마이크로 웨이프 텀 프로젝트

기존의 MEMS 스위치의 특성 분석

2001-21582 최병두

2004. 6. 21

2June 21, 2004마이크로웨이브 텀프로젝트

Contents

• Raythone Capacitive switch

• Rockwell DC-Contact Series switch

• Lincoln Lab. Series switch

• Summary

• MEMS switch 특성 분석

• Conclusion

• References

3June 21, 2004마이크로웨이브 텀프로젝트

RF MEMS 스위치

RF input RF outputTransmission

LineTransmission

Line

MEMS switch

• 직접 접촉 방식의 저항형 스위치– 원리

• 접촉부와 전송선 사이에서 금속과 금속의 접촉으로 스위치 동작

RF input RF outputTransmission

LineTransmission

Line

MEMS switch

• 비접촉 방식의 용량형 스위치– 원리

• 전송선 , 가동 구조물 사이의 정전 용량 변화를 이용

4June 21, 2004마이크로웨이브 텀프로젝트

Raythone Capacitive Switches[1]

5June 21, 2004마이크로웨이브 텀프로젝트

Raythone Capacitive Switches[2]

• Substrate: high resistivity silicon (>5000 Ohm-cm)• Electrode: tungsten (sputtering, <0.5 µm)• Dielectric: nitride (PECVD, 2000 Å, ε=6.7, 300oC)• T-line (CPW): aluminum (evaporation, 4 µm)• Spacer: PR (spin coating)• Membrane: aluminum alloy (sputtering, <0.5 µm)• Etch Hole: 2x2 µm• Releasing: oxygen plasma etching (100 min)

6June 21, 2004마이크로웨이브 텀프로젝트

Raythone Capacitive Switches[3]Performance

• Loss(dB): 0.15 @ 10 GHz, 0.28 @ 30 GHz

• Isolation(dB): 15 @ 10 GHz, 35 @ 30 GHz

• Actuation voltage: 50 V

• Cap. ratio: 80-120

• Switching time: 3.5/5.3 µs

• Reliability: 500 million cycle

7June 21, 2004마이크로웨이브 텀프로젝트

Rockwell DC-Contact Series switches[1]

8June 21, 2004마이크로웨이브 텀프로젝트

Rockwell DC-Contact Series switches[2]

• Substrate: GaAs

• Cantilever: Oxide (PECVD, 2 µm, 250oC)

• Contact & T-line: Au (evaporation, 1 µm)

• Spacer: Polyimide (highest baking: 250oC)

• Top electrode: aluminum (evaporation, 0.25 µm)

• Releasing: oxygen plasma etching

9June 21, 2004마이크로웨이브 텀프로젝트

Rockwell DC-Contact Series switches[3]

• Loss(dB): ~0.2 @ <40 GHz

• Isolation(dB): -40 @ 1 GHz, -25 @ 40 GHz

• Actuation voltage: ~85 V

• Switching time: ~10 µs

• Reliability: ~100 million cycle

• Input resistance: 0.4-1 Ohm

10June 21, 2004마이크로웨이브 텀프로젝트

Lincoln Lab. Series switches[1]

• Bottom electrode– TaN: Buried 200 nm below the switch

• Size: ~50x50 µm2 • DC-contact: platinum-to-platinum

• Substrate: Silicon (3000 Ohm-cm)• Cantilever arm

• Oxide/Al/Oxide (100/350/100 nm)• Oxide: PECVD• Al: sputtering

11June 21, 2004마이크로웨이브 텀프로젝트

Lincoln Lab. Series switches[7,8]

• Loss(dB): 0.1-0.2 @ 0.1-40 GHz

• Isolation(dB): -40 @ 4 GHz, -22 @ 30 GHz

• Actuation voltge: 30-80 V

• Reliablity: 9 billion cycle (N/A but similar device)

Small Cap. Switch

Large Cap. Switch

DC. Switch

12June 21, 2004마이크로웨이브 텀프로젝트

Summary

Raythone Rockwall

Lincoln

Substrate Silicon GaAs Silicon

Loss 0.28 dB 0.2 dB 0.2 dB

Isolation 35 dB 25dB 22 dB

Actuation Voltage

50 V 85V 80 V

Switching Time

3.5/5.3 µs 10 µs 1 µs

Reliability 500 million 100 million 9 billion(N/A but similar device)

