마이크로 웨이프 텀 프로젝트 기존의 MEMS 스위치의 특성 분석 2001-21582 최병두 2004. 6. 21

Contents Raythone Capacitive switch Rockwell DC-Contact Series switch Lincoln Lab. Series switch Summary MEMS switch 특성 분석 Conclusion References

RF MEMS 스위치 직접 접촉 방식의 저항형 스위치 비접촉 방식의 용량형 스위치 원리 원리 접촉부와 전송선 사이에서 금속과 금속의 접촉으로 스위치 동작 비접촉 방식의 용량형 스위치 원리 전송선, 가동 구조물 사이의 정전 용량 변화를 이용 MEMS 스위치를 크게 두가지로 나누는 데 그 중 하나인 직접 접촉식 스위치 입니다. 그림과 같이 신호선이 끈겨있다가 평판이 아래로 내려와 메탈과 접촉해 신호가 흐르게 되는 방식입니다. 이 방식의 가장 큰 문제점은 접촉부에 전류가 흐르기 때문에 용접현상이 일어난다는 것입니다.

Raythone Capacitive Switches[1]

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)

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

Rockwell DC-Contact Series switches[1]

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

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

Lincoln Lab. Series switches[1] Substrate: Silicon (3000 Ohm-cm) Cantilever arm Oxide/Al/Oxide (100/350/100 nm) Oxide: PECVD Al: sputtering Bottom electrode TaN: Buried 200 nm below the switch Size: ~50x50 µm2 DC-contact: platinum-to-platinum

Lincoln Lab. Series switches[7,8] Small Cap. Switch DC. Switch Large Cap. Switch 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)

(N/A but similar device) Summary Raythone Rockwall Lincoln Substrate Silicon GaAs Loss 0.28 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)

MEMS switch 특성 분석 Signal on state Signal off state

MEMS switch 특성 분석 50um 148um 43um Angle a 250um

MEMS switch 특성 분석 변수 a : angle (degree)

MEMS switch 특성 분석 변수 a가 0 degree 일 때 (signal on state),

MEMS switch 특성 분석 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

MEMS switch 특성 분석

Conclusion Lincoln lab. Switch와 구동 전압이 다르게 된 이유 실제 스위치의 경우, cantilever에 curl이 있지만 시뮬레이션에는 없음 Lincoln lab. Switch의 장점 Curl로 인하여 pull-down voltage의 감소 (약 50%) Curl로 인하여 squeeze film damping이 무시 되어 빠른 switching 속도 가능 Reliability의 증가 Lincoln lab. Switch의 단점 Curl 제작의 어려움 시뮬레이션 보완점 Curl이 아니더라도 cantilever를 여러 조각으로 분할

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.