МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ Российский патент 2023 года по МПК B81B7/02 H01P1/10 H01H59/00 

Изобретение касается конструкции микроэлектромеханических систем (МЭМС) и может быть применено в качестве элемента для построения блоков логики и памяти в системах автоматики, а также цифровой информатики и вычислительной техники.

В настоящее время микроэлектромеханические системы (МЭМС) рассматриваются только в качестве внешних устройств, хорошо совмещающихся по технологии с базовыми микроэлектронными устройствами вычислительных машин - процессором, запоминающим устройством и др. (см. например: «Наука за рубежом». Июль, 2012. №15. «Направления развития технологии микроэлектромеханических систем». Ин-т проблем развития науки РАН. www.issras.ru/global science review.).

Основным элементом цифровых вычислительных устройств можно считать управляемый электрическим током, напряжением или зарядом переключатель или «ключ», то есть - устройство, в котором структурный параметр электрической цепи зависит от функционального параметра. Например - электрическая проводимость зависит от тока. Таким свойством, в принципе обладает нелинейный элемент. В нем ток может влиять на структуру электрической цепи, а структура может, в свою очередь, влиять на ток. Таким образом, создаются условия для возникновения обратных связей, при которых, уже чисто математически возможна генерация динамических процессов с эффектами длительной памяти и эволюции. Такими свойствами обладают как механические системы, так и химические и электрические. Такие системы принято называть кибернетическими. Примером химических систем такого рода, т.е. кибернетических систем служат биологические системы. Но их недостатком является малая скорость распространения сигналов. Этого недостатка лишены электрические и оптические системы. Однако в природных оптических системах преобладают линейные элементы, на основе которых не могут быть построены кибернетические системы. В электротехнике же созданы устройства с нелинейными эффектами, достаточными для создания кибернетических систем. Это электровакуумные и полупроводниковые устройства. Учитывая также высокую скорость распространения электрических сигналов, эти устройства создали основу для построения искусственных быстродействующих кибернетических (в частности информационных и вычислительных) систем. Примером простейшей кибернетической системы является триггер. Это электроуправляемый ключ, т.е. элемент с высокой степенью нелинейности, с замкнутым контуром положительной обратной связи. Он обладает свойством бистабильности, т.е. свойством памяти объемом два бита с возможностью электрической записи и считывания. Объединяя триггеры в более сложные системы можно построить логические блоки, арифметическое устройство, запоминающее устройство большой емкости и др. (см. например: <ru.wikipedia.org/wiki/Триггер.>). Другим примером простейшего функционального элемента, который можно построить на основе нелинейных электрических элементов, в частности т.н.з. «ключей», является генератор электромагнитных колебаний, например мультивибратор.

Примерами базовых элементов, обладающих сильным эффектом нелинейности, т.е. ключей или переключателей, на которых строятся кибернетические системы, являются (в исторической последовательности их изобретения): электромагнитное реле, усилитель на вакуумной электронной лампе (триод, пентод и т.д.), полевой транзистор, биполярный транзистор, криотрон и др.

Для создания устройств для обработки информации, вычислений и т.п., ключ или переключатель должен иметь высокое быстродействие, возможность микроминиатюризации, малое энергопотребление и высокую надежность. Указанное сочетание качеств было достигнуто только на этапе появления транзисторов, которые в информационной и вычислительной технике используются в ключевом режиме (т.е. в режиме насыщения). Их широкое применение для обработки больших потоков информации стало возможно в связи с развитием технологии тонких пленок и литографии, обеспечивающей высокопроизводительное автоматическое производство миллионов транзисторов на одном квадратном миллиметре, где они объединены в законченный функциональный блок - интегральную микросхему - большую (БИС) или сверхбольшую (СБИС).

Однако транзисторные СБИС имеют следующие недостатки:

A) Высокое энергопотребление, обусловленное тем, что, в среднем, половину времени большинство транзисторов (в многочисленных триггерах микросхемы) находится под током. При этом, даже в ключевом режиме, имеются омические потери на коллекторах транзисторов и в проводах межсоединений.

Б) Проблема отведения тепла от транзисторной СБИС.

B) Высокие требования к чистоте и качеству структуры материалов, что усложняет производство микросхем.

Г) Нестойкость к перегреву, перенапряжениям и ионизирующим излучениям.

