КОМПЛЕМЕНТАРНЫЙ МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ИНВЕРТОР Российский патент 2006 года по МПК H03K19/00 

Изобретение относится к микросистемной технике, а более конкретно к комплементарным микроэлектромеханическим инверторам для пассивных логических микросистем.

Известен класс инверторов, выполненных на основе полевых транзисторов, комплементарных МДП-транзисторов (КМДП), используемых в интегральных логических схемах, схемах памяти и в высокопроизводительных процессорах.

Например, известен элемент с тремя состояниями на КМДП-транзисторах, содержащий элемент И-НЕ, два транзистора р-типа, первый и второй транзисторы n-типа, причем входы элемента И-НЕ являются входными клеммами устройства, а выход соединен с затвором первого транзистора р-типа, исток которого соединен с шиной питания, а сток - с выходной клеммой устройства и со стоком первого транзистора n-типа, исток которого подключен к общей шине, а затвор - к стоку второго транзистора n-типа, исток которого также соединен с общей шиной. Устройство содержит третий транзистор n-типа, сток которого соединен с выходом элемента И-НЕ, исток - со стороны второго транзистора n-типа, а затвор - с одной из входных клемм устройства и с затвором второго транзистора р-типа, исток которого подключен к шине питания, а сток соединен с затвором второго транзистора n-типа и с дополнительным выходом элемента И-НЕ, являющимся общей точкой последовательно соединенных одноименных транзисторов этого элемента (АС СССР №1492467, МПК: Н 03 К 19/094).

Известна парафазная логическая КМОП-схема, содержащая две ячейки на МОП-транзисторах n-типа, реализующие соответственно прямую логическую функцию и ее инверсию, первые выходы которых соединены с инверсным и прямым парафразными шинами схемы соответственно, МОП-транзистор n-типа, исток которого соединен с вторыми выходами ячеек, затвор - с фазовым входом схемы, а сток - с общей шиной, и два МОП-транзистора р-типа, истоки которых соединены с шиной питания, затворы - с фазовым входом схемы, а стоки - с ее прямым и инверсным парафразными выходами соответственно. Устройство содержит также два МОП-транзистора р-типа, истоки которых соединены с шиной питания, затворы - с прямой и инверсной парафазными шинами схемы соответственно, а стоки - с инверсной и прямой парафазными шинами схемы соответственно (АС СССР №1413722, МПК: Н 03 К 19/094).

Наиболее близким к предлагаемому решению является инвертор на взаимодополняющих МДП-транзисторах, содержащий входную шину, соединенную с входом инвертора, шину питания, общую шину, выходную шину, двунаправленный ключ, первый информационный вход которого соединен с входом инвертора, второй информационный вход - с выходной шиной, прямой и инверсный управляющий входы - с входной шиной подложки р- и n-транзисторов двунаправленного ключа соединены соответственно с шиной питания и с общей шиной (АС СССР №1352643, МПК: Н 03 К 19/094).

Общим недостатком этих КМДП инверторов является сравнительно узкий температурный диапазон работы, т.к. они выполнены из полупроводниковых материалов. Кроме того, они обладают низкой радиационной стойкостью.

Задачей изобретения является расширение температурного и радиационного диапазонов работы.

Поставленная задача достигается тем, что в комплементарном инверторе, содержащем расположенные на общей подложке нагрузочный элемент, подключенный к источнику рабочего напряжения, и ключевой элемент, подключенный к источнику питания, электрод для снятия выходного сигнала, согласно предложенному техническому решению, ключевой элемент выполнен электромеханическим и образован двумя консолями из проводящего материала, закрепленными на подложке с противоположных сторон, при этом незакрепленные концы консолей размещены над электродом для снятия выходного сигнала.

Кроме того, нагрузочный элемент имеет изолирующий слой со стороны консолей, которые закреплены на подложке посредством непроводящих подставок.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид устройства при отсутствии рабочего напряжения, на фиг.2 - общий вид устройства в рабочем режиме.

Позициями на чертежах обозначены: 1 - подложка, 2 - нагрузочный элемент, 3 - ключевой элемент, 4 - электрод для снятия выходного сигнала, 5 - источник питания, 6 - источник рабочего напряжения, 7 - изолирующий слой нагрузочного элемента, 8 - непроводящая подставка.

Комплементарный микроэлектромеханический инвертор (КМЭМ-инвертор) содержит расположенный на общей диэлектрической подложке 1 нагрузочный элемент 2, выполненный из проводящего материала, который может иметь верхний непроводящий слой 7 для исключения возможного контакта с ключевым элементом 3. Нагрузочный элемент может иметь различную форму, например С-образную, или может быть разделен на несколько независимых частей, каждая из которых подключена к отдельному источнику рабочего напряжения. На подложке 1 расположены также ключевой элемент 3 и электрод для снятия выходного сигнала 4. При этом ключевой элемент выполнен в виде, по крайней мере, двух консолей, одни концы которых закреплены с противоположных сторон подложки 1, например, через подставки 8, а другие концы расположены над электродом для снятия выходного сигнала 4. Свободные концы консолей расположены над электродом 4 на расстоянии, исключающем их замыкание при отсутствии рабочего напряжения. Консоли подключены к одному или нескольким источникам питания 5.

Устройство работает следующим образом.

Принцип работы заявляемого инвертора аналогичен работе ключа на комплементарных МДП-транзисторах (КМДП). При отсутствии сигнала на входе, т.е. рабочего напряжения, свободный конец консоли 3 замыкается с электродом 4. При подаче на вход схемы рабочего напряжения U свободные концы консолей размыкаются (режим работы инвертора представлен в таблице 1). Данная модель может быть использована для логической операции "НЕ".

