Design, modeling and fabrication of radio-frequency microelectromechanical switches and coplanar filters [Elektronische Ressource] / von Anatoliy Batmanov

Anatoliy Batmanov

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• Publié par: otto-von-guericke-universitat_magdeburg
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 24
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 9 Mo

Extrait

Design, Modeling and Fabrication of Radio-Frequency
Microelectromechanical Switches and Coplanar Filters





Dissertation
zur Erlangung des akademischen Grades



Doktoringenieur
(Dr.-Ing.)



von M. Sc. Anatoliy Batmanov
geb. am 21. Januar 1979 in Stebnyk, Ukraine



genehmigt durch die Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg




Gutachter:
Prof. Dr.-Ing. Edmund P. Burte
Prof. Dr.-Ing. Abbas S. Omar



Promotionskolloquium am: 14 April 2010
Zusammenfassung i
Zusammenfassung

Das Ziel der hier vorgelegten Dissertation waren die Modellierung, der Entwurf, die
Herstellung und die messtechnische Charakterisierung von mikroelektromechanischen
(MEMS) Schaltern sowie koplanaren Filtern für Anwendungen im Hochfrequenzbereich (HF).
Die elektro-mechanische Modellierung und Optimierung von HF MEMS Schaltern mittels
Finite Element Methoden (FEM) wurde untersucht. Dabei wurden zwei verschiedene Ansätze
der Modellierung des elektrostatisch-strukturierten Problems verwendet. Die erste Methode
basiert auf der konsequenten Anwendung eines Kopplungsalgorithmus, wobei die
elektrostatische und die mechanische Problemstellung nacheinander gelöst wurden. Die
zweite Methode benutzte eine reduzierte Ordnung des Modells, bei dem die beiden Probleme
durch Wandlerelemente (transducer elements) beschrieben (gekoppelt) wurden. Die
elektromagnetische Simulationen der HF MEMS Schalter und der HF Filterstrukturen wurden
mit den elektromagnetischen (EM) 3-D Simulatoren durchgeführt.
Neue Designs von kapazitiven und DC-Kontakt MEMS Schaltern mit geringer
Betätigungsspannung (4 V … 13 V) und hoher HF-Performance für die Anwendungen in den
L-, S- und X-Bändern wurden entworfen. Es wurden zwei Methoden zur Erhöhung der
kapazitiven Kopplung und der damit verbunden Verschiebung der Resonanzfrequenz des
kapazitiven MEMS Schalters zu einem tieferen Frequenzbereich hin (0,8 GHz ... 2 GHz)
eingesetzt und optimiert. Ein erster erfolgreicher Lösungsansatz basierte auf der Gestaltung
einer MIM (metal-insulator-metal) Struktur, die auf dem HF-Leiter gegenüber der MEMS
Brückenstruktur angeordnet war. Im Zusammenwirken mit der Top-Elektrode der MIM
Struktur realisierte die Brückenstruktur einen ohmschen Kontakt. Mit einem solchen MEMS
Schalter wurde im Frequenzbereich von 1,5 GHz bis 35 GHz eine Isolation von mehr
als -20 dB erreicht. Darüber hinaus zeigte die neue Geometrie der Brückenstruktur in
Verbindung mit dem Signalleiter eine Einfügungsdämpfung, die bis zu einer Frequenz von
35 GHz nur bei -0,3 dB lag. Im zweiten Lösungsansatz zur kapazitiven Kopplung von RF
Schalterstrukturen finden zum Unterschied zur ersten zwei Kondensatoren ihren Einsatz, die
gegen das Massepotenzial geschaltet sind. Technologisch erfolgte die Herstellung der
Isolationsschicht in der Weise, dass sie mittels Abscheidung einer dielektrischen Schicht auf
der Massefläche aufgesetzt wurde. Dieser MEMS Schalter zeigte auch eine sehr niedrige
Zusammenfassung ii
Einfügungsdämpfung, die für einen erweiterten Durchlassbereich bis zu einer Frequenz von
40 GHz bei -0,8 dB lag und im Frequenzbereich von 0,8 GHz bis 40 GHz eine Isolation, die
unter -20 dB lag, aufwies. Dazu wurde eine neue Methode zur Herstellung einer out-of-plane
Membran vorgeschlagen.
Konventionelle kapazitive MEMS Schalter wurden simuliert und auf hochohmigem
Siliziumsubstrat in CMOS-kompatibler Dünnschicht-MEMS-Technologie hergestellt. Dazu
wurden alle Herstellungsprozesse für die Anforderungen an die Schalter entwickelt und
erprobt. Niedertemperatur ECR-PECVD Prozesse zur Abscheidung der dielektrischen
Schichten aus Siliziumnitrid mit hoher Durchschlagspannung, mit niedriger relativer
dielektrischer Konstante, und mit geringer Oberflächenrauhigkeit wurden entwickelt und
optimiert. Die Trockenätz- sowie Nasschemie-Prozesse zur Strukturierung der eingesetzten
metallischen und dielektrischen Schichten wurden angepasst und optimiert. Die hergestellten
MEMS-Schalter wurden getestet und die Messergebnisse mit den Simulationsergebnissen
verglichen, wobei eine gute Übereinstimmung aufgezeigt werden konnte.
Zusätzlich wurden koplanaren Filterstrukturen entworfen, simuliert und auch hergestellt.
Dazu wurden zwei unterschiedliche Methoden zur Realisierung von Bandpassfiltern (BPF)
eingesetzt. Die erste Methode basierte auf den λ/4 open-stubs Resonatoren, die kapazitiv
gekoppelt sind. Ein anderer Ansatz war eine induktiv Shunt-gekoppelte Struktur, die mittels
Serpentin förmiger shunt-stubs realisiert wurde. Dabei konnte die hohe HF-Performance und
die Kompaktheit von BPF erreicht werden. Die Fraktal-Methode wurde verwendet, um die
Verbesserung der HF-Eigenschaften von konventionellen zweidimensionalen periodischen
rechteckigen DGS (defected ground structure) zu erreichen. Es wurden zwei weitere
Anordnungen der DGS entworfen und untersucht, um die HF-Performance von DGS-
Resonatoren weiter zu verbessern. Dabei wurde die Abhängigkeit der
Ersatzschaltungselemente von den Entwurfsparametern der DGS demonstriert. Um damit
hochwertige koplanare DGS Tiefpassfilter (LPF) entwerfen zu können, wurde die
Kaskadierungsmethode zur Anwendung gebracht. Alle diese theoretischen Ergebnisse
konnten erfolgreich experimentell bestätigt werden.
Als Ausführungsbeispiel für die Anwendung von MEMS-Schaltern wurde ein kompakter,
abstimmbarer HF-MEMS Quasi-DGS Bandpassfilter für den Einsatz im K-Band entworfen.
Die vorgeschlagene Filterstruktur wurde mit dem Ersatzschaltmodell sowie mit dem EM-
Simulator untersucht. Ein derartiges Bandpassfilter kann unter anderem in Automobilen und
in Transceivern seinen Einsatz finden.
Content iii
Content