Д) Отсутствие энерго независимости, т.е. потеря информации при отключениях электропитания.

Е) Проблематичность устройства т.н.з. «гальванической развязки» входа с выходом транзисторного ключа, а также между соединяемым между собой транзисторными блоками, т.к. вход и выход у транзистора имеют общий провод, как и у электронной лампы. Это ограничивает возможности схемотехнических решений.

В принципе блоки дискретной автоматики могут быть выполнены и на релейно-контактных устройствах (см. например: «Энциклопедия киберентики», Гл. Ред. Украинской сов. Энциклопедии. Киев 1975. Т. 2. Стр. 293. Статья: «Релейно-контактных схем теория». Наиболее широкое применение в автоматике имеют реле с электромагнитом в качестве двигателя для перемещения контактов. Реле, как и транзистор, выполняют функцию электроуправляемого ключа или переключателя. Примером триггера, построенного с использованием электромагнитного реле, является схема включения асинхронного электродвигателя с «самоподхватом» (см. вышеуказанную статью в Википедии).

Большим преимуществом электромагнитных реле по сравнению с электронными ключами является близкая к идеальной коммутация электрической цепи контактами, а также - возможность обеспечения полной гальванической развязки между информационно связанными блоками и между входами и выходами. Однако электромагнитное реле имеет значительные габариты и токопотребление катушки электромагнита. Это ограничивает возможности их применения в микроэлектронике.

Этот недостаток отсутствует у реле с электростатическим двигателем для перемещения контактов. В качестве примера реле с электростатическим приводом можно назвать «Электростатический МЭМС ключ» по Патенту RU №2541439. Он представляет собой реле, содержащее подвижную и неподвижную пластины, соединенные между собой посредством упруго деформируемых направляющих (консольных балок). На указанных пластинах закреплены электрические контакты и обкладки конденсатора электростатического двигателя. При подаче напряжения между неподвижной и подвижной обкладками конденсатора электростатического двигателя, подвижная пластина притягивается к неподвижной, преодолевая силу упругости указанных упругих направляющих и замыкает или размыкает закрепленные на указанных пластинах электрические контакты. Таким образом, данное устройство выполняет функцию электроуправляемого ключа, аналогичную функции транзисторных ключей, на основе которых строятся элементы логики и памяти цифровых устройств автоматики и вычислительной техники.

Однако, принято считать, что электромеханические устройства не могут рассматриваться в качестве базовых элементов для цифровой вычислительной техники из за недостаточно высокого быстродействия и ограниченной возможности микроминиатюризации. Действительно, в приведенном примере габариты ключа составляют 6-7 миллиметров, а частота переключений, определяемая скоростью распространения звуковой волны в упругой системе, едва может достигать ультразвукового диапазона. Кроме того, для преодоления сил молекулярно притяжения контактов требуется значительная сила упругости направляющих. При этом требуемое напряжение срабатывания переключателя составляет несколько десятков вольт. Т.е. оно превышает порог ионизации газов, что предопределяет эрозионный износ контактов от ионной бомбардировки. Вакуумирование имеет остаточное давление, при котором процессы ионизации газов существенно ограничивают срок службы вакуумных приборов по сравнению с твердотельными приборами. Дополнительная миниатюризация рассматриваемого прототипа позволила бы уменьшить требуемое напряжение. А также позволила бы повысить быстродействие. Однако требуемый, для получения этих результатов, уровень микроминиатюризации, в рамках рассматриваемой конструктивной схемы устройства, технологически проблематичен. Особенно проблематичным является обеспечение требуемых упругих параметров микропружин и достижение требуемого соотношения трех типов сил: электростатических, упругих, и сил межмолекулярного притяжения в условиях ограниченной точности выполнения литографической размерной обработки. Этим обусловлена применимость известных МЭМС переключателей лишь в периферийных устройствах автоматики и цифровой вычислительной техники.

Целью изобретения является создание микроэлектромеханического электростатического переключателя, допускающего более высокий уровень микроминиатюризации на основе существующей технологии с достижением быстродействия, компактности и надежности, позволяющих расширить область их применимости в системах дискретной автоматики и цифровой информационной и вычислительной техники.

