1. 마이크로 웨이프 텀 프로젝트 기존의 MEMS 스위치의 특성 분석
최병두

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

3. 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.

4. Raythone Capacitive Switches[1]

5. 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)

6. Raythone Capacitive Switches[3]
Performance
Loss(dB): 10 GHz, 30 GHz
Isolation(dB): 10 GHz, 30 GHz
Actuation voltage: 50 V
Cap. ratio:
Switching time: 3.5/5.3 µs
Reliability: 500 million cycle

7. Rockwell DC-Contact Series switches[1]

8. 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

9. Rockwell DC-Contact Series switches[3]
Loss(dB): <40 GHz
Isolation(dB): 1 GHz, 40 GHz
Actuation voltage: ~85 V
Switching time: ~10 µs
Reliability: ~100 million cycle
Input resistance: Ohm

10. 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

11. Lincoln Lab. Series switches[7,8]
Small Cap. Switch
DC. Switch
Large Cap. Switch
Loss(dB): GHz
Isolation(dB): 4 GHz, 30 GHz
Actuation voltge: V
Reliablity: 9 billion cycle (N/A but similar device)

12. (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)

13. MEMS switch 특성 분석
Signal on state
Signal off state

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

15. MEMS switch 특성 분석
변수 a : angle (degree)

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

17. 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

18. MEMS switch 특성 분석

19. 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

20. 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 , 1998.
[2] Z. Jamie Yao et al., Micromachined Low-Loss Microwave Switches, J. Micro-electromech. Systems. Vol. 8, No. 2, pp , 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 , 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 , 2000.
[8] Sean Duffy et al., MEMS Microswitches for Reconfigurable Microwave Circuitry, IEEE Microwave and wireless comp. Lett., Vol. 11, No. 3,pp , 2001.