhoz nyomódik SiN szigetelő a megfelelő termikus és elektronikus izolációt biztosítja Az érintkező, a jelvezetékek és az oldalfaluk arannyal vannak bevonva VI. Termomechanikus elven működő MEMS mikrorelék V alakú érintkező – könnyű megvalósíthatóság, egyenes vonalú mozgás ( érintkező ) 0.1…10 mN erő is elérhető Karok hossza 200…300  m Karok szélessége 2  m Elmozdulás 5.2…9.4  m 12V, 180mW, 8mN, 0.005m  25

V alakú beavatkozó rugóállandója t a karok vastagsága, E a Young modulus,  a két kar által bezárt szög (K=129.5 N/m lett) Az arany bevonat minimális vastagsága a behatolási mélység függvénye (0.71  m 12GHz-nél) Az egész mikrorelé 200  m  220  m területet foglal A érintkezési felület 700  m 2 … 1200  m 2 A légrés szélessége 4…5  m VI. Termomechanikus elven működő MEMS mikrorelék 26

VI. Termomechanikus elven működő MEMS mikrorelék 525  m Si hordozóra 300nm thermal SiO 2 növesztve, majd erre 0.6  m Si 3 N 4  szigetelő réteg (csökkenti szubsztrát parazita hatásait) 2  m SiO 2 feláldozandó réteg növesztve és a támasztó karoknak ablak nyitva 0.6  m poly-szilícium növesztve (LPCVD), és mintázat kialakítva Az érintkezők aranybevonása (  m) katódporlasztással Sticktion problem – CO 2 drying after HF releaseFeláldozandó réteg kimarása szelektív marással (HF) Sticktion problem – CO 2 drying after HF release Si Si 3 N 4 SiO 2 Au 27

Mérési eredmények az adott architektúra mellett [2] Kontakt erő 25  N 12.5V tápfeszültség mellett Az izoláció 12GHz-n -20dB ( kapacitív csatolás, Si szubsztrát sokat rontana a helyzeten ) Beiktatási csillapítás maximum -1dB Fogyasztás 20…40mW [2] Ye Wang, Zhihong Li, “A micromachined RF microrelay with electrothermal actuation”, 2003 Sensors and Actuators VI. Termomechanikus elven működő MEMS mikrorelék 28

VII. Nanorelék Chalmers University of Technology in Sweden 29 NEMS – Nano Electro-Mechanical System Gate-re adott vezérlő feszültség hatására a karbon szál elhajlik  A kapcsolási sebesség – sec 1…2 GHz kapcsolási frekvencia A karbonszál: 50…100nm, a rés 5nm

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

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

VII. Nanorelék 32 A karakterisztikák

VII. Nanorelék A karakterisztikák

VII. Nanorelék Megvalósított nanocsövek