Предлагается микроэлектромеханический переключатель, содержащий две пластины - подвижно установленную, и неподвижную, расположенные с зазором между собой и имеющие на своих поверхностях обкладки конденсатора электростатического двигателя, и электрические контакты, выполняющие также функцию упоров, ограничивающих движение пластин в сторону их сближения. Цель изобретения достигается тем, что имеется вторая неподвижная пластина с обкладкой конденсатора электростатического двигателя, расположенная с другой стороны от указанной подвижной пластины, также содержащая электрические контакты, являющиеся также ограничителями сближения указанных пластин. Причем число указанных контактов на каждой из указанных поверхностей подвижной и неподвижных пластин равно трем, и расположены они на каждой поверхности по вершинам невырожденного треугольника, т.е неколинеарно (не на одной прямой).

При таком выполнении устраняется необходимость в упругой силовой связи подвижной пластины с неподвижными, что устраняет проблемы, связанные с формированием гибких упругих связей определенной жесткости, трудно выполнимых в субмикронном масштабе. Кроме того, устранение упругой связи снимает немалую часть нагрузки с электростатических двигателей, которые в данном случае целиком направлены только на преодоление сил молекулярного притяжения между подвижными и неподвижными контактами. Причем, сами молекулярные силы в предлагаемом устройстве выполняют полезную функцию, удерживая замкнутые электрические контакты в замкнутом состоянии, которое сохраняется и после снятия напряжения с обкладок конденсаторов электростатических двигателей. Таким образом, достигнутое состояние контактирования оказывается устойчивым. Т.е. устройство приобретает свойства бистабильного электроуправляемого переключателя, т.е. триггера, способного выполнять функцию элемента энергонезависимой памяти или регистра арифметического устройства. При этом, за за того, что подвижная пластина имеет в каждом из устойчивых положений три (не более и не менее) точки опоры, обеспечивается надежный контакт при пониженной относительной точности выполнения геометрических размеров, а также устраняется влияние деформаций и соотношений различных сил на надежность работы электрических контактов. Этим обеспечивается возможность дополнительной микроминиатюризации устройства с соответствующим повышением быстродействия и снижением напряжения ниже порога ионизации газов. Т.о. повышается надежность и срок службы устройства. Таким образом, расширяются области возможного применения предлагаемого устройства в дискретной автоматике и цифровой информационной и вычислительной технике.

Изобретение поясняется нижеследующим детальным описанием примера выполнения и одиннадцатью фигурами.

На фиг. 1 изображен фрагмент плоской микросхемы, содержащий предлагаемый микроэлектромеханический переключатель - разрез плоскостью А-А, показанной на фиг. 2. Подвижный элемент изображен в том положении, в котором он оказывается непосредственно после изготовления устройства.

На фиг. 2 изображен вид на подвижную пластину сверху (вид по стрелке Б, показанной на фиг. 1).

На фиг. 3 изображен вид на верхнюю неподвижную пластину снизу (вид по срелке В).

На фиг. 4 изображен вид на подвижную пластину снизу (вид по стрелке Г).

Н а фиг. 5 изображен вид на нижнюю неподвижнуюпластину сверху (вид по стрелке Д).

На фиг. 6 схематично показано взаимное расположение контактов на всех трех пластинах.

На фигурах 7 и 8 проиллюстрирован принцип функционирования предлагаемого переключателя. Показаны два устойчивых состояния устройства, как бистабильного элемента.

На фиг. 9 проиллюстрирован вариант возможной электрической схемы внутренних соединений предлагаемого устройства, обеспечивающий гальваническую развязку между входами и выходами, а также показан вариант внешних соединений предлагаемого переключателя с другими подобными переключателями или иными блоками.

На фиг. 10 проиллюстрирован способ изготовления предлагаемого устройства с применением существующей тонкопленочной технологии и литографии.

На фиг. 11 поясняется способ изготовления микроконтактов призматической формы, применяемых в предлагаемом устройстве.

Предлагаемый триггер содержит подвижно установленную пластину 1, соединенную с верхней неподвижной пластиной 2 и с нижней неподвижной пластиной 3 посредством гибких связей 4, блокирующих возможность смещений пластины 1 в своей плоскости. При этом связи 4 не должны оказывать существенного упругого сопротивления движениям пластины 1 по вертикали под действием сил электростатических двигателей и сил молекулярного притяжения, действующих между электрическими контактами. Для этого связи 4 выполняются в виде отдельных узких тонких полосок. При этом указанные гибкие связи могут использоваться одновременно и для выводов 5 от элементов, расположенных на подвижной пластине 1. Чтобы уменьшить паразитные электромагнитные наводки, целесообразно развести выводы 5 подвижной пластины по различным полоскам 4, сделав число их не меньше числа электрических выводов с подвижной пластины. Показано шесть связей в соответствии с шестью выводами с подвижной пластины. Для повышения гибкости, полоски 4 могут иметь форму плоских спиралей.

