40_Мехатроника (1002192), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Рис. Катушки индуктивности. L=10~20Hn, Q factor: 50~130
Увеличение коэффициента усиления, рассеяние мощности или наличие фазовых шумов в таких схемах приводит, в свою очередь, к необходимости объединения MEMS-катушек индуктивности на одном кристалле. Применение MEMS-катушки индуктивности даёт выигрыш по усилению на 12 дБ и удвоенное увеличение резонансной частоты.
Рис. СВЧ CMOS-усилитель с подвешенной MEMS-катушкой индуктивности (а), поперечное сечение катушки индуктивности (в) и её характеристики усилителей с удалённым и неудалённым материалом подложки под катушкой индуктивности. (с).
Конденсаторы с изменяемой ёмкостью MEMS - варакторы - могут быть выполнены на основе подвижных элементов (консолей или мембран) в виде планарных или параллельно расположенных пластин или в виде встречно-штыревой планарной структуры.
Рис. Планарные конденсаторы на основе консолей. Такие емкости чувствительны к механическим воздействиям. Малые величины возмущений требуют близкого расположения усилителя.
Для параллельного переменного конденсатора – варактора - диапазон перестройки составляет 150% при изменении напряжения от 0 до 4 В. Для встречно-штыревой структуры диапазон перестройки при изменении напряжения от 2 до 14 В составляет около 200%.
Рис. MEMS-варакторы на основе параллельных пластин и встречно-штыревой структуры с электростатическим управлением. (На протяженных поверхностях выполняется перфорация для релаксации тепловых и механических напряжений).
Рис. Изменение емкости встречно-штыревой структуры достигается градиентом механических напряжений при нагревании. Для реализации эффекта используются биметаллические композиции, сплавы с памятью формы (6/7 Al fingers, 1µm thick, 300µm long, 20µm wide and 5µm spaced).
Рис. Мембранный варактор.
Рис. Схема МЭМС варактора на основе консоли в схеме многослойной керамики.
Рис. Фото консольного МЭМС варактора.
Переключатели. Коммутаторы.
СВЧ MЭMС - коммутаторы формируются на основе варакторов. Сравнение характеристик СВЧ - коммутаторов, выполненных на MESFET-транзисторах, PIN-диодах с использованием MЭMС - технологий. Самым большим недостатком МЭМС коммутаторов является большое время переключения и габариты.
Сравнительная оценка МЭМС переключателей, кремниевых p-i-n диодов и арсенид-галлиевых ПТШ в пассивном включении.
Табл.
| Наименование параметра | МЭМС переключатель | Si p-i-n диод | GaAs ПТШ |
| Время переключения, нсек | 1000 | 1-10 | 0,1 |
| Ток, мкА | 10 | 1000 | 1,0 |
| Напряжение, В | 3-30 | 1-20 | 3-6 |
| Сопротивление в открытом состоянии, Ом | 1-5 | 1-2 | 3-6 |
| Емкость в закрытом состоянии, пф | 0,05-0,2 | 0,05-0,2 | 0,2-0,4 |
| Потери на 3 ГГц, дБ | 0,1 | 0,3 | 0,5 |
| Развязка на 3 ГГц, дБ | 20 | 40 | 30 |
| Коммутируемая мощность, Вт | 0,01-0,1 | 1-100 | 0,1 |
| Граница линейности, дБм | 70 | 40-50 | 30 |
| Параметр | MESFET | PIN-диод | MEMS |
| Последовательное сопротивление, Ом | 3-5 | 1 | < 1 |
| Потери на частоте 1 ГГц, дБ | 0,5 - 1,0 | 0,5 - 1,0 | 0,1 |
| Развязка на частоте 1 ГГц, дБ | 20 - 40 | 40 | > 40 |
| IP3, дБм | 40 - 60 | 30 - 45 | > 66 |
| Точка компрессии усиления по уровню -1 дБ, дБм | 20 - 35 | 25 - 30 | > 33 |
| Габаритные размеры, мм² | 1 - 5 | 0,1 | < 0,1 |
| Время переключения | ~ нс | ~ нс | ~ нс |
| Управляющее напряжение, В | 8 | 3 - 5 | 3 - 30 |
| Ток срабатывания | < 10 мкА | 10 мА | < 10 мкА |
Рис. МЭМС коммутатор (switch), встроенный в копланарную линию передачи. (CPW). Металлический мост (metal bridge) замыкает на землю часть линии передачи.
