Предлагаемое изобретение относится к области микросистемной техники и может быть использовано в интегральной радиоэлектронике, в частности, в современных антенных, телекоммуникационных и радарных устройствах, устройствах наземной и спутниковый радиосвязи, устройствах лабораторного, тестового и испытательного оборудования для целей коммутации высокочастотных радиосигналов по линиям передачи.
Известен интегральный высокочастотный микроэлектромеханический переключатель емкостного принципа коммутации с высоким коэффициентом емкости [Charles L. Goldsmith, Zhimin Yao, Susan Eshelman, David Denniston, Performance of Low-Loss RF MEMS Capacitive Switches, IEEE Microwave and Guided Wave Letters, Vol. 8, No. 8, 1998, p. 269, fig. 1, fig 2], который содержит подложку, выполненную из диэлектрического материала, с расположенным на ней высокочастотным копланарным волноводом, выполненным из проводящего металлического материала, образованный центральным проводником, представляющим собой проводник линии передачи радиосигнала, и двумя заземляющими проводниками, расположенными симметрично с некоторым зазором по левую и правую сторону относительного центрального проводника, нижний неподвижный электрод электростатического привода, выполненный из проводящего металлического материала, расположенный непосредственно на проводнике линии передачи радиосигнала высокочастотного копланарного волновода, тонкий диэлектрический слой, расположенный на поверхности нижнего неподвижного электрода электростатического привода, подвешенный подвижный электрод электростатического привода, выполненный в виде пластины из проводящего металлического материала, расположенный с некоторым воздушным зазором относительно тонкого диэлектрического слоя, имеющий сквозные перфорационные отверстия по всей площади, закрепленный симметрично по левой и правой стороне посредством двух опорно-якорных элементов конструкции, выполненных из проводящего металлического материала, которые расположены непосредственно на заземляющих проводниках высокочастотного копланарного волновода, при этом подвешенный подвижный электрод электростатического привода образует с нижним неподвижным электродом электростатического привода и тонким диэлектрическим слоем управляющий плоский тонкопленочный конденсатор переменной емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл, емкость которого изменяется при электростатической активации электростатического привода, который образован подвешенным подвижным электродом электростатического привода и нижним неподвижным электродом электростатического привода.
Данный интегральный высокочастотный микроэлектромеханический переключатель емкостного принципа коммутации с высоким коэффициентом емкости позволяет коммутировать высокочастотные радиосигналы в диапазоне частот от 9 ГГц до 40 ГГц с малыми вносимыми потерями в открытом состоянии переключателя, малым вносимым сопротивлением и высокой изоляцией в закрытом состоянии на высоких частотах, не хуже 
20 дБ в диапазоне частот от 15 ГГц до 40 ГГц с величиной коэффициента емкости в диапазоне от 80 до 110 при постоянном управляющем напряжении для электростатической активации переключателя в пределах 50 В.
Признаками аналога, совпадающими с существующими признаками, являются подложка, выполненная из диэлектрического материала, высокочастотный копланарный волновод, нижний неподвижный электрод электростатического привода, выполненные из проводящего металлического материала, тонкий диэлектрический слой, расположенный на поверхности нижнего неподвижного электрода электростатического привода, подвешенный подвижный электрод электростатического привода, выполненный виде пластины из проводящего металлического материала, имеющий сквозные перфорационные отверстия по всей площади, опорно-якорные элементы конструкции, выполненные из проводящего металлического материала, которые расположены на соответствующих заземляющих проводниках высокочастотного копланарного волновода, плоский тонкопленочный конденсатор переменной емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл.
Недостатком данной конструкции интегрального высокочастотного микроэлектромеханического переключателя емкостного принципа коммутации с высоким коэффициентом емкости является высокая величина постоянного управляющего напряжения, предназначенного для электростатической активации и приведения в движение в вертикальной плоскости, а также притяжения подвешенного подвижного электрода электростатического привода к нижнему неподвижному электроду электростатического привода, что является следствием высокой механической жесткости подвешенного подвижного электрода электростатического привода, обусловленная отсутствием в конструкции переключателя подвешенных упругих элементов подвеса, выполненных из проводящего металлического материала, низкая линейность и добротность, низкий коэффициент качества конструкции переключателя и длительное время операции перехода переключателя в закрытое состояние при электростатической активации и подаче постоянного управляющего напряжения на нижний неподвижный электрод электростатического привода, а также операции открытия при отключении подачи постоянного управляющего напряжения на нижний неподвижный электрод электростатического привода, низкая величина емкости образованного управляющего плоского тонкопленочного конденсатора переменной емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл, а также низкий результирующий коэффициент емкости переключателя, что приводит к снижению линейности и электромагнитных характеристик переключателя в открытом и закрытом состоянии в эффективном рабочем диапазоне частот и на центральной резонансной частоте, а также сводит к минимуму возможности подстройки эффективного рабочего диапазона частот и центральной резонансной частоты, невозможности проектирования переключателя с малыми массогабаритными характеристиками, отсутствие в конструкции переключателя индуктивных выемок, расположенных в плоскости заземляющих проводников и в плоскости центрального проводника линии передачи радиосигнала высокочастотного копланарного волновода, что также позволило бы проводить более детальную подстройку эффективного рабочего диапазона частот и центральной резонансной частоты на этапах проектирования переключателя, отсутствие в конструкции переключателя предусмотренных контактных площадок, выполненных из проводящего металлического материала, обеспечивающих возможность монтажа переключателя в специализированный высокочастотный корпус и его интеграцию в радиоэлектронные устройства, отсутствие в конструкции переключателя изолирующих пассивационных слоев, выполненных из диэлектрического материала, предназначенных для развязки постоянного управляющего напряжения от коммутируемого высокочастотного радиосигнала, конструктивные проблемы низкой надежности, выраженные в неполным, локальном или вовсе отсутствующем контакте между подвижным электродом электростатического привода и тонким диэлектрическим слоем, расположенным на поверхности нижнего неподвижного электрода электростатического привода, при электростатической активации и переводе переключателя в закрытое состояние по причине высокой шероховатости поверхности тонкого диэлектрического слоя, что является следствием несовершенства технологического процесса изготовления либо неверным подбором материала диэлектрического слоя, что также приводит к низкой емкости образованного управляющего плоского тонкопленочного конденсатора переменной емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл, а соответственно к низкой величине коэффициента емкости и негативному изменению, отклонению электромагнитных характеристик переключателя от заданных при его проектировании, конструктивные проблемы низкой отказоустойчивости, выраженные в возникающем явлении прилипания подвешенного подвижного электрода электростатического привода к тонкому диэлектрического слою, расположенному на поверхности нижнего неподвижного электрода электростатического привода, при электростатической активации и удержании подвешенного подвижного электрода электростатического привода в нижнем положении при отсутствии подаваемого постоянного управляющего напряжения на нижний неподвижный электрод электростатического привода, что вызвано инжекцией зарядов на поверхность и в объем тонкого диэлектрического слоя, приводящее к значительному снижению добротности данного переключателя, а также в связи с этим высокой плотностью электрического тока, протекающего через тонкий диэлектрический слой и внезапной разностью потенциалов между двумя точками, что, как правило, приводит к необратимому разрушению тонкого диэлектрического слоя, который образует управляющий плоский тонкопленочный конденсатор переменной емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл, который начинает вести себя как проводник.
Функциональным аналогом заявленного объекта является интегральный высокочастотный микроэлектромеханический переключатель емкостного принципа коммутации с высоким коэффициентом емкости [Jae Y. Park, Geun H. Kim, Ki W. Chung, Jong U. Bu, Fully Integrated Micromachined Capacitive Switches for RF Applications, IEEE MTT-S Digest, 2000, p. 284, fig. 3-5] содержащий подложку, выполненную из диэлектрического материала, с расположенным на ней высокочастотным копланарным волноводом, выполненным из проводящего металлического материала, образованный центральным проводником, представляющим собой проводник линии передачи радиосигнала, и двумя заземляющими проводниками, расположенными симметрично с некоторым зазором по левую и правую сторону относительного центрального проводника, нижний неподвижный электрод электростатического привода, выполненный из проводящего металлического материала, расположенный непосредственно на проводнике линии передачи радиосигнала высокочастотного копланарного волновода, тонкий диэлектрический слой, расположенный на поверхности нижнего неподвижного электрода электростатического привода, подвешенный подвижный электрод электростатического привода, выполненный в виде пластины из проводящего металлического материала, расположенный с некоторым воздушным зазором относительно тонкого диэлектрического слоя, который симметрично крепится по левой и правой стороне посредством двух подвешенных упругих элементов подвеса в форме меандра, выполненных из проводящего металлического материала, при этом каждый из двух подвешенных упругих элементов подвеса симметрично крепится к соответствующему опорно-якорному элементу конструкции, выполненному из проводящего металлического материала, который расположен непосредственно на соответствующем заземляющем проводнике высокочастотного копланарного волновода, при этом подвешенный подвижный электрод электростатического привода образует с нижним неподвижным электродом электростатического привода и тонким диэлектрическим слоем управляющий плоский тонкопленочный конденсатор переменной емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл, емкость которого изменяется при электростатической активации электростатического привода, который образован подвешенным подвижным электродом электростатического привода и нижним неподвижным электродом электростатического привода.