Подвижная пластина 1 установлена с зазорами относительно неподвижных пластин 2 и 3 и снабжена приводом перемещения по вертикали, выполненным в виде двух электростатических двигателей взаимно противоположного действия, образованными конденсаторами с обкладками 6, 7 и 8, 9, выполненными в виде электропроводящих покрытий на диэлектрических поверхностях указанных пластин. Обкладки 6 и 8 подвижной пластины имеют выводы 10 и 11 (соответственно), конструктивно совмещенные с гибкими элементами 4.

Обкладки 7 и 9 конденсаторов электростатических двигателей, расположенные на неподвижных пластинах 2 и 3, соединяются с внешними цепями, т.е. служат входом устройства. В вырезах обкладок 7 и 9 на неподвижных пластинах 2 и 3 располагаются изолированные от обкладок неподвижные контакты 12, 13 и 14, 15 (соответственно). Они взаимодействуют с контактами 16, 17 и 18, 19 (соответственно) подвижной пластины. Т.о. образуются четыре взаимно изолированные контактные пары. Две из них используются для собственных нужд устройства, а именно, для самоотключения соответствующих входов устройства от источника управляющего напряжения в первый момент начала движения подвижной пластины. Две других контактных пары выполняют функцию двух изолированных выходов устройства Вых. 1 и Вых. 2 (фиг. 9). Кроме того, имеются контакты 20 и 21 (фиг. 2 и 5), которые могут непосредственно входить в контакт с другой обкладкой конденсатора своей стороны, т.е. служат для самозамыкания обкладок конденсаторов в конце хода подвижной пластины. Взаимное расположение контактов на пластинах дополнительно показано на фиг. 6.

На каждой из пластин контакты расположены по вершинам треугольника, т.е. не на одной прямой (неколинеарно). Это необходимо, чтобы контакты осуществляли однозначное позиционирование плоскости подвижной пластины независимо от точности соблюдения геометрических размеров устройства, а также от деформативности отдельных его элементов. Здесь используется то, что три точки однозначно определяют положение плоскости. Т.о. исключается возможность образования люфта и обеспечивается надежный контакт в трех точках при действии любого распределения сил, приложенных в пределах площади, очерчиваемой сторонами треугольника расположения контактов, выполняющих функции ограничителей движения подвижной пластины 1. При этом между подвижной и неподвижной обкладкой всегда должен оставаться небольшой, но гарантированный, зазор, что необходимо, чтобы избежать непреодолимого залипания подвижной обкладки из за сил молекулярного притяжения обкладок, возникающих в случае их соприкосновения по большой площади. Это обеспечивается соответствующей высотой выступания контактов над поверхностью обкладок 6 и 9.

С целью уменьшения силы молекулярного притяжения электрических контактов и соответствующего уменьшения требуемых размеров обкладок электростатических двигателей, т.е. для уменьшения габаритов устройства и повышения зависящего от размеров и массы быстродействия, один из контактов каждой контактной пары выполняется в виде призмы, работающей ребром с максимально возможным заострением. При этом призма у всех контактов ориентирована острым ребром вверх, что диктуется возможностями литографического способа их изготовления.

Два входа устройства Вх. 1 и Вх. 2 (фиг. 9) соединяются с обкладками конденсаторов соответственно верхней и нижней стороны. Причем, это соединение конденсатора каждой из сторон производится через контактную пару, расположенную на противоположной стороне относительно подвижной пластины. То есть - Вх. 1, подключается к верхнему конденсатору через контактную пару 14, 18, расположенную под подвижной пластиной 1, и, наоборот - Вх. 2, расположенный снизу, подключается через контактную пару 12, 16, расположенную сверху.

Функционирует описанное устройство следующим образом.