Таблица 1режимывходвыходRiR21+U00∞201000

Данная структура обладает рядом основных, положительных свойств КМДП-схемы. Она не потребляет энергии ни в одном из переключенных состояний, логический размах практически не отличается от напряжения питания, сопротивления в состояниях до и после переключения отличаются значительно. Кроме того, данная схема технологически совместима с гибридными и полупроводниковыми интегральными микросхемами.

Известно, что перемещения консоли, вызванное электростатическим взаимодействием, подчиняется следующему уравнению (см. Тимошенко С.П. Сопротивление материалов. Т. 1. - М.: Физматгиз, 1960. - 380 с.):

где Е - модуль Юнга материала консоли,

J - момент инерции площади поперечного сечения консоли,

- диэлектрическая проницаемость среды между консолью и электродами для снятия выходного сигнала,

- электрическая постоянная,

S - площадь пространства, перекрываемого свободным концом консоли и электродами для снятия выходного сигнала,

U - напряжение от источника питания,

a - длина пространства, перекрываемого свободным концом консоли и электрода для снятия выходного сигнала,

d - расстояние между консолью и электродами для снятия выходного сигнала при отсутствии разности потенциалов,

y - вертикальное смещение свободного конца консоли,

x - горизонтальная координата.

Напряжение, при котором происходит замыкание свободного конца консоли с электродом 4, U_on определяется из соотношения:

где , L - длина консоли, b - толщина консоли.

Например, при модуле Юнга консоли 1·10¹⁰ Па, толщине консоли 0.2·10^-7 м, ширине консоли 0.2·10^-7 м, длине консоли 25·10^-6 м, расстоянии между консолью и основанием 0.25·10^-6 м, U_on=0.022 В напряжение, при котором происходит размыкание свободного конца консоли с электродом 4 U_off (напряжение обратного переключения), определяется из соотношения

где dc - толщина изолирующего слоя нагрузочного элемента при dc=0.055·10^-8 м, U_off=0.015 В.

Отношение напряжения включения к напряжению отключения является характеристикой гистерезиса:

Пороговое напряжение, главным образом, зависит от зазора между консолью и основанием и от модуля Юнга. Чем больше модуль Юнга, тем больше требуется подавать напряжения на управляющий электрод для отклонения консоли, но в то же время возникающая сила упругости быстрее возвращает консоль в исходное состояние. При достижении порогового напряжения произойдет "захлопывание" консоли на контакт. В замкнутом положении консоль будет оставаться до тех пор, пока величина напряжения не упадет ниже величины обратного порогового напряжения - явление гистерезиса. Это объясняется тем, что когда консоль находится в закрытом положении, промежуток между консолью и основанием и управляющим электродом меньше, чем пороговое напряжение начального переключения, который меньше 1/3 части от расстояния между консолью и управляющим электродом в разомкнутом состоянии. Выключающее напряжение U_off, то есть напряжение, при котором система возвратится в разомкнутое, исходное состояние, может быть в 1.5-2 раза меньше напряжения включения U_on. Область "памяти" тем больше, чем меньше высота изолирующего слоя 7. Время переключения для заявляемой конструкции ˜2.4·10^-8 секунды.

Заявляемое устройство переключается из диэлектрического в металлическое по проводимости состояние при низких затратах энергии, порядка ˜10^-17 Дж, что приблизительно в 100 раз меньше энергии переключения КМДП транзисторной схемы, что видно из таблицы 2, в которой приведены сравнительные характеристики КМДП-структуры и МЭМС-инвертора.

Таблица 2УстройствоПороговое напряжение, ВВремя переключения, сек.Энергия переключения, ДжКМДП-структура0.3-0.510^-910^-15КМЭМ-инвертор10^-3-10^-210^-810^-17

Изобретение относится к микросистемной технике, а именно к инверторам для пассивных логических микросистем. Технический результат: расширение температурного и радиационного диапазонов работы. Сущность: инвертор содержит расположенные на общей подложке нагрузочный элемент, подключенный к источнику рабочего напряжения, ключевой элемент, подключенный к источнику питания, электрод для снятия выходного сигнала. Ключевой элемент выполнен электромеханическим и образован двумя консолями из проводящего материала, закрепленными на подложке с противоположных сторон. Незакрепленные концы консолей размещены над электродом для снятия выходного сигнала. Подложка выполнена из непроводящего материала. Нагрузочный элемент имеет изолирующий слой со стороны консолей. Консоли закреплены на подложке посредством непроводящих подставок. 2 з.п. ф-лы, 2 табл., 2 ил.

1. Комплементарный инвертор, содержащий расположенные на общей подложке нагрузочный элемент, подключенный к источнику рабочего напряжения, и ключевой элемент, подключенный к источнику питания, электрод для снятия выходного сигнала, отличающийся тем, что ключевой элемент выполнен электромеханическим и образован двумя консолями из проводящего материала, закрепленными на подложке с противоположных сторон, при этом незакрепленные концы консолей размещены над электродом для снятия выходного сигнала, а подложка выполнена из непроводящего материала.2. Комплементарный инвертор по п.1, отличающийся тем, что нагрузочный элемент имеет изолирующий слой со стороны консолей.3. Комплементарный инвертор по п.1, отличающийся тем, что консоли закреплены на подложке посредством непроводящих подставок.