В арсенал нано- электро- механических систем (НЭМС) входят коммутаторы, использующие контакт многослойных углеродных нанотрубок (МУНТ -MWCNT)
Рис. НЭМС - коммутатор на многослойных углеродных нанотрубках, выращенных на ниобиевых электродах при никелевом катализаторе.
Фазовращатели.
Фазовращатели состоят из каскадно соединенных варакторов (емкостные коммутаторы), инициирующих подключение отрезков линий передачи различной длины по величине требуемого фазового сдвига.
Рис. Плата фазовращателя с мембранным варактором.
А Б
Рис. А - Фазовращатель на отрезках микрополосковой линии передачи.
Б – Выключатель контактного типа.
Резонаторы.
В упругой среде могут распространяться объемные (ОАВ) и поверхностные акустические волны (ПАВ). Для возбуждения объемных волн на пьезоэлектрике формируют пару широких электродов, а для поверхностных волн - несколько пар узких электродов. Для обратного преобразования акустических колебаний в электрические вторая пара электродов для ОАВ располагается на разных сторонах кристалла, а для ПАВ - на одной и той же.
Для объемных волн максимальная амплитуда наблюдается в подэлектродной области и экспоненциально затухает в перпендикулярном направлении. Это позволяет разместить рядом несколько устройств (с определенным коэффициентом связи вблизи и независимые устройства - на удалении). Затухание объемной волны велико, поскольку возбуждается большое число частиц. Дополнительное рассеивание мощности АВ происходит на дефектах, поэтому к материалу звукопровода предъявляются требования идеальной структуры.
Скорость распространения АВ существенно меньше радиоволн и, следовательно, меньше длина волны l (l = V/ f, V - скорость распространения акустического сигнала, f - частота электромагнитных колебаний). АВ эффективно использовать для линий задержки, где требуются тракты со многими l.
2d = 2(a + s)
(а) (б)
Рис. Схема возбуждения объемных (а) и поверхностных волн (б).
Рис. Схема объемного акустического резонатора (ОАР) (bulk acoustic wave - BAW).
Поверхностные акустические волны (ПАВ) распространяются в приповерхностном слое. Вдоль поверхности амплитуда АВ затухает медленно (частицы беспрепятственно сдвигаются наружу), а вглубь - быстро. Толщина слоя распространения d ПАВ (поперечной): d = (1 ...2) l.
| f, МГц | 100 | 1.000 |
| d, мкм | 32 | 3.2 |
Чем меньше l, тем требуется меньше бездефектного материала. В отличие от объемных АВ с ПАВ легко связываться в любом месте поверхности,
можно использовать планарную технологию.
АВ от пьезопреобразователя расходится в 2-х направлениях. Для поглощения ненужной АВ на поверхность кристалла наносят резистивное или другое поглощающее покрытие. Гребенчатые электроды возбуждения ПАВ имеют период
d = a + s,
где а - ширина проводника, s - зазор между разнополярными электродами. При равенстве l = 2 d происходит резонансное синхронное сложение упругих колебаний - акустический синхронизм. Резонансная частота f = V / 2d.
Рис. Пьезорезонаторы на ОАВ (а) и ПАВ (б).
Фильтры характеризуются относительно высокими потерями прямого и обратного электроакустического преобразования. Потери компенсируются усилителем мощности. В случае использования в качестве звукопровода подложки или слоя арсенида галлия (GaAs) усилитель может располагаться в непосредственной близости от преобразователя и формировать компактное устройство.
Фильтры на ПАВ имеют коммерческое применение на частотах от 30 МГц до 3 ГГц. На низких частотах габариты электромагнитных фильтров становятся слишком большими, поэтому вместо них находят применение монолитные фильтры на объемных волнах, выполненные из пьезоэлектрической керамики. На частотах выше 3 ГГц разрешающая способность фотолитографического процесса не реализует размеры фильтров на ПАВ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