Перед началом работы следует установить подвижную пластину 1 в определенное положение, т.е. «обнулить» триггер, подавая кратковременно напряжение на клеммы «Уст. 0» (фиг. 9), соединенные с обкладками нижнего конденсатора непосредственно. При этом подвижная пластина займет нижнее положение (фиг. 7). Если пластина 1 уже находится в нижнем положении, то положение ее не изменится, а ток будет ограничен резистором R (фиг. 9).

При подаче напряжения на Вх. 1, подвижная пластина приходит в движение. При этом контактная пара 14, 18, через которую подается напряжение со Вх. 1 на обкладку 6 верхнего конденсатора, сразу размыкается, и дальнейшее движение пластины 1 вверх происходит без связи с источником 22 входного управляющего напряжения. При этом заряд на пластинах верхнего конденсатора сохраняется в процессе движения неизменным, а напряжение уменьшается пропорционально уменьшению величины зазора между обкладками. Это происходит по причине увеличения емкости конденсатора, которая зависит от величины зазора обратно пропорционально. Когда пластина 1 достигнет верхнего положения (фиг. 8) и упрется своими контактами в верхнюю неподвижную пластину 2, все три контактные пары верхней пластины, служащие ограничителем движения, замкнутся, включая и контакт 20 (фиг. 2), который соединится непосредственно с обкладкой 7 конденсатора, замкнув, т.о. верхний конденсатор на коротко. Таким образом, верхний конденсатор разрядится, и действие электростатической силы, которая до этого момента оставалась постоянной, прекратится. Зато, в действие вступят силы молекулярного притяжения всех трех контактных пар, которые удержат пластину 1 в верхнем положении. При этом упругое отскакивание контактов, т.е. т.н.з. дребезг, будет погашен за счет не моментального исчезновения силы электростатического притяжения и рассеяния кинетической энергии при каждом повторном ударе. Для согласования времени затухания дребезга с постоянной времени разрядки конденсатора, требуется выбрать соответствующую величину проводимости обкладки конденсатора и цепи замыкающего контакта 20.

После достижения верхнего положения пластины 1 в действие вступает Вх. 2., а Вх. 1 делается нечувствительным к входным воздействиям (разомкнутым).

Выходная функция предлагаемого устройства состоит в замыкании и размыкании двух контактных пар 13, 17 и 15, 19, которые работают, как взаимно инверсные выходы, что позволяет, при построении логических схем, обходится без специальных инверторов.

Функционирование устройства при поступлении управляющего напряжения на Вх. 2 происходит аналогичным образом. При этом подвижная пластина устанавливается в нижнее из двух устойчивых положений.

Входы и выходы предлагаемого устройства могут подключаться к другим блокам 22, 23, 24 и 25 (фиг. 9) содержащим (например) отдельные источники питания. При этом, в качестве контактных устройств, коммутирующих входные управляющие напряжения, могут выступать выходные контакты устройств, аналогичных предлагаемому устройству. В том числе возможны соединения входов устройства с его же выходами. Таким образом, возможно соединение множества описанных устройств в цепи со сложной топологией, необходимой для реализации функций логики, арифметических устройств, запоминающих устройств и др. При этом возможно образование топологии с циклическими контурами, т.е. устройств не только преобразующих подаваемую на них информацию, но и автономно функционирующих устройств, эволюционирующих и развивающихся, т.е. полноценных кибернетических устройств. При этом электрическая цепь не только выступает преобразователем токов и напряжений, но и может сама себя преобразовывать, т.е. изменять свою топологию, т.е. структуру. Это обеспечивается полной универсальностью возможных соединений без каких либо ограничений, накладываемых обычно гальваническими связями. При использовании ламп или транзисторов это невозможно.

При необходимости, цепи указанных устройств, в частности, могут объединяться общим проводом, например для использования общего источника питания.

Возможности схемотехники, при построении цепей из предлагаемых устройств, ограничиваются только прочностью электрической изоляции из за суммирования напряжений при последовательном соединении и токоограничениями проводников при параллельном соединении.

КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРЕДЛАГАЕМОГО ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЯ

Требуемая сила тяги электростатического двигателя определяется величиной силы молекулярного притяжения суммарной площади контактных пар, которую должен преодолеть электростатический двигатель. Сила молекулярного притяжения определяется величиной диэлектрической постоянной материала обкладок конденсатора на частотах флуктуации виртуального электрического поля в малом зазоре между контактами, составляющем доли нанометра. Поэтому частоты будут соответствовать дальнему ультрафиолету или рентгену. При этом даже металлы в тонких слоях прозрачны и мало отличаются по диэлектрической проницаемости от диэлектриков. Поэтому для оценки силы молекулярного притяжения электропроводящих контактов, по порядку величины, можно использовать расчетное значение молекулярной силы Ван-дер-Ваальса для пластинок слюды, приведенное в. кн.: БАРАШ Ю.С. «Силы Ван-дер-Ваальса», М. Наука, 1988 г. Стр. 267. Поскольку силы молекулярного притяжения обусловлены собственными частоми электромагнитного резонатора, образованного малым(субнанометровым) зазором между контактами, то различие между проводниками и диэлектриками (по диеэлектрической проницаемости) незначительное. Поэтому можно воспользоваться данными из вышеприведенного источника. Согласно этому источнику при расстоянии между пластинами 1 нм силы молекулярного притяжения, оцениваются 500 Н/см²=50 атм.

Предельная напряженность электрического поля в конденсаторе электростатического двигателя ограничивается автоэлектронной эмиссией. (Заметим, что пробой воздушного промежутка не играет роли, когда речь идет о субмикронных расстояниях между электродами.) Так, при напряженности поля 4 10⁹ в/м, расчетная плотность автоэлектронного тока оценивается в 10⁸ А/м², в то время, как при вдвое меньшей напряженности, т.е. 2 10⁹ в/м, плотность тока составляет лишь 5 А/м² (см. К. Шимони «Физическая электроника». М. Энергия, 1977 г. Стр. 329.). Примем последнюю величину, как предельно допустимую для электростатического двигателя. Тогда, если принять размер воздушного промежутка за 3 нм, получим допустимую величину напряжения между подвижной и неподвижной обкладками 2 10⁹ в/м * 3 10^-9 м=6 в.

Примем диаметр окружности обкладки конденсатора за 80 нм, что соответствует современным возможностям электроннолучевой литографии.

Тогда площадь пластины S составит 5000 нм²=5 10^-15 м².

При принятом выше суммарном воздушном зазоре D между обкладками 3 нм=3 10^-9 м, емкость конденсатора электростатического двигателя составит:

С=8,85 10^-12 ф/м * S/D=8,85 10^-12 * 5 10^-15 /3 10^-9=15 10^-18 ф.

Принимая практическую величину напряжения значительно меньше рассчитанной выше предельной величины 6 в, например за 1 вольт (для упрощения расчетов), рассчитаем силу, действующую на обкладку подвижной пластины 1. Для этого сначала вычислим энергию W электрического поля конденсатора

W=С U²/2=15 10^-18 ф * 1² в²/2=7,5 10^-18 Дж.

Сила F определится как работа на единицу пути X, т.е.:

F=W/X=7,5 10^-18/3 10^-9=2,5 10^-9н.

Соответствующее давление электростатических сил на обкладку конденсатора составит

F/S=2,5 10^-9 н/5 10^-15 м²=5 10⁵ н/м²=5 атмосфер.

Выше была приведена оценка плотности сил молекулярного притяжения контактов в 50 атмосфер для зазора между контактами 1 нм. Реальный зазор между замкнутыми контактами оценивается диаметром атомов с учетом адсобционных слоев на поверхности и может быть оценен в 0,3 нм. Учитывая, что давление притяжения вандерваальсовых сил зависит в четвертой степени от расстояния между пластинами, то для 0,3 нм давление сил молекулярного притяжения составит величину в 3⁴=80 раз большую, т.е. 4000 атмосфер. Это в 800 раз больше давления электростатических сил на обкладках конденсатора. Таким образом, для отрыва контактов суммарная эффективная площадь их должна быть по крайней мере в 800 раз меньше площади обкладок, т.е. 5 10^-15 м²/ 800=6,3 10^-18 м², или по 2,1 10^-18 м² на каждый из трех контактов, на которые опирается пластина 1. Таким образом линейные размеры площади касания каждого из контактов в устройстве должны быть около √(2,1 10^-18)=1,4 10^-9=1,4 нм (если считать форму контактной площадки квадратной). Это находится в пределах возможностей электронно-лучевой литографии.