Zusammenfassung i
Content iii
Physical Symbols and Abbreviations vi
1 Introduction and Basic Considerations 1
1.1 RF MEMS Switches 3
1.1.1 State-Of-The-Art 6
1.1.2 RF MEMS Switch Analytical Modeling 7
1.1.3 MEMS Simulation and Design Tools 14
1.1.4 Fabrication of RF MEMS Switches 15
1.2 CPW Filters 17
1.2.1 CPW Lines and Conventional CPW Filters 17
1.2.2 Defected Ground Structures 18
1.3 Tunable MEMS Filters 21
1.4 Dissertation Objectives and Organisations 22
2 FEM Electromechanical Analysis of Fixed-Fixed Beam
MEMS Switches 26
2.1 Sequential Coupling Algorithm 26
2.2 Lumped or Reduced Order Algorithm 32
2.3 Stress in a Fixed-Fixed Beam 35
2.4 Effect of Residual Stress on the Pull-Down Voltage 37
2.5 Summary 41
3 Design, Modeling and Optimization of Low Actuation-Voltage
RF MEMS Switches 42
3.1 Conventional RF MEMS Switches Operation 42
3.2 Design of H-Shaped Low Actuation-Voltage RF MEMS Switches 44
3.2.1 H-Shaped MEMS Switch Design 44
3.2.2 Electromagnetic and Circuit Simulations