Данный интегральный высокочастотный микроэлектромеханический переключатель емкостного принципа коммутации с высоким коэффициентом емкости позволяет коммутировать высокочастотные радиосигналы в диапазоне частот от 1 ГГц до 16 ГГц с малыми вносимыми потерями до 0.08 дБ на частоте до 10 ГГц в открытом состоянии переключателя, изоляцией 42 дБ в закрытом состоянии на центральной резонансной частоте 5 ГГц и изоляцией не хуже 30 дБ в диапазоне частот от 5 ГГц до 16 ГГц с величиной коэффициента емкости равной 600 при постоянном управляющем напряжении для электростатической активации переключателя в пределах 25 В.
Признаками аналога, совпадающими с существующими признаками, являются подложка, выполненная из диэлектрического материала, высокочастотный копланарный волновод, нижний неподвижный электрод электростатического привода, выполненные из проводящего металлического материала, тонкий диэлектрический слой, расположенный на поверхности нижнего неподвижного электрода электростатического привода, подвешенный подвижный электрод электростатического привода, выполненный в виде пластины из проводящего металлического материала, подвешенные упругие элементы подвеса, выполненные из проводящего металлического материала, которые крепятся к подвешенному подвижному электроду электростатического привода и к опорно-якорным элементам конструкции, выполненным из проводящего металлического материала, которые расположены на соответствующих заземляющих проводниках высокочастотного копланарного волновода, плоский тонкопленочный конденсатор переменной емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл.
Недостатком данной конструкции интегрального высокочастотного микроэлектромеханического переключателя емкостного принципа коммутации с высоким коэффициентом емкости является высокая величина постоянного управляющего напряжения, предназначенного для электростатической активации, приведения в движение в вертикальной плоскости, а также притяжения подвешенного подвижного электрода электростатического привода к нижнему неподвижному электроду электростатического привода, что является следствием высокой механической жесткости подвешенного подвижного электрода электростатического привода, обусловленная высокой величиной коэффициента жесткости, примененных подвешенных упругих элементов подвеса, выполненных из проводящего металлического материала, низкая линейность и добротность, низкий коэффициент качества конструкции переключателя и длительное время операции перехода переключателя в закрытое состояние при электростатической активации и подаче постоянного управляющего напряжения на нижний неподвижный электрод электростатического привода, а также операции открытия при отключении подачи постоянного управляющего напряжения на нижний неподвижный электрод электростатического привода, низкая величина емкости образованного управляющего плоского тонкопленочного конденсатора переменной емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл, а также низкий результирующий коэффициент емкости переключателя, что приводит к снижению линейности и электромагнитных характеристик переключателя в открытом и закрытом состоянии в эффективном рабочем диапазоне частот и на центральной резонансной частоте, а также сводит к минимуму возможности подстройки эффективного рабочего диапазона частот и центральной резонансной частоты, невозможности проектирования переключателя с малыми массогабаритными характеристиками, отсутствие в конструкции переключателя индуктивных выемок, а именно, в плоскости заземляющих проводников и в плоскости центрального проводника линии передачи радиосигнала высокочастотного копланарного волновода, что позволило бы проводить более детальную подстройку эффективного рабочего диапазона частот и центральной резонансной частоты на этапе проектирования переключателя, отсутствие в конструкции переключателя предусмотренных контактных площадок, выполненных из проводящего металлического материала, обеспечивающих возможность монтажа переключателя в специализированный высокочастотный корпус и его интеграцию в радиоэлектронные устройства, отсутствие в конструкции переключателя изолирующих пассивационных слоев, выполненных из диэлектрического материала, предназначенных для развязки постоянного управляющего напряжения от коммутируемого высокочастотного радиосигнала, конструктивные проблемы низкой надежности, выраженные в отсутствии в подвешенном подвижном электроде электростатического привода, выполненном в виде пластины из проводящего металлического материала, сквозных перфорационных отверстий, что также приводит к снижению коэффициента качества конструкции переключателя и длительному времени операции перехода переключателя в закрытое состояние при электростатической активации и подаче постоянного управляющего напряжения на нижний неподвижный электрод электростатического привода, а также операции открытия при отключении подачи постоянного управляющего напряжения на нижний неподвижный электрод электростатического привода по причине высокой величины коэффициента изотермического и термоупругого демпфирования, кроме того, низкая толщина подвешенного подвижного электрода электростатического привода и отсутствие в его конструкции сквозных перфорационных отверстий влияет на величину остаточных термомеханических напряжений, возникающих на этапах технологического процесса изготовления конструкции переключателя, оказывающих влияние на механическую резонансную частоту подвешенного подвижного электрода электростатического привода, а также служит причиной различного вида механических деформаций пластины подвешенного подвижного электрода электростатического привода, таких как изгибы, сжатие, коробление, что является причиной неполного, локального перемещения подвешенного подвижного электрода электростатического привода к нижнему неподвижному электроду электростатического привода при электростатической активации и переводе переключателя в закрытое состояние, что в свою очередь является причиной неполного, локального или вовсе отсутствующего контакта между подвижным электродом электростатического привода и тонким диэлектрическим слоем, расположенным на поверхности нижнего неподвижного электрода электростатического привода, приводящее к низкой величине емкости образованного управляющего плоского тонкопленочного конденсатора переменной емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл, а также к низкой величине коэффициента емкости, смещению эффективного рабочего диапазона частот, центральной резонансной частоты и электромагнитных характеристик переключателя от заданных при его проектировании, конструктивные проблемы низкой отказоустойчивости, выраженные в высокой шероховатости поверхности тонкого диэлектрического слоя по причине несовершенства технологического процесса изготовления либо по причине неверного подбора материала диэлектрического слоя, что также приводит к низкой величине емкости образованного управляющего плоского тонкопленочного конденсатора переменной емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл, а соответственно к низкой величине коэффициента емкости и негативному изменению, отклонению электромагнитных характеристик переключателя от заданных при его проектировании, конструктивные проблемы низкой отказоустойчивости, выраженные в возникающем явлении прилипания подвешенного подвижного электрода электростатического привода к тонкому диэлектрическому слою, расположенному на поверхности нижнего неподвижного электрода электростатического привода, при электростатической активации и удержании подвешенного подвижного электрода электростатического привода в нижнем положении при отсутствии подаваемого постоянного управляющего напряжения на нижний неподвижный электрод электростатического привода, что вызвано инжекцией зарядов на поверхность и в объем тонкого диэлектрического слоя, приводящее к значительному снижению добротности данного переключателя, а также в связи с этим высокой плотностью электрического тока, протекающего через тонкий диэлектрический слой и внезапной разностью потенциалов между двумя точками, что, как правило, приводит к необратимому разрушению тонкого диэлектрического слоя, который образует управляющий плоский тонкопленочный конденсатор переменной емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл, который начинает вести себя как проводник.
Из известных наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является интегральный высокочастотный микроэлектромеханический переключатель емкостного принципа коммутации с высоким коэффициентом емкости [Johnson Taye, Koushik Guha, Srimanta Baishya, Design and Analysis of RF MEMS Shunt Capacitive Switch for Low Actuation Voltage & High Capacitance Ratio, Springer: Physics of Semiconductor Devices, Environmental Science and Engineering, 2014, p. 446, fig. 1-3], содержащий подложку, выполненную из диэлектрического материала, с расположенным на ней высокочастотным копланарным волноводом, выполненным из проводящего металлического материала, образованный центральным проводником, представляющим собой проводник линии передачи радиосигнала, и двумя заземляющими проводниками, расположенными симметрично с некоторым зазором по левую и правую сторону относительного центрального проводника, нижний неподвижный электрод электростатического привода, выполненный из проводящего металлического материала, расположенный непосредственно на проводнике линии передачи радиосигнала высокочастотного копланарного волновода, тонкий диэлектрический слой, расположенный на поверхности нижнего неподвижного электрода электростатического привода, подвешенный подвижный электрод электростатического привода, выполненный в виде пластины из проводящего металлического материала, расположенный с некоторым воздушным зазором относительно тонкого диэлектрического слоя, который симметрично крепится по левой и правой стороны посредством двух пар подвешенных упругих элементов подвеса в форме последовательного соединения двух меандров, выполненных из проводящего металлического материала, при этом каждая из двух пар подвешенных упругих элементов подвеса симметрично крепится к соответствующей паре опорно-якорных элементов конструкции, выполненных из проводящего металлического материала, которые расположены на соответствующих заземляющих проводниках высокочастотного копланарного волновода, при этом подвешенный подвижный электрод электростатического привода образует с нижним неподвижным электродом электростатического привода и тонким диэлектрическим слоем управляющий плоский тонкопленочный конденсатор переменной емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл, емкость которого изменяется при электростатической активации электростатического привода, который образован подвешенным подвижным электродом электростатического привода и нижним неподвижным электродом электростатического привода.
Данный интегральный высокочастотный микроэлектромеханический переключатель емкостного принципа коммутации с высоким коэффициентом емкости позволяет коммутировать радиочастотные сигналы в диапазоне частот от 5 ГГц до 40 ГГц с вносимыми потерями до 
1.65 дБ на частотах до 40 ГГц в открытом состоянии переключателя, изоляцией не хуже 40 дБ в закрытом состоянии в диапазоне частот от 10 ГГц до 20 ГГц и изоляцией 50 дБ на центральной резонансной частоте 25 ГГц с величиной коэффициента емкости до 117 при постоянном управляющем напряжении для электростатической активации переключателя до 10 В, что зависит от количества последовательно соединенных меандров в конструкции подвешенных упругих элементов подвеса.
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками, являются подложка, выполненная из диэлектрического материала, высокочастотный копланарный волновод, нижний неподвижный электрод электростатического привода, выполненные из проводящего металлического материала, тонкий диэлектрический слой, расположенный на поверхности нижнего неподвижного электрода электростатического привода, подвешенный подвижный электрод электростатического привода, выполненный в виде пластины из проводящего металлического материала, две пары подвешенных упругих элементов подвеса, которые симметрично крепятся к соответствующей левой и правой стороне подвешенного подвижного электрода электростатического привода, выполненные из проводящего металлического материала, а также крепятся к соответствующей паре опорно-якорных элементов конструкции, выполненных из проводящего металлического материала, которые расположены непосредственно на заземляющих проводниках высокочастотного копланарного волновода, плоский тонкопленочный конденсатор переменной емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл.
Недостатком данной конструкции интегрального высокочастотного микроэлектромеханического переключателя емкостного принципа коммутации с высоким коэффициентом емкости является высокая величина постоянного управляющего напряжения, предназначенного для электростатической активации, приведения в движение в вертикальной плоскости, а также притяжения подвешенного подвижного электрода электростатического привода к нижнему неподвижному электроду электростатического привода, что является следствием высокой механической жесткости подвешенного подвижного электрода электростатического привода, обусловленная высокой величиной коэффициента жесткости, примененных подвешенных упругих элементов подвеса, низкий коэффициент качества конструкции переключателя и длительное время операции перехода переключателя в закрытое состояние при электростатической активации и подаче постоянного управляющего напряжения на нижний неподвижный электрод электростатического привода, а также операции открытия при отключении подачи постоянного управляющего напряжения на нижний неподвижный электрод электростатического привода, низкая величина емкости образованного управляющего плоского тонкопленочного конденсатора переменной емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл, а также низкий результирующий коэффициент емкости переключателя, что приводит к снижению добротности, линейности и электромагнитных характеристик переключателя в открытом и закрытом состоянии в эффективном рабочем диапазоне частот и на центральной резонансной частоте, а также сводит к минимуму возможности подстройки эффективного рабочего диапазона частот и центральной резонансной частоты, невозможности проектирования переключателя с малыми массогабаритными характеристиками, отсутствие в конструкции переключателя индуктивных выемок, расположенных в плоскости заземляющих проводников и в плоскости центрального проводника линии передачи радиосигнала высокочастотного копланарного волновода, что также позволило бы проводить более детальную подстройку эффективного рабочего диапазона частот и центральной резонансной частоты на этапе проектирования переключателя, отсутствие в конструкции переключателя предусмотренных контактных площадок, выполненных из проводящего металлического материала, обеспечивающих возможность монтажа переключателя в специализированный высокочастотный корпус и его интеграцию в радиоэлектронные устройства, отсутствие в конструкции переключателя изолирующих пассивационных слоев, выполненных из диэлектрического материала, предназначенных для развязки постоянного управляющего напряжения от коммутируемого высокочастотного радиосигнала, конструктивные проблемы низкой надежности, выраженные в отсутствии в подвешенном подвижном электроде электростатического привода, выполненном в виде пластины, сквозных перфорационных отверстий, что также приводит к снижению коэффициента качества конструкции переключателя и длительному времени операции перехода переключателя в закрытое состояние при электростатической активации и подаче постоянного управляющего напряжения на нижний неподвижный электрод электростатического привода, а также операции открытия при отключении подачи постоянного управляющего напряжения на нижний неподвижный электрод электростатического привода по причине высокой величины коэффициента изотермического и термоупругого демпфирования, кроме того, низкая толщина подвешенного подвижного электрода электростатического привода и отсутствие в его конструкции сквозных перфорационных отверстий, влияющих на рост величины остаточных термомеханических напряжений, возникающих на этапах технологического процесса изготовления конструкции переключателя, оказывающие влияние на механическую резонансную частоту подвешенного подвижного электрода электростатического привода, а также служит причиной различного вида механических деформаций пластины подвешенного подвижного электрода электростатического привода, таких как изгибы, сжатие, коробление, что является причиной неполного, локального перемещения подвешенного подвижного электрода электростатического привода к нижнему неподвижному электроду электростатического привода при электростатической активации и переводе переключателя в закрытое состояние, что в свою очередь является причиной неполного, локального или вовсе отсутствующего контакта между подвешенным подвижным электродом электростатического привода и тонким диэлектрическим слоем, расположенным на поверхности нижнего неподвижного электрода электростатического привода, приводящее к низкой емкости образованного управляющего плоского тонкопленочного конденсатора переменной емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл, а также к низкой величине коэффициента емкости, смещению эффективного рабочего диапазона частот и центральной резонансной частоты, электромагнитных характеристик переключателя от заданных при его проектировании, конструктивные проблемы низкой отказоустойчивости, выраженные в высокой шероховатости поверхности тонкого диэлектрического слоя по причине несовершенства технологического процесса изготовления либо по причине неверного подбора материала диэлектрического слоя, что также приводит к низкой величине емкости образованного управляющего плоского тонкопленочного конденсатора переменной емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл, а соответственно к низкой величине коэффициента емкости и негативному изменению, отклонению электромагнитных характеристик переключателя от заданных при его проектировании, конструктивные проблемы низкой отказоустойчивости, выраженные в возникающем явлении прилипания подвешенного подвижного электрода электростатического привода к тонкому диэлектрическому слою, расположенному на поверхности нижнего неподвижного электрода электростатического привода, при электростатической активации и удержании подвешенного подвижного электрода электростатического привода в нижнем положении при отсутствии постоянного управляющего напряжения на нижний неподвижный электрод электростатического привода, что вызвано инжекцией зарядов на поверхность и в объем тонкого диэлектрического слоя, приводящее к значительному снижению добротности данного переключателя, а также в связи с этим высокой плотностью электрического тока, протекающего через тонкий диэлектрический слой и внезапной разностью потенциалов между двумя точками, что, как правило, приводит к необратимому разрушению тонкого диэлектрического слоя, который образует управляющий плоский тонкопленочный конденсатор переменной емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл, который начинает вести себя как проводник.
Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого изобретения, заключается в возможности коммутации высокочастотных радиосигналов с эффективным диапазоном частот в области S-диапазона частот, а именно, в диапазоне частот от 2 ГГц до 4 ГГц с центральной резонансной частотой 3,6 ГГц, величиной вносимых потерь в открытом состоянии переключателя не хуже 0.05 дБ на центральной резонансной частоте 3.6 ГГц, изоляцией в закрытом состоянии переключателя не хуже 43 дБ на центральной резонансной частоте 3,6 ГГц с величиной вносимого контактного сопротивления не более 0,15 Ом, с высокой добротностью и линейностью, высоким коэффициентом качества конструкции переключателя, высоким коэффициентом емкости переключателя - 14900, при малой площади пластины подвешенного подвижного электрода электростатического привода, малой толщине диэлектрического слоя и малой величине воздушного зазора между ними, что также позволяет снизить электромеханические и массогабаритные характеристики переключателя, проводить более детальную подстройку эффективного рабочего диапазона частот и центральной резонансной частоты на этапе проектирования переключателя, с низкой величиной постоянного управляющего напряжения 3,5 В для электростатической активации переключателя, что совместимо с интегральной радиоэлектроникой, в частности, с современными антенными, телекоммуникационными и радарными устройствами, устройствами наземной и спутниковый радиосвязи, с высокими динамическими характеристиками, а именно, малым временем необходимым на совершение цикла операции закрытие и открытие переключателя в 6,25 мкс и 3,2 мкс соответственно.
Для достижения необходимого технического результата в интегральный высокочастотный микроэлектромеханический переключатель емкостного принципа коммутации с высоким коэффициентом емкости, содержащий подложку, выполненную из диэлектрического материала, с расположенным на ней высокочастотным копланарным волноводом, выполненным из проводящего металлического материала, образованным центральным проводником, представляющим собой проводник линии передачи радиосигнала, и двумя заземляющими проводниками, расположенными симметрично с некоторым зазором по левую и правую сторону относительного центрального проводника, введены подвешенный подвижный электрод электростатического привода, выполненный в виде пластины из проводящего металлического материала, разделенный на левую и правую область электростатической активации, которые соединены между собой перемычкой, выполненной из проводящего металлического материала, расположенный с некоторым воздушным зазором и симметрично по левую и правую сторону относительно проводника линии передачи радиосигнала высокочастотного копланарного волновода, две пары подвешенных упругих элементов подвеса зигзагообразной формы, выполненные из проводящего металлического материала, характеризующиеся низкой величиной коэффициента жесткости, что позволяет существенно снизить величину постоянного управляющего напряжения, при этом одна пара подвешенных упругих элементов подвеса крепиться к левой области электростатической активации подвешенного подвижного электрода электростатического привода, а другая пара подвешенных упругих элементов подвеса крепиться к правой области электростатической активации подвешенного подвижного электрода электростатического привода, симметрично по левую и правую сторону подвешенного подвижного электрода электростатического привода, две пары опорно-якорных элементов конструкции, выполненные из проводящего металлического материала, которые расположены на левом и правом заземляющем проводнике высокочастотного копланарного волновода относительно проводника линии передачи радиосигнала, к которым крепится соответствующая пара подвешенных упругих элементов подвеса зигзагообразной формы, нижний неподвижный электрод электростатического привода, выполненный из проводящего металлического материала, разделенный на левую и правой область электростатической активации, которые расположены симметрично с зазором по левую и правую сторону относительно проводника линии передачи радиосигнала высокочастотного копланарного волновода, а также симметрично с некоторым воздушным зазором под левой и правой областью электростатической активации подвешенного подвижного электрода электростатического привода, тонкие пассивационные слои, выполненные из диэлектрического материала, которые нанесены на поверхность левой и правой области электростатической активации нижнего неподвижного электрода электростатического привода, предназначенные для исключения контакта по всей площади левой и правой области электростатической активации подвешенного подвижного электрода электростатического привода с соответствующими левой и правой областью электростатической активации нижнего неподвижного электрода электростатического привода, два плоских тонкопленочных конденсатора переменной емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл, образованные левой и правой областью электростатической активации нижнего неподвижного электрода электростатического привода, тонкими пассивационными слоями, расположенные на их поверхности, а также левой и правой областью электростатической активации подвешенного подвижного электрода электростатического привода, сквозные перфорационные отверстия в пластине подвешенного подвижного электрода электростатического привода, имеющие круглый профиль определенного диаметра и расположенные с определенным шагом по всей площади пластины, что позволяет снизить величину коэффициента изотермического и термоупругого демпфирования, повысить динамические характеристики переключателя, а также существенно снизить величину остаточных термомеханических напряжений, возникающих на этапах технологического процесса изготовления конструкции переключателя, оказывающих влияние на величину механической резонансной частоты подвешенного подвижного электрода электростатического привода, служащих причиной различного вида механических деформаций пластины подвешенного подвижного электрода электростатического привода, таких как изгибы, сжатие, коробление, что также может являться причиной негативного изменения механических характеристик переключателя, являясь причиной неполного, локального перемещения подвешенного подвижного электрода электростатического привода к нижнему неподвижному электроду электростатического привода при электростатической активации и переводе переключателя в закрытое состояние, что в свою очередь является причиной неполного, локального или вовсе отсутствующего контакта между левой и правой областью электростатической активации подвижного электрода электростатического привода и тонкими пассивационными слоями, расположенными на поверхности левой и правой области электростатической активации нижнего неподвижного электрода электростатического привода, что приводит к низкой величине емкости образованных плоских тонкопленочных конденсаторов переменной емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл, а также к низкой величине коэффициента емкости и смещению эффективного рабочего диапазона частот, центральной резонансной частоты и электромагнитных характеристик переключателя от заданных при его проектировании, основной управляющий плоский тонкопленочный конденсатор постоянной высокой емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл, который образован нанесенным локально с определенной топологической конфигурацией тонким диэлектрическим слоем с высокой диэлектрической проницаемостью на поверхность проводника линии передачи радиосигнала высокочастотного копланарного волновода, нанесенным на его поверхность дополнительным проводящим металлическим слоем, что позволяет существенно повысить величину коэффициента емкости переключателя, а также исключить конструктивные причины неполного или локального контакта между левой и правой областью электростатической активации подвижного электрода электростатического привода и тонкими пассивационными слоями, расположенными на поверхности левой и правой области электростатической активации нижнего неподвижного электрода электростатического привода при электростатической активации и переводе переключателя в закрытое состояние по причине высокой шероховатости поверхности тонкого пассивационного слоя, что является следствием несовершенства технологического процесса изготовления либо неверным подбором материала диэлектрического слоя, что приводит к низкой величине емкости образованных плоских тонкопленочных конденсаторов переменной емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл, а соответственно к снижению величины коэффициента емкости и негативному изменению, отклонению электромагнитных характеристик переключателя от заданных при его проектировании, кроме того, предоставляя возможность проектировать переключатель с малой площадью пластины подвешенного подвижного электрода электростатического привода, малой толщиной диэлектрического слоя основного управляющего конденсатора и малой величиной воздушного зазора между ними, что также позволяет повысить электромеханические и снизить массогабаритные характеристики переключателя, также формируется разница в соосности некоторых элементов конструкции переключателя, которая заключается в разнице толщин слоев, а именно, толщина слоев, образованная левой и правой областью электростатической активации нижнего неподвижного электрода электростатического привода и тонкими пассивационными слоями на их поверхности, меньше, чем толщина слоев, образованная проводником линии передачи радиосигнала высокочастотного копланарного волновода, тонким диэлектрическим слоем с высокой диэлектрической проницаемостью и дополнительным проводящим металлическим слоем на его поверхности, так что в закрытом состоянии переключателя соединительная перемычка подвешенного подвижного электрода электростатического привода в полной мере контактирует лишь с поверхностью дополнительного проводящего металлического слоя, исключая проблему возникающего явления прилипания левой и/или правой области электростатической активации подвешенного подвижного электрода электростатического привода к тонким пассивационным слоям при электростатической активации переключателя, что вызвано инжекцией зарядов на поверхность и в объем тонкого пассивационного слоя, третий плоский тонкопленочный конденсатор переменной емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл, образованный соединительной перемычкой подвешенного подвижного электрода электростатического привода, дополнительным проводящим металлическим слоем и воздушным зазором между ними, индуктивные выемки в плоскости заземляющих проводников и плоскости центрального проводника линии передачи радиосигнала высокочастотного копланарного волновода, что позволяет проводить более детальную подстройку эффективного рабочего диапазона частот, а также центральной резонансной частоты на этапе проектирования переключателя, две контактные площадки, выполненные из проводящего металлического материала, расположенные в выемках плоскостей заземляющих проводников, симметрично по левую и правую сторону относительно проводника линии передачи радиосигнала высокочастотного копланарного волновода, проводниковые металлические соединения, нанесенные на подложку, которые имеют непосредственное электрическое соединение каждой из двух контактных площадок с соответствующей левой и правой областью электростатической активации нижнего неподвижного электрода электростатического привода, что обеспечивает возможность монтажа переключателя в специализированный высокочастотный корпус и его интеграцию в радиоэлектронные устройства, тонкие пассивационные слои, выполненные из диэлектрического материала, нанесенные на поверхность проводниковых металлических соединений, предназначенные для электрической изоляции проводниковых металлических соединений от соответствующих заземляющих проводников высокочастотного копланарного волновода, а именно, электрической развязки постоянного управляющего напряжения от коммутируемого высокочастотного радиосигнала.
Сравнивая предлагаемое устройство с прототипом, видим, что оно содержит новые признаки, то есть соответствует критерию новизны. Проводя сравнение с аналогами, приходим к выводу, что предлагаемое устройство соответствует критерию «существенные отличия», так как в аналогах не обнаружены предъявляемые новые признаки.
На фиг. 1 приведена топология предлагаемого интегрального высокочастотного микроэлектромеханического переключателя емкостного принципа коммутации с высоким коэффициентом емкости и показано сечение в двух плоскостях А-А, Б-Б. На фиг. 2 А) и фиг. 2 Б) приведено сечение в плоскостях А-А, Б-Б предлагаемого интегрального высокочастотного микроэлектромеханического переключателя емкостного принципа коммутации с высоким коэффициентом емкости. На фиг. 3 А) и фиг. 3 Б) приведена топология и основные элементы предлагаемого интегрального высокочастотного микроэлектромеханического переключателя емкостного принципа коммутации с высоким коэффициентом емкости. На фиг. 4 А) и фиг. 4 Б) приведено сечение в плоскости Б-Б и принцип работы предлагаемого интегрального высокочастотного микроэлектромеханического переключателя емкостного принципа коммутации с высоким коэффициентом емкости. На фиг. 5 А) и фиг. 5 Б) приведено сечение в плоскости Б-Б и принцип работы торсионного механизма возврата подвешенного подвижного электрода электростатического привода, в случае возникновения явления прилипания областей электростатической активации подвешенного подвижного электрода электростатического привода к тонким пассивационным слоям на поверхности областей электростатической активации нижнего неподвижного электрода электростатического привода.
Интегральный высокочастотный микроэлектромеханический переключатель емкостного принципа коммутации с высоким коэффициентом емкости (фиг. 1, фиг. 2 А), фиг. 2 Б), фиг. 3 А), фиг. 3 Б)) содержит подложку 1, выполненную из диэлектрического материала, с расположенными на ней центральным проводником, представляющим собой проводник линии передачи радиосигнала 2, и двумя заземляющими проводниками 3, 4, расположенными симметрично с некоторым зазором по левую и правую сторону относительного центрального проводника линии передачи радиосигнала 2, выполненные из проводящего металлического материала, образующие высокочастотный копланарный волновод 5, подвешенный подвижный электрод электростатического привода 6, выполненный в виде пластины из проводящего металлического материала, разделенный на левую и правую область электростатической активации 7, 8, которые расположены с некоторым воздушным зазором и симметрично по левую и правую сторону относительно проводника линии передачи радиосигнала 2 высокочастотного копланарного волновода 5, соединенные между собой перемычкой 9, выполненной из проводящего металлического материала, две пары подвешенных упругих элементов подвеса зигзагообразной формы 10, 11, выполненные из проводящего металлического материала, при этом одна пара подвешенных упругих элементов подвеса зигзагообразной формы 10 крепиться к левой области электростатической активации 7 подвешенного подвижного электрода электростатического привода 6, а другая пара подвешенных упругих элементов подвеса зигзагообразной формы крепиться к правой области электростатической активации 8 подвешенного подвижного электрода электростатического привода 6, симметрично по левую и правую сторону подвешенного подвижного электрода электростатического привода 6, две пары опорно-якорных элементов конструкции 12, 13, выполненные из проводящего металлического материала, которые расположены на левом и правом заземляющем проводнике 3, 4 высокочастотного копланарного волновода 5 относительно проводника линии передачи радиосигнала 2, к которым крепится соответствующая пара подвешенных упругих элементов подвеса зигзагообразной формы 10, 11, нижний неподвижный электрод электростатического привода 14, выполненный из проводящего металлического материала, разделенный на левую и правой область электростатической активации 15, 16, которые расположены симметрично с зазором по левую и правую сторону относительно проводника линии передачи радиосигнала 2 высокочастотного копланарного волновода 5, а также симметрично с некоторым воздушным зазором 17, 18 под левой и правой областью электростатической активации 7, 8 подвешенного подвижного электрода электростатического привода 6, тонкие пассивационные слои 19, 20, выполненные из диэлектрического материала, которые нанесены на поверхность левой и правой области электростатической активации 15, 16 нижнего неподвижного электрода электростатического привода 14, два плоских тонкопленочных конденсатора переменной емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл 21, 22, образованные левой и правой областью электростатической активации 15, 16 нижнего неподвижного электрода электростатического привода 14, тонкими пассивационными слоями 19, 20, расположенные на их поверхности, а также левой и правой областью электростатической активации 7, 8 подвешенного подвижного электрода электростатического привода 6, сквозные перфорационные отверстия 23 в пластине подвешенного подвижного электрода электростатического привода 6, имеющие круглый профиль определенного диаметра и расположенные с определенным шагом по всей площади пластины, основной управляющий плоский тонкопленочный конденсатор постоянной высокой емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл 24, который образован нанесенным локально с определенной топологической конфигурацией тонким диэлектрическим слоем с высокой диэлектрической проницаемостью 25 на поверхность проводника линии передачи радиосигнала 2 высокочастотного копланарного волновода 5, нанесенным на его поверхность дополнительным проводящим металлическим слоем 26, третий плоский тонкопленочный конденсатор переменной емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл 27, образованный соединительной перемычкой 9 подвешенного подвижного электрода электростатического привода 6, дополнительным проводящим металлическим слоем 26 и воздушным зазором 28 между ними, индуктивные выемки 29, 30, 31, 32 в плоскости заземляющих проводников 3, 4 и плоскости центрального проводника линии передачи радиосигнала 2 высокочастотного копланарного волновода 5, две контактные площадки 33, 34, выполненные из проводящего металлического материала, расположенные в выемках плоскости заземляющих проводников 3, 4, симметрично по левую и правую сторону относительно проводника линии передачи радиосигнала 2 высокочастотного копланарного волновода 5, проводниковые металлические соединения 35, 36, нанесенные на подложку 1, которые имеют непосредственное электрическое соединение с каждой из двух контактных площадок 33, 34 с соответствующей левой и правой областью электростатической активации 15, 16 нижнего неподвижного электрода электростатического привода 14, тонкие пассивационные слои 37, 38, выполненные из диэлектрического материала, нанесенные на поверхность проводникового металлического соединения 35, 36, предназначенные для электрической изоляции проводниковых металлических соединений 35, 36 от соответствующих заземляющих проводников 3, 4 высокочастотного копланарного волновода 5, а именно, электрической развязки постоянного управляющего напряжения от коммутируемого высокочастотного радиосигнала.
Предлагаемое изобретение не ограничено лишь интегральным высокочастотным микроэлектромеханическим переключателем емкостного принципа коммутации с высоким коэффициентом емкости с контактами металл-диэлектрик-металл, оно может быть использовано для создания омических интегральных высокочастотных микроэлектромеханических переключателей с резистивным принципом коммутации с контактами металл-металл. В интегральных высокочастотных микроэлектромеханических переключателях с резистивным контактом согласно предлагаемому изобретению отсутствует тонкий диэлектрический слой с высокой диэлектрической проницаемостью 25, нанесенный локально с определенной топологической конфигурацией на поверхность проводника линии передачи радиосигнала 2 высокочастотного копланарного волновода 5, а также дополнительный металлический слой 26, нанесенный на поверхность тонкого диэлектрического слоя с высокой диэлектрической проницаемостью 26, при этом в проводнике линии передачи радиосигнала 2 высокочастотного копланарного волновода 5 сформирован разрыв, образующий две отстоящие друг от друга части проводника линии передачи радиосигнала 2 высокочастотного копланарного волновода 5, выполненные из проводящего металлического материала, так что при отсутствии постоянного управляющего напряжения переключатель находится в закрытом состоянии и высокочастотный радиосигнал не передается с входа на выход проводника линии передачи радиосигнала 2 высокочастотного копланарного волновода 5, соединительная перемычка 9 подвешенного подвижного электрода электростатического привода 6, выполненная в виде пластины из проводящего металлического материала, предназначена для создания в закрытом состоянии переключателя при его электростатической активации замыкания или непосредственного электрического соединения между двумя отстоящими друг от друга частями проводника линии передачи радиосигнала 2 высокочастотного копланарного волновода 5, переводя переключатель в открытое состояние, что в таком случае позволяет высокочастотному радиосигналу передаваться с входа на выход проводника линии передачи радиосигнала 2 высокочастотного копланарного волновода 5.
Работает устройство следующим образом.
Интегральный высокочастотный микроэлектромеханический переключатель емкостного принципа коммутации с высоким коэффициентом емкости работает как цифровой перестраиваемый конденсатор с двумя устойчивыми состояниями, при этом разность потенциалов постоянного управляющего напряжения (фиг. 4 А)), приложена к контактным площадкам 33, 34 и одной из двух пар опорно-якорных элементов конструкции 12, 13, так что положительный потенциал постоянного управляющего напряжения прикладывается к контактным площадкам 33, 34, расположенным в выемках плоскости заземляющих проводников 3, 4 симметрично по левую и правую сторону относительно проводника линии передачи радиосигнала 2 высокочастотного копланарного волновода 5, имеющие непосредственное проводниковое металлическое соединение 35, 36 с левой и правой областью электростатической активации 15, 16 нижнего неподвижного электрода электростатического привода 14 по левой и правой стороне относительно проводника линии передачи радиосигнала 2 высокочастотного копланарного волновода 5, а отрицательный потенциал постоянного управляющего напряжения прикладывается к одной из двух пар опорно-якорных элементов конструкции 12, 13, которые расположены на левом и правом заземляющем проводнике 3, 4 высокочастотного копланарного волновода 5 относительно проводника линии передачи радиосигнала 2, что приводит к электростатической активации и возникновению силы электростатического взаимодействиями между левой и правой областью электростатической активации 7, 8 подвешенного подвижного электрода электростатического привода 6 и левой и правой областью электростатической активации 15, 16 нижнего неподвижного электрода электростатического привода 14 соответственно, при этом возникшая сила электростатического взаимодействия уравновешивается механической силой упругости, которая зависит от величины результирующего коэффициента жесткости двух пар подвешенных упругих элементов подвеса зигзагообразной формы 10, 11, к тому же баланс сил электростатического притяжения и механической силы упругости действует до тех пор, пока механическая сила упругости, являющаяся линейной функцией, может компенсировать рост величины силы электростатического притяжения, которая изменяется по квадратичному закону, что приводит к тому, что в некоторый момент времени рост величины механической силы упругости не может компенсировать и уравновесить рост величины силы электростатического притяжения, вызывая перемещение левой и правой области электростатической активации 7, 8 подвешенного подвижного электрода электростатического привода 6 в вертикальной плоскости, в результате чего каждая из составных частей 7, 8, 9 подвешенного подвижного электрода электростатического привода 6 перемещается в нижнее фиксированное положение, что приводит к росту величины емкости плоских тонкопленочных конденсаторов переменной емкости 21, 22, 27 с обкладками металл-диэлектрик-металл, а также росту величины коэффициента емкости и результирующей величины емкости переключателя, включающую величину емкости основного управляющего плоского тонкопленочного конденсатора постоянной высокой емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл 24, в результате чего высокая величина емкости, описанных конденсаторных структур, препятствует прохождению высокочастотного радиосигнала с входа на выход проводника линии передачи радиосигнала 2 высокочастотного копланарного волновода 5. Данное состояние переключателя считается закрытым.
При этом за счет нанесения дополнительного проводящего металлического слоя 26 на поверхность тонкого диэлектрического слоя с высокой диэлектрической проницаемостью 25 достигается разность в соосности некоторых элементов конструкции переключателя, заключающаяся в разнице толщин слоев, а именно, толщина слоев, образованная левой и правой областью электростатической активации 15, 16 нижнего неподвижного электрода электростатического привода 14, тонкими пассивационными слоями 19, 20 на их поверхности, меньше, чем толщина слоев, образованная проводником линии передачи радиосигнала 2 высокочастотного копланарного волновода 5, тонким диэлектрическим слоем с высокой диэлектрической проницаемостью 25 и дополнительный проводящий металлическим слой 26 на его поверхности, так что в закрытом состоянии переключателя соединительная перемычка 9 подвешенного подвижного электрода электростатического привода 6 в полной мере контактирует лишь с поверхностью дополнительного проводящего металлического слоя 26, исключая проблему возникающего явления прилипания левой и/или правой области электростатической активации 7, 8 подвешенного подвижного электрода электростатического привода 6 к тонким пассивационным слоям 19, 20 при электростатической активации переключателя, что вызвано инжекцией зарядов на поверхность и в объем тонких пассивационных слоев 19, 20, что также позволяет существенно повысить надежность и отказоустойчивость высокочастотных микроэлектромеханических переключателей с емкостным типом контакта.
В случае отключения подаваемого постоянного управляющего напряжения, а именно, разности потенциалов (фиг. 4 Б)), приложенной к контактным площадкам 33, 34 одной из двух пар опорно-якорных элементов конструкции 12, 13, так что положительный потенциал постоянного управляющего напряжения прикладывается к контактным площадкам 33, 34, расположенным в выемках плоскости заземляющих проводников 3, 4 симметрично по левую и правую сторону относительно проводника линии передачи радиосигнала 2 высокочастотного копланарного волновода 5, имеющие непосредственное проводниковое металлическое соединение 35, 36 с левой и правой областью электростатической активации 15, 16 нижнего неподвижного электрода электростатического привода 14 по левой и правой стороне относительно проводника линии передачи радиосигнала 2 высокочастотного копланарного волновода 5, а отрицательный потенциал постоянного управляющего напряжения прикладывается к одной из двух пар опорно-якорных элементов конструкции 12, 13, которые расположены на левом и правом заземляющем проводнике 3, 4 высокочастотного копланарного волновода 5 относительно проводника линии передачи радиосигнала 2, приводящее к тому, что подвешенный подвижный электрод электростатического привода 6, а именно, левая и правая область электростатической активации 7, 8, соединительная перемычка 9, возвращаются в исходное (нейтральное) положение за счет действия механической силы упругости двух пар подвешенных упругих элементов подвеса зигзагообразной формы 10, 11. Данное состояние переключателя считается открытым.
Подстройка заданной рабочей полосы частот (фиг. 3 А), фиг. 3 Б)), центральной резонансной частоты и основных электромагнитных характеристик в предлагаемом интегральном высокочастотном микроэлектромеханическом переключателе емкостного принципа коммутации с высоким коэффициентом емкости возможна за счет различных конфигураций индуктивных выемок 29, 30 в плоскости заземляющих проводников 3, 4 высокочастотного копланарного волновода 5, а также индуктивных выемок 31, 32 в плоскости проводника линии передачи радиосигнала 2 высокочастотного копланарного волновода 5, а также за счет различных топологический конфигураций основного управляющего плоского тонкопленочного конденсатора постоянной высокой емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл 24 на этапах проектирования переключателя, при этом использование в качестве материала тонкого диэлектрического слоя с высокой диэлектрической проницаемостью 25 диэлектрических материалов с высокой диэлектрической проницаемостью позволяет проектировать переключатель с крайне малыми массогабаритными характеристиками при малой площади пластины подвешенного подвижного электрода электростатического привода 6, малой толщине тонкого диэлектрического слоя с высокой диэлектрической проницаемостью 26 и малой величине воздушного зазора 17, 18, 28 между левой и правой областью электростатической активации 7, 8 подвешенного подвижного электрода электростатического привода 6 и тонкими пассивационными слоями 19, 20, нанесенными на поверхность левой и правой области электростатической активации 15, 16 нижнего неподвижного электрода электростатического привода 14, а также между соединительной перемычка 9 подвешенного подвижного электрода электростатического привода 6 и дополнительным проводящим металлическим слоем 26, что также позволяет повысить электромеханические характеристики переключателя.
Использование нижнего неподвижного электрода электростатического привода 14, состоящего из двух разделенных левой и правой области электростатической активации 15, 16, расположенных симметрично с зазором по левую и правую сторону относительно проводника линии передачи радиосигнала 2 высокочастотного копланарного волновода 5, а также симметрично с некоторым воздушным зазором 17, 18 под левой и правой областью электростатической активации 7, 8 подвешенного подвижного электрода электростатического привода 6, позволяет реализовать дополнительный, работающий на изгиб, торсионный механизм возврата подвешенного подвижного электрода электростатического привода 6, в случае возникновения явления прилипания подвижного электрода электростатического привода 6, а именно, левой или правой области электростатической активации 7, 8 к тонким пассивационным слоям 19, 20, нанесенным на поверхность левой и правой области электростатической активации 15, 16 нижнего неподвижного электрода электростатического привода 14, путем попеременной подачи постоянного управляющего напряжения на левую и правую область электростатической активации 15, 16 нижнего неподвижного электрода электростатического привода 14, так что, подаваемое постоянное управляющее напряжение на левую область электростатической активации 15 нижнего неподвижного электрода электростатического привода 14 (фиг. 5 А)) приводит к электростатическому притяжению левой области электростатической активации 7 подвешенного подвижного электрода электростатического привода 6, вызывая рост величины механической силы упругости и величины механических напряжений в правой области электростатической активации 8 подвешенного подвижного электрода электростатического привода 6, позволяя осуществить освобождение правой области 8 электростатической активации подвешенного подвижного электрода электростатического привода 6, и наоборот, подаваемое постоянное управляющее напряжение на правую область электростатической активации 16 нижнего неподвижного электрода электростатического привода 14 (фиг. 5 Б)) приводит к электростатическому притяжению правой области электростатической активации 8 подвешенного подвижного электрода электростатического привода 6, вызывая рост величины механической силы упругости и величины механических напряжений в левой области электростатической активации 7 подвешенного подвижного электрода электростатического привода 6, позволяя осуществить освобождение левой области электростатической активации 7 подвешенного подвижного электрода электростатического привода 6, что позволяет повысить надежность и отказоустойчивость переключателя.
В закрытом состоянии высокочастотного микроэлектромеханического переключателя емкостного принципа коммутации с высоким коэффициентом емкости не существует опасности взаимодействия между электростатическими силами, используемыми для перемещения подвешенного подвижного электрода электростатического привода 6 в вертикальной плоскости в определённое положение и высокочастотным радиосигналом, передаваемым по проводнику линии передача радиосигнала 2 копланарного волновода 5, благодаря использованию тонких пассивационных слоев 37, 38, выполненных из диэлектрического материала, нанесенных на поверхность проводникового металлического соединения 35, 36, имеющие непосредственный электрический контакт между каждой из двух контактных площадок 33, 34, в выемках плоскостей заземляющих проводников 3, 4 симметрично по левую и правую сторону относительно проводника линии передачи радиосигнала 2 высокочастотного копланарного волновода 5, а также с левой и правой областью электростатической активации 15, 16 нижнего неподвижного электрода электростатического привода 14, предназначенные для электрической изоляции проводниковых металлических соединений 35, 36 от соответствующих заземляющих проводников 3, 4 высокочастотного копланарного волновода 5, а именно, электрической развязки постоянного управляющего напряжения от коммутируемого высокочастотного радиосигнала.
Таким образом, предлагаемое устройство представляет собой высокочастотный микроэлектромеханический переключатель емкостного принципа коммутации с высоким коэффициентом емкости и электростатическим механизмом активации, позволяющее замыкать или размыкать электрическую цепь в проводнике линии передачи радиосигнала 2 высокочастотного копланарного волновода 5 при коммутации высокочастотных радиосигналов в области S-диапазона частот, а именно, в диапазоне частот от 2 ГГц до 4 ГГц с центральной резонансной частотой 3,6 ГГц.
Введение подвешенного подвижного электрода электростатического привода, выполненного в виде пластины из проводящего металлического материала, разделенного на левую и правую область электростатической активации, которые соединены между собой перемычкой, выполненной из проводящего металлического материала, расположенного с некоторым воздушным зазором и симметрично по левую и правую сторону относительно проводника линии передачи радиосигнала высокочастотного копланарного волновода, двух пар подвешенных упругих элементов подвеса зигзагообразной формы, выполненных из проводящего металлического материала, таким образом, что одна пара подвешенных упругих элементов подвеса зигзагообразной формы крепиться к левой области электростатической активации подвешенного подвижного электрода электростатического привода, а другая пара подвешенных упругих элементов подвеса зигзагообразной формы крепиться к правой области электростатической активации подвешенного подвижного электрода электростатического привода, симметрично по левую и правую сторону подвешенного подвижного электрода электростатического привода, двух пар опорно-якорных элементов конструкции, выполненных из проводящего металлического материала, которые расположены на левом и правом заземляющем проводнике высокочастотного копланарного волновода относительно проводника линии передачи радиосигнала, к которым крепится соответствующая пара подвешенных упругих элементов подвеса, нижнего неподвижного электрода электростатического привода, выполненного из проводящего металлического материала, разделенного на левую и правую область электростатической активации, которые расположены симметрично с зазором по левую и правую сторону относительно проводника линии передачи радиосигнала высокочастотного копланарного волновода, а также симметрично с некоторым воздушным зазором под левой и правой областью электростатической активации подвешенного подвижного электрода электростатического привода, тонких пассивационных слоев, выполненных из диэлектрического материала, которые нанесены на поверхность левой и правой области электростатической активации нижнего неподвижного электрода электростатического привода, двух плоских тонкопленочных конденсаторов переменной емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл, образованных левой и правой областью электростатической активации нижнего неподвижного электрода электростатического привода, тонкими пассивационными слоями, расположенными на их поверхности, а также левой и правой областью электростатической активации подвешенного подвижного электрода электростатического привода, сквозных перфорационных отверстий в пластине подвешенного подвижного электрода электростатического привода, имеющих круглый профиль определенного диаметра и расположенных с определенным шагом по всей площади пластины, основного управляющего плоского тонкопленочного конденсатора постоянной высокой емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл, который образован нанесенным локально с определенной топологической конфигурацией тонким диэлектрическим слоем с высокой диэлектрической проницаемостью на поверхности проводника линии передачи радиосигнала высокочастотного копланарного волновода, а также нанесенным на его поверхность дополнительным проводящим металлическим слоем, третьего плоского тонкопленочного конденсатора переменной емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл, образованного соединительной перемычкой подвешенного подвижного электрода электростатического привода, дополнительным проводящим металлическим слоем и воздушным зазором между ними, индуктивных выемок в плоскости заземляющих проводников и плоскости центрального проводника линии передачи радиосигнала высокочастотного копланарного волновода, двух контактных площадок, выполненных из проводящего металлического материала, расположенных в выемках плоскости заземляющих проводников, симметрично по левую и правую сторону относительно проводника линии передачи радиосигнала высокочастотного копланарного волновода, проводниковых металлических соединений, нанесенных на подложку, которые имеют непосредственное электрическое соединение каждой из двух контактных площадок с соответствующей левой и правой областью электростатической активации нижнего неподвижного электрода электростатического привода, тонких пассивационных слоев, выполненных из диэлектрического материала, нанесенных на поверхность проводникового металлического соединения, предназначенные для электрической изоляции проводниковых металлических соединений от соответствующих заземляющих проводников высокочастотного копланарного волновода, а именно, электрической развязки постоянного управляющего напряжения от коммутируемого высокочастотного радиосигнала, позволяет коммутировать высокочастотные радиосигналы по проводнику линии передачи радиосигналов высокочастотного копланарного волновода с высокой добротностью и линейностью, высоким коэффициентом качества конструкции переключателя, высоким коэффициентом емкости, низкими потерями в открытом состоянии, высокой изоляцией и малым вносимым контактным сопротивлением в закрытом состоянии переключателя в заданной полосе частот и на заданной центральной резонансной частоте, при низкой величиной постоянного управляющего напряжения и высоких динамических характеристиках, а именно, малом времени перехода переключателя из открытого состояния в закрытое состояние и наоборот, сводя к минимуму недостатки и проблемы надежности, присущие высокочастотным микроэлектромеханическим переключателям с емкостным принципом коммутации.
Таким образом, по сравнению с аналогичными устройствами, предлагаемый высокочастотный микроэлектромеханический переключатель емкостного принципа коммутации с высоким коэффициентом емкости позволяет коммутировать высокочастотные радиосигналы по проводнику линии передачи радиосигналов высокочастотного копланарного волновода с высокой добротностью и линейностью, высоким коэффициентом качества конструкции переключателя, высоким коэффициентом емкости, низкими потерями в открытом состоянии, высокой изоляцией и малым вносимым контактным сопротивлением в закрытом состоянии переключателя в заданной полосе частот и на заданной центральной резонансной частоте, при низкой величиной постоянного управляющего напряжения и высоких динамических характеристиках, а именно малом времени перехода переключателя из открытого состояния в закрытое состояние и наоборот, сводя к минимуму недостатки и проблемы надежности, присущие высокочастотным микроэлектромеханическим переключателям с емкостным принципом коммутации, благодаря использованию подвешенного подвижного электрода электростатического привода, выполненного в виде пластины из проводящего металлического материала, разделенного на левую и правую область электростатической активации, которые соединены между собой перемычкой, выполненной из проводящего металлического материала, расположенного с некоторым воздушным зазором и симметрично по левую и правую сторону относительно проводника линии передачи радиосигнала высокочастотного копланарного волновода, двух пар подвешенных упругих элементов подвеса зигзагообразной формы, выполненных из проводящего металлического материала, таким образом, что одна пара подвешенных упругих элементов подвеса крепиться к левой области электростатической активации подвешенного подвижного электрода электростатического привода, а другая пара подвешенных упругих элементов подвеса крепиться к правой области электростатической активации подвешенного подвижного электрода электростатического привода, симметрично по левую и правую сторону подвешенного подвижного электрода электростатического привода, двух пар опорно-якорных элементов конструкции, выполненных из проводящего металлического материала, которые расположены на левом и правом заземляющем проводнике высокочастотного копланарного волновода относительно проводника линии передачи радиосигнала, к которым крепится соответствующая пара подвешенных упругих элементов подвеса, нижнего неподвижного электрода электростатического привода, выполненного из проводящего металлического материала, разделенного на левую и правую область электростатической активации, которые расположены симметрично с зазором по левую и правую сторону относительно проводника линии передачи радиосигнала высокочастотного копланарного волновода, а также симметрично с некоторым воздушным зазором под левой и правой областью электростатической активации подвешенного подвижного электрода электростатического привода, тонких пассивационных слоев, выполненных из диэлектрического материала, которые нанесены на поверхность левой и правой области электростатической активации нижнего неподвижного электрода электростатического привода, двух плоских тонкопленочных конденсаторов переменной емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл, образованных левой и правой областью электростатической активации нижнего неподвижного электрода электростатического привода, тонкими пассивационными слоями, расположенными на их поверхности, а также левой и правой областью электростатической активации подвешенного подвижного электрода электростатического привода, сквозных перфорационных отверстий в пластине подвешенного подвижного электрода электростатического привода, имеющие круглый профиль определенного диаметра и расположенных с определенным шагом по всей площади пластины, основного управляющего плоского тонкопленочного конденсатора постоянной высокой емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл, который образован нанесенным локально с определенной топологической конфигурацией тонким диэлектрическим слоем с высокой диэлектрической проницаемостью на поверхности проводника линии передачи радиосигнала высокочастотного копланарного волновода, а также нанесенным на его поверхность дополнительным проводящим металлическим слоем, третьего плоского тонкопленочного конденсатора переменной емкости с обкладками
металл-диэлектрик-металл, образованного соединительной перемычкой подвешенного подвижного электрода электростатического привода, дополнительным проводящим металлическим слоем и воздушным зазором между ними, индуктивных выемок в плоскости заземляющих проводников и плоскости центрального проводника линии передачи радиосигнала высокочастотного копланарного волновода, двух контактных площадок, выполненных из проводящего металлического материала, расположенных в выемках плоскости заземляющих проводников, симметрично по левую и правую сторону относительно проводника линии передачи радиосигнала высокочастотного копланарного волновода, проводниковых металлических соединений, нанесенных на подложку, которые имеют непосредственное электрическое соединение каждой из двух контактных площадок с соответствующей левой и правой областью электростатической активации нижнего неподвижного электрода электростатического привода, тонких пассивационных слоев, выполненных из диэлектрического материала, нанесенных на поверхность проводникового металлического соединения, предназначенные для электрической изоляции проводниковых металлических соединений от соответствующих заземляющих проводников высокочастотного копланарного волновода, а именно, электрической развязки постоянного управляющего напряжения от коммутируемого высокочастотного радиосигнала.
В представленной топологической конфигурации предлагаемый высокочастотный микроэлектромеханический переключатель емкостного принципа коммутации с высоким позволяет коммутировать высокочастотные радиосигналы с эффективным диапазоном частот в области S-диапазона частот, а именно в диапазоне частот от 2 ГГц до 4 ГГц с центральной резонансной частотой 3,6 ГГц, величиной вносимых потерь в открытом состоянии переключателя не хуже 0.05 дБ на центральной резонансной частоте 3.6 ГГц, изоляцией в закрытом состоянии переключателя не хуже 43 дБ на центральной резонансной частоте 3,6 ГГц при контактном сопротивлении не более 0,15 Ом, с высокой добротностью и линейностью, высоким коэффициентом качества конструкции переключателя, высоким коэффициентом емкости переключателя - 14900, при малой площади пластины подвешенного подвижного электрода электростатического привода, малой толщине диэлектрического слоя и малой величине воздушного зазора между ними, предоставляя возможность проектировать переключатель с малой площадью пластины подвешенного подвижного электрода электростатического привода, малой толщиной диэлектрического слоя основного управляющего конденсатора и малой величиной воздушного зазора между ними, что также позволяет снизить электромеханические и массогабаритные характеристики переключателя, с низкой величиной постоянного управляющего напряжения 3,5 В для электростатической активации переключателя, с высокими динамическими характеристиками, а именно, малым временем необходимым на совершение цикла операции закрытие и открытие переключателя в 6,25 мкс и 3,2 мкс соответственно, с низкой величиной коэффициента изотермического и термоупругого демпфирования за счет введения сквозных перфорационных отверстий по всей площади подвешенного подвижного электрода электростатического привода, имеющих круглый профиль определенного диаметра и расположенные с определенным шагом по всей площади подвешенного подвижного электрода электростатического привода, что также позволяет существенно снизить величину остаточных термомеханических напряжений, возникающих на этапах технологического процесса изготовления переключателя, с наличием в конструкции переключателя предусмотренных контактных площадок, обеспечивающих возможность монтажа переключателя в специализированный высокочастотный корпус и его интеграцию в радиоэлектронные устройства, с наличием в конструкции переключателя тонких пассивационных слоев, выполненных из диэлектрического материала, предназначенных для развязки постоянного управляющего напряжения от коммутируемого высокочастотного радиосигнала, в сочетании с высокой надежностью и отказоустойчивостью конструкции переключателя, что в полной мере соответствует требованиям, предъявляемым к высокочастотным радиоэлектронным устройствам в современной интегральной радиоэлектронике, в частности, в современных антенных, телекоммуникационных и радарных устройствах, устройствах наземной и спутниковой радиосвязи.
Изобретение относится к области микросистемной техники и может быть использовано в интегральной радиоэлектронике. Технический результат заключается в возможности коммутации высокочастотных радиосигналов с эффективным диапазоном частот в области S-диапазона частот, а именно в диапазоне частот от 2 ГГц до 4 ГГц с центральной резонансной частотой 3,6 ГГц, величиной вносимых потерь в открытом состоянии переключателя не хуже 0,05 дБ на центральной резонансной частоте 3,6 ГГц, изоляцией в закрытом состоянии переключателя не хуже 43 дБ на центральной резонансной частоте 3,6 ГГц с величиной вносимого контактного сопротивления не более 0,15 Ом, с высокой добротностью и линейностью, высоким коэффициентом качества конструкции переключателя, высоким коэффициентом емкости переключателя – 14900. Интегральный высокочастотный переключатель содержит пластину подвешенного подвижного электрода электростатического привода малой площади с малой толщиной диэлектрического слоя и малой величиной воздушного зазора между ними, в виде пластины из проводящего металлического материала, разделенный на левую и правую область электростатической активации, которые соединены между собой перемычкой, выполненной из проводящего металлического материала, расположенный с некоторым воздушным зазором и симметрично по левую и правую сторону относительно проводника линии передачи радиосигнала высокочастотного копланарного волновода. Конструктивное выполнение переключателя позволяет снизить его электромеханические и массогабаритные характеристики, проводить более детальную подстройку эффективного рабочего диапазона частот и центральной резонансной частоты на этапе проектирования переключателя, с низкой величиной постоянного управляющего напряжения 3,5 В для электростатической активации переключателя, что совместимо с интегральной радиоэлектроникой, в частности с современными антенными, телекоммуникационными и радарными устройствами, устройствами наземной и спутниковой радиосвязи, с высокими динамическими характеристиками, а именно малым временем, необходимым на совершение цикла операции закрытия и открытия переключателя в 6,25 мкс и 3,2 мкс соответственно. 9 ил.
Интегральный высокочастотный микроэлектромеханический переключатель емкостного принципа коммутации с высоким коэффициентом емкости, содержащий подложку, выполненную из диэлектрического материала, с расположенным на ней высокочастотным копланарным волноводом, выполненным из проводящего металлического материала, образованным центральным проводником, представляющим собой проводник линии передачи радиосигнала, и двумя заземляющими проводниками, расположенными симметрично с зазором по обе стороны относительно центрального проводника, отличающийся тем, что в него введены подвешенный подвижный электрод электростатического привода, выполненный в виде пластины из проводящего металлического материала, разделенный на первую и вторую части электростатической активации, которые соединены между собой перемычкой, выполненной из проводящего металлического материала, расположенный с воздушным зазором и симметрично по обе стороны относительно проводника линии передачи радиосигнала высокочастотного копланарного волновода, две пары подвешенных упругих элементов подвеса зигзагообразной формы, выполненных из проводящего металлического материала, таким образом, что одна пара подвешенных упругих элементов подвеса зигзагообразной формы крепится к первой части электростатической активации подвешенного подвижного электрода электростатического привода, а другая пара подвешенных упругих элементов подвеса зигзагообразной формы крепится ко второй части электростатической активации подвешенного подвижного электрода электростатического привода, симметрично по обе стороны подвешенного подвижного электрода электростатического привода, две пары опорно-якорных элементов конструкции, выполненные из проводящего металлического материала, которые расположены на обеих частях заземляющего проводника высокочастотного копланарного волновода относительно проводника линии передачи радиосигнала, к которым крепится соответствующая пара подвешенных упругих элементов подвеса зигзагообразной формы, неподвижный электрод электростатического привода, выполненный из проводящего металлического материала, разделенный на первую и вторую части электростатической активации, которые расположены симметрично с зазором по обе стороны относительно проводника линии передачи радиосигнала высокочастотного копланарного волновода, а также симметрично с воздушным зазором под первой и второй частью электростатической активации подвешенного подвижного электрода электростатического привода, тонкие пассивационные слои, выполненные из диэлектрического материала, которые нанесены на поверхность первой и второй части электростатической активации неподвижного электрода электростатического привода, два плоских тонкопленочных конденсатора переменной емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл, образованные первой и второй частью электростатической активации неподвижного электрода электростатического привода, тонкими пассивационными слоями, расположенными на их поверхности, а также первой и второй частью электростатической активации подвешенного подвижного электрода электростатического привода, сквозные перфорационные отверстия в пластине подвешенного подвижного электрода электростатического привода, имеющие круглый профиль и расположенные с шагом по всей площади пластины, основной управляющий плоский тонкопленочный конденсатор постоянной высокой емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл, который образован нанесенным локально с топологической конфигурацией тонким диэлектрическим слоем с высокой диэлектрической проницаемостью на поверхность проводника линии передачи радиосигнала высокочастотного копланарного волновода, нанесенным на его поверхность дополнительным проводящим металлическом слоем, третий плоский тонкопленочный конденсатор переменной емкости с обкладками металл-диэлектрик-металл, образованный соединительной перемычкой подвешенного подвижного электрода электростатического привода, дополнительным проводящим металлическим слоем и воздушным зазором между ними, индуктивные выемки в плоскости заземляющих проводников и плоскости центрального проводника линии передачи радиосигнала высокочастотного копланарного волновода, две контактные площадки, выполненные из проводящего металлического материала, расположенные в выемках плоскости заземляющих проводников, симметрично по обе стороны относительно проводника линии передачи радиосигнала высокочастотного копланарного волновода, проводниковые металлические соединения, нанесенные на подложку, которые имеют непосредственное электрическое соединение каждой из двух контактных площадок с соответствующей первой и второй частью электростатической активации неподвижного электрода электростатического привода, тонкие пассивационные слои, выполненные из диэлектрического материала, нанесенные на поверхности проводникового металлического соединения, предназначенные для электрической изоляции проводниковых металлических соединений от соответствующих заземляющих проводников высокочастотного копланарного волновода, а именно электрической развязки постоянного управляющего напряжения от коммутируемого высокочастотного радиосигнала.
| ИНТЕГРАЛЬНЫЙ НАНОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ТУННЕЛЬНЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ | 2022 |
|
RU2794468C1 |
| Интегральный микроэлектромеханический переключатель | 2018 |
|
RU2705792C1 |
| Интегральный микроэлектромеханический переключатель | 2018 |
|
RU2705564C1 |
| US 6452124 B1, 17.09.2002 | |||
| US 8963659 B1, 24.02.2015 | |||
| Johnson Taye, Koushik Guha, Srimanta Baishya, Design and Analysis of RF MEMS Shunt Capacitive Switch for Low Actuation Voltage & High Capacitance Ratio, Springer: Physics of Semiconductor Devices, Environmental | |||