Однако полученная величина может быть увеличена, если применять напряжение, подаваемое на обкладки, более 1 в. При этом сила конденсаторов может быть увеличена в 36 раз при увеличении напряжения до 6 в (вышеприведенная оценка допустимого напряжения). Соответственно, может быть в 36 раз увеличена площадь контакта, т.е. в 6 раз увеличены линейные размеры контакта. Кроме того, конструктивные размеры контактов и без того многократно больше размеров площади фактического контакта, т.к. нужно учитывать криволинейность поверхностей и перекосы. Таким образом, требуемый допуск на точность размерной обработки имеет достаточный запас для выполнения устройства также и с помощью фотолитографии.

Для оценки времени переключения предлагаемого переключателя следует рассчитать ускорение пластины 1 под действием сил электростатического конденсатора. Оно будет тем больше, чем меньше масса пластины 1.

Примем толщину пластины 1 за 1 нм (заметим, что погрешность выполнения размеров по толщине в тонкопленочной технологии определяется не литографией, а напылением, и может достигать диаметра одного атома, т.е. на порядок меньше 1 нм). При толщине пластины 1 нм объем материала пластины 1 составит 5 10^-15 м² * 10^-9 м=5 10^-24 м³, а эффективная масса М (при плотности напыления 1000 кг/м³) составит 5 10^-21 кг.

Ускорение «а» пластины 1 равно F/М=2,5 10^-9 / 5 10^-21=0,5 10¹² м/сек².

Время t переключения определим из формулы для пути X равноускоренного движения, равного 1 нм:

t=√(2Х/а)=√(2*10^-9/0,5 10¹²)=√(4 10^-21)=0,63 10^-10 сек.

Если пренебречь временем зарядки конденсатора перед началом движения, то оценка быстродействия предлагаемого переключателя по числу переключений в секунду составляет, по прядку величины, 16 ГГц, что находится на уровне перспективных транзисторных микроэлектронных переключателей.

Полученная оценка частоты переключений зависит главным образом от суммарной толщины пластины 1, подаваемого на вход напряжения и хода перемещения мембраны. От каждого из этих параметров время переключения зависит корнеквадратично, обеспечивая полный ресурс на увеличение быстродействия до трех крат (т.е. до 50 ГГц, т.е. до миллиметрового диапазона волн (до 6 мм). При этом от планарного масштабирования, т.е. от изменения размеров устройства только в плоскости пластин, быстродействие зависит мало. Зависит только степень интеграции микросхемы. При диаметре пластины 1 80 нм плотность размещения предлагаемых устройств, являющихся по функции триггерами, составит порядка 100 млн./мм². Это верхний предел современной технологии. Если же по технологическим причинам достигнуть диаметра мембраны 80 нм не удается, планарные размеры переключателя можно увеличить в несколько раз. Например при размерах триггера 1 мкм² плотность размещения триггеров составит 1 млн./мм². При этом следует иметь ввиду, что один предлагаемый переключатель эквивалентен по функции нескольким транзисторам. Т.е. по плотности интеграции предлагаемое устройство также не отстает от возможностей транзисторной микроэлектроники.

Для оценки энергопотребления воспользуемся приведенной оценкой энергии конденсатора электростатического двигателя предлагаемого устройства. Энергия конденсатора при рабочем напряжении 1 в составляет 7,5 10^-18 Дж. При частоте переключений 10 ГГц мощность, потребляемая одним переключателем составит 7,5 10^-18 * 10¹⁰=7,5 10^-8 Вт. Умножив эту величину на коэффициент распараллеливания операций получим мощность, потребляемую микросхемой процессора. Если распараллеливание ведется только по числу разрядов, например на 20 двоичных разрядов, то мощность потребляемая арифметическим устройством составит 150 * 10^-8 Вт=1,50 * 10^-6 Вт.

Такая же оценка мощности энергопотребления будет для микросхемы оперативного ЗУ и для видеокарты.

Для сравнения следует заметить, что у транзисторных микросхем приходится выше найденные величины мощности умножать на степень интеграции, т.е. на число транзисторов в СБИС, т.к. в среднем половина транзисторов находится в открытом состоянии, а потери в режиме насыщения соответствуют напряжению порядка 1 В. Например, если в существующих СБИС имеется 100 миллионов транзисторов, то оценка мощности ее энергопотребления (при любом применении) составит 7,5 Вт/2, т.е. в 50 миллионов раз больше, чем у аналогичной СБИС, построенной на основе предлагаемых переключателей. Отвести такую мощность с 1 мм² практически невозможно.

