Линии передач в микросистемах и их компонентах

Вид материала

Документы

Содержание Пассивные компоненты: резонаторы и фильтры Антенны в микросистемах Разработка, изготовление и определение характеристик компонентов ВЧ микросистем Разработка компонентов ВЧ микросистем Изготовление компонентов микросистем Определение характеристик компонентов микросистем

Подобный материал:

• План сочинения "Моя линия второго порядка" Определение линии, 4.74kb.
• Канализация электроэнергии, 631.07kb.
• 1 Линии напряженности. Поток вектора напряженности, 73.42kb.
• Інститут телекомунікацій, радіоелектроніки І електронної техніки, 270.29kb.
• Едачей танка называется группа соединенных между собой агрегатов, предназначенных для, 946.59kb.
• Программные средства компьютерного проектирования зубчатых передач в обобщающих параметрах, 26.58kb.
• План. 1 Магнитное поле и его характеристики. 2 Влияние магнитного поля на организм, 64.4kb.
• Расчет зубчатых и червячных передач в курсовом проектировании, 417.41kb.
• Название доклада, 218.51kb.
• Знания, из толерантной этносоциальной политики и геостратегической линии русского государства, 6281.38kb.

ЛИНИИ ПЕРЕДАЧ В МИКРОСИСТЕМАХ И ИХ КОМПОНЕНТАХ

Часть 4


Смесители в микросистемах


Традиционные миллиметровые и субмиллиметровые волновые ком­поненты, такие как умножители и смесители, состоят из волноводов и других микроэлементов. Несмотря на то. что такие металлические устройства обладают рядом достоинств: надежностью, простотой интеграции и несложной конструкцией, у них также есть и недо­статки. Процесс изготовления миниатюрных волноводов — очень трудоемкий и дорогостоящий. Особенно это сказывается при произ­водстве устройств, предназначенных для работы на очень высоких частотах, и систем <; большим количеством элементов.

Современные микротехнологии в значительной степени решают проблемы, связанные с высокой себестоимостью миниатюрных ме­ханических структур, поскольку они основаны на методах обработ­ки кремния, позволяющих точно и надежно изготавливать очень маленькие элементы электрических и электромеханических систем. При помощи современных технологий возможно одновременное фор­мирование спаренных структур на одном кристалле.

Существует технология изготовления волноводов, рупоров и каналов методом травления модифицирован­ного кремния. Мощный ВЧ сигнал от локального генератора по­ступает на смеситель через диагональный рупор, сужающийся до размеров волновода: 200 х 400 мкм, рассчитанного для передачи сиг­налов в диапазоне 450... 700 ГГц.

Процесс изгото­вления смесителя со­стоит из формиро­вания рупора, ча­ще всего методом травления кремния: формирования вол­новода и структу­ры канала, а также выравнивания выво­дов при помощи фо­торезиста SU-8; на­несения слоя золо­та и нарезания кри­сталлов из пласти­ны. Прямоугольное отверстие рупора фор­мируется на крем­нии методом травле­ния при помощи EDP (этилен-диамин- пирокатехол) и воды. Структура смесителя изготавливается из эпоксидного фоторезиста SU-8. На подложку напыляется хром и полото для формирования затравоч­ного слоя, сверху которого электролитическим способом наносится 2 мкм слой золота. После чего подложка разрезается и используется для формирования смесителя, показанного на рис. 23. На рис. 24 показана диаграмма направленности рупорной микроантенны.


Пассивные компоненты: резонаторы и фильтры


Фильтры и резонаторы, реализованные в виде микросистем, обла­дают довольно хорошими характеристиками: узкой полосой пропус­кания, низкими потерями и высокой стабильностью. Однако при уменьшении размеров устройств снижается и величина зазора, что приводит к тому, что значения коэффициентов связи между элект­рическими и механическими компонентами схемы становятся кри­тическими.



Рис. 23. Микросмеситель




Рис. 24. Экспериментально определенная диаграмма направленности рупорной антенны


Для фильтров важной характеристикой является спо­собность работы с мощными сигналами. В связи с этим для ме­ханических фильтров необходимо разрабатывать соответствующий монтаж корпуса, обеспечивающий его герметичность, являющуюся ключевым параметром, без которого невозможно получение высо­кой добротности и долговременной стабильности. Рабочие харак­теристики механических резонаторов и фильтров определяются их механическими параметрами, поэтому для реализации требуемых электрических функций требуется внимательное проектирование конструкции всех устройств. Другими словами, механическая до­бротность фильтров, как правило, совпадает с их электрической добротностью. Для получения хороших электрических характери­стик разработку резонаторов и фильтров, в отличие от остальных ВЧ микросистем, необходимо начинать с проектирования механи­ческой конструкции.

Антенны в микросистемах


Микроантенны, обладающие высоким быстродействием, малыми раз­мерами и весом, являются необходимыми компонентами современ­ных систем связи. Приведем несколько примеров последних дости­жений в области разработки микроантенн: изготовление кремние­вых прямоугольных микроволноводов для связи с рупорными антен­нами, тонкопленочных вол­новодов для интегрированных рупорных антенн, перестраиваемых V-антенн, микрополос-ковых антенн и антенн для тера-гигагерцового диапазона.

В системах связи ши­роко применяются микрополосковые антен­ны, что объясняется их малым весом и планарной формой. Одна­ко эффективность из­лучателя антенны и его полоса частот зна­чительно ухудшаются в результате возникно­вения колебаний вну­три подложки, даже когда для изготовле­ния излучателя исполь­зуются современные материалы, пригодные для применения в технологиях производства ИС, такие как кремний и GaAs. Выбороч­ное удаление материала подложки из-под антенны, как показано на рис. 25, позволяет уменьшить или даже устранить паразитные ко­лебания внутри подложки. При этом происходит снижение диэлектрической проницаемости, а также уменьшается количество материала под антенной, в котором эти поверхностные волны могут распространяться.




Рис. 25. Схема микроантенны с подводящим проводом


Для выборочного удаления кремния из-под излучателя при из­готовлении микроантенн может быть применен метод травления. На рис. 26 показаны экспериментально определенные значения воз­вратных потерь традиционной антенны, реализованной на кремни­евой подложке, и микроантенны, из-под излучателя которой было удалено 50% материала. Из рисунка видно, что на характеристи­ки традиционного излучателя сильно влияют гармоники высших порядков, а также паразитные поверхностные