Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка высокодобротных цифровых конденсаторов переменной емкости на основе радиочастотных микроэлектромеханических элементов для перестраиваемых СВЧ устройств

Номер контракта: 14.579.21.0006

Руководитель: Балашов Александр Геннадьевич

Должность руководителя: Генеральный директор

Докладчик: Алагашев Григорий Константинович, Научный сотрудник

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
рч мэмс переключатель, переключаемый конденсатор, цифровой варактор, конденсатор переменной емкости, зарядка диэлектрика

Цель проекта:
- Реализуемый проект направлен на решение проблемы создания новой элементной базы СВЧ электроники. - Целью проекта является проектирование и изготовление экспериментального образца цифрового конденсатора переменной емкости с добротностью более 100 на частоте 2 ГГц на основе радиочастотных микроэлектромеханических переключаемых конденсаторов с напряжением переключения меньше 100 В. Роль проекта в решении проблемы состоит в разработке и получении одной из разновидностей элементной базы, а именно конденсаторов переменной емкости.

Основные планируемые результаты проекта:
На этапе №1 получены следующие результаты:
1. Спроектированы и изготовлены образцы тестовых структур РЧ МЭМС элементов трех типов для верификации электрических характеристик.
2. Определен перечень технологий, необходимых для отработки разрабатываемых конструкций РЧ МЭМС элемента.
3. Разработан технологический маршрут изготовления тестовых структур РЧ МЭМС элементов.
4. Разработана методика проведения исследовательских испытаний тестовых структур РЧ МЭМС элементов.
5. Проведены патентные исследования по определению технического уровня выделенных объектов исследований, тенденций их развития.

На этапе №2 получены следующие результаты:
1. Спроектирован РЧ МЭМС элемент.
2. Разработана технологическая и эскизная конструкторская документация на РЧ МЭМС элемент.
3. Разработана маршрутная карта изготовления РЧ МЭМС элемента.
4. Изготовлены образцы тестовых структур РЧ МЭМС элементов для верификации механических характеристик.
5. Разработана программа и методики проведения исследовательских испытаний экспериментальных образцов РЧ МЭМС элементов.
6. Проведены исследовательские испытания тестовых структур РЧ МЭМС элементов для верификации механических характеристик.
7. Проведена оценка влияния технологии изготовления на характеристики РЧ МЭМС элемента по результатам исследовательских испытаний тестовых структур.

На этапе 3 получены следующие результаты:
1. Изготовлены РЧ МЭМС элементы.
2. Проведены предварительные исследовательские испытания

Изготовлены тестовые структуры РЧ МЭМС элементов для проведения исследовательских испытаний с целью верификации их механических характеристик. Исследовано актуальное состояние технологии электроосаждения меди для оптимизации и модификации процесса изготовления экспериментальных образцов РЧ МЭМС элемента.

Проведено моделирование и теоретические исследования в результате чего, с учетом результатов исследовательских испытаний тестовых структур, разработана оптимальная конструкция РЧ МЭМС элемента (рисунок 2) и исследованы ее РЧ и механические характеристики. Согласно расчетам, вносимые потери в области 0-10 ГГц по модулю не превышают 0.3 дБ, напряжение активации для медного кантилевера составляет 13 В, а время переключения 16 мкс.

По результатам исследовательских испытаний тестовых структур РЧ МЭМС элементов проведена оценка влияния технологических факторов на характеристики РЧ МЭМС элементов. Проведенное компьютерное моделирование подтвердило, что добавление в конструкцию дополнительных технологических слоев не приводит к значительным изменениям S-параметров. Отмечается высокая воспроизводимость результатов, что подтверждается дисперсией значения |S(1,1)| исследованных структур составляющей 0.001662.
Успешно проведенные исследовательские испытания механических характеристик тестовых структур РЧ МЭМС элементов подтверждают, что разработанная в рамках этапа №2 конструкция экспериментального образца РЧ МЭМС элемента удовлетворяет требованиям ТЗ. Мембраны активируется за время t<50 мкс и при прикладываемом напряжении U<100 В.

Научно-технический уровень результатов соответствует современным достижениям в данной области. Кантилеверы тестовых структур РЧ МЭМС элементов активируется за время t<50 мкс и при прикладываемом напряжении U<100 В.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Высокодобротные цифровые конденсаторы переменной емкости на основе РЧ МЭМС элементов - представляют собой чипы с характерным размером 1х1х1мм, которые будут использоваться в СВЧ цепях в качестве элементов способных изменять свою емкость и при этом иметь низкие потери, что достигаются за счет применения РЧ МЭМС технологии. На данный момент не существует альтернатив позволяющих получить элементы с меньшими потерями, чем представленная технология.

Изготовленные экспериментальные образцы тестовых структур РЧ МЭМС элементов предназначены для отработки технологии изготовления и проектирования РЧ МЭМС для дальнейшего проектирования и изготовления РЧ МЭМС элементов и высокодобротных цифровых конденсаторов переменной емкости на основе РЧ МЭМС элементов.

Некоторым ограничением области применения цифровых конденсаторов переменной емкости на основе РЧ МЭМС элементов может служить недостаточная скорость переключения, обусловленная механической природой механизма изменения емкости.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Разрабатываемые экспериментальные образцы конденсаторов переменной емкости предназначены для использования в области СВЧ электроники - в схемах перестройки частот в СВЧ устройствах.
Применение конденсаторов переменной емкости на основе радиочастотных микроэлектромеханических систем позволит снизить потери и энергопотребление, а также уменьшить влияние нелинейностей в СВЧ устройствах.
В дальнейшем результаты ПНИ будут использованы индустриальным партнёром АО «НПП «Исток» им. Шокина». По завершению проекта будут изготовлены образцы высокодобротных конденсаторов переменной емкости, что приведет к созданию нового типа СВЧ элементной базы, применение которого позволит улучшить характеристики СВЧ устройств, а также может привести к снижению стоимости этих устройств. Индустриальный партнер планирует использовать этот тип элементной базы в генераторах частоты, и замещения ими применяемых варакторных диодов конденсаторами переменной емкости на РЧ МЭМС элементах.
В результате выполнения проекта планируется создание нового типа СВЧ элементной базы, применение которого позволит улучшить характеристики СВЧ устройств, а также может привести к снижению стоимости этих устройств.

Текущие результаты проекта:
1. Изготовлены РЧ МЭМС элементы.
2. Проведены предварительные исследовательские испытания.
Согласно проведенным испытаниям изготовленные РЧ МЭМС элементы имеют диапазон перестройки емкости 0.6-1.2 пФ, эквивалентное последовательное сопротивление 0,5-1 Ом, напряжение переключения 14 В. Общие потери РЧ МЭМС элементов меньше 0.3 дБ.