Т.о., в случае построения СБИС на основе предлагаемых переключателей, радикально сокращается энергопотребление, что особенно важно для мобильных устройств, питающихся от батарей. Также снимается проблема теплоотвода, которая ограничивает дальнейшее наращивание быстродействия и степени интеграции СБИС вычислительных и информационных систем.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ РЕАЛИЗАЦИИ

Предлагаемое устройство может быть изготовлено по известной тонкопленочной технологии с применением вакуумного или гальванического нанесения множества тонких слоев материалов, чередующегося с литографией и сухим анизотропным травлением (см. фиг. 5). В качестве исходной подложки целесообразно использовать естественную поверхность кристалла 26 (см. фиг. 10).

Всю толщину следует набирать за счет нескольких слоев, приурочивая их, по возможности, к конструктивным элементам - к границам формируемых пластин и проводников. При этом следует в процессе наслоения не допускать больших отклонений от плоской формы поверхности, производя заполнение протравленных ранее участков, в которых в дальнейшем должны образоваться пустоты, материалом 27, удаляемым по окончании наслоения всех слоев (см. точечную заштриховку). Все пустоты в предлагаемой конструкции сообщаются между собой. Поэтому для удаления пустотообразующих слоев достаточно предусмотреть в конструкции технологические окна 28 в верхней пластине 2. Удаление пустотообразующих материалов может быть произведено растворением в жидкости. Однако применение жидких растворителей может повредить конструкцию капиллярными силами. Особенно это касается тонкопленочных связей 4, которые должны быть дополнительно укреплены вспомогательным материалом 29, удаляемым через окна 28 методом сухого реактивного травления. Альтернативой является применение вакуумной сублимации. Однако это требует значительно большего времени.

Таким образом, можно производить наслоение до сравнительно большой толщины, сохраняя на каждом этапе приблизительную планарность процесса.

Контакты призматической формы с заостренным ребром вверху можно изготовить двух кратным сухим анизотропным травлением косыми потоками ионов или молекул со скосом потока частиц. При этом на первом этапе задается скос в направлении «а», и образуется протяженная пленка 30 (фиг. 11) со скошенным краем. Затем пленку 30 покрывают слоем резиста 31, вырезают окно электронно лучевой литографией, совмещая край окна со скошенным краем пленки 30, и производят повторное анизотропное травление с противоположным направлением скоса «б» потока частиц.

Реализация выше указанных условий изготовления упрощается за счет невысоких требований к химической чистоте и однородности свойств формируемых структур (в отличие от транзисторных микросхем, где химическая структура имеет функциональное значение.

Изобретение относится к области микроэлектромеханических систем (МЭМС), а именно к микроэлектромеханическим переключателям. Технический результат - высокий уровень микроминиатюризации, повышение быстродействия и надежности. Результат достигается тем, что предлагается переключатель, содержащий микроскопический подвижный элемент в виде пластины, расположенной между двумя неподвижными пластинами, на обращенных друг к другу поверхностях указанных пластин расположены обкладки конденсаторов электростатических двигателей и электрические контакты - по три на каждой поверхности, подвижная пластина перемещается под действием напряжения, подаваемого на обкладки указанных конденсаторов, и фиксируется в одном из двух состояний за счет вандерваальсовых сил молекулярного притяжения контактов, выполняя таким образом функцию бистабильного электроуправляемого элемента, т.е. триггера, сохраняющего свое состояние независимо от источника питания. 11 ил.

Микроэлектромеханический переключатель, содержащий две пластины - подвижно установленную и неподвижную, расположенные с зазором между собой и имеющие на своих поверхностях обкладки конденсатора электростатического двигателя и электрические контакты, выполняющие также функцию упоров, ограничивающих движение пластин в сторону их сближения, отличающийся тем, что имеется вторая неподвижная пластина, расположенная с другой стороны от указанной подвижно установленной пластины, имеющая на своей поверхности обкладку конденсатора электростатического двигателя, а также электрические контакты, являющиеся также ограничителями сближения указанных пластин, причем число указанных контактов на каждой из указанных поверхностей подвижной и неподвижных пластин равно трем, и расположены они на каждой поверхности по вершинам невырожденного треугольника, то есть не на одной прямой.