13June 21, 2004마이크로웨이브 텀프로젝트

MEMS switch 특성 분석Signal on state Signal off state

14June 21, 2004마이크로웨이브 텀프로젝트

MEMS switch 특성 분석

50um

148um43um

250um

Angle a

15June 21, 2004마이크로웨이브 텀프로젝트

MEMS switch 특성 분석변수 a : angle (degree)

16June 21, 2004마이크로웨이브 텀프로젝트

MEMS switch 특성 분석변수 a 가 0 degree 일 때 (signal on state),

17June 21, 2004마이크로웨이브 텀프로젝트

MEMS switch 특성 분석

)(4

2

r

de t

g

AVF

3

3

3

3

312

1212

L

Etw

L

twE

L

EIk

kxF

z

r

gL

Etwt

g

AV

FF

r

d

re

3

32

)(4

Fe: electrostatic force

Fr: restoring force

A: area

V: actuation voltage

g: gap

td: dielectric thickness

E: young’s modulus

Iz: z axis inertia

t: cantilever thickness

w: cantilever width

18June 21, 2004마이크로웨이브 텀프로젝트

MEMS switch 특성 분석

gap- voltage

020406080

100120140160

4.30E-05

3.80E-05

3.30E-05

2.80E-05

2.30E-05

gap [m]

volta

ge [

V]

1계열

voltage 141.426 124.986 108.546 92.10606 75.66607gap 4.30E- 05 3.80E- 05 3.30E- 05 2.80E- 05 2.30E- 05

19June 21, 2004마이크로웨이브 텀프로젝트

Conclusion

• Lincoln lab. Switch 와 구동 전압이 다르게 된 이유– 실제 스위치의 경우 , cantilever 에 curl 이 있지만 시뮬레이션에는

없음

• Lincoln lab. Switch 의 장점– Curl 로 인하여 pull-down voltage 의 감소 ( 약 50%)– Curl 로 인하여 squeeze film damping 이 무시 되어 빠른

switching 속도 가능– Reliability 의 증가

• Lincoln lab. Switch 의 단점– Curl 제작의 어려움

• 시뮬레이션 보완점– Curl 이 아니더라도 cantilever 를 여러 조각으로 분할

20June 21, 2004마이크로웨이브 텀프로젝트

References

[1] Charles L. Goldsmith et al., Performance of Low-Loss RF MEMS Capacitive Switches, IEEE Microwave and guided wave lett., Vol. 8, No. 8, pp. 269-271, 1998.

[2] Z. Jamie Yao et al., Micromachined Low-Loss Microwave Switches, J. Micro-electromech. Systems. Vol. 8, No. 2, pp. 129-134, 1999.

[3] J. Jason Yao et al., A Surface Micromachined Miniature Switch for Telecom-munications Applications with Signal Frequencies from DC up to 4 GHz, 8th Int’l Conf. Solid-State Sonsors and Actuators, pp. 384-387, 1995.

[4] R. E. Mihailovich, MEM Relay for Reconfigurable RF Circuits, IEEE Microwave and wireless comp. Lett., Vol. 11, No. 2, pp.53-55, 2001.

[5] P. Zavracky et al., Micromechanical Switches Fabricated Using Nickel Surface Micromachining, J. Microelectromech. Systems. Vol. 6, No. 1, pp. 3-9, 1997.

[6] Sumit Majumder et al., Study of contacts in an electrostatically actuated microswitch, Sensors and Actuators, Vol 93, pp.19-26, 2001.

[7] C. Bozler et al., MEMS Microswitch arrays for reconfigurable distributed microwave components, 2000 IEEE MTT-S Digest, pp. 153-156, 2000.

[8] Sean Duffy et al., MEMS Microswitches for Reconfigurable Microwave Circuitry, IEEE Microwave and wireless comp. Lett., Vol. 11, No. 3,pp.106-108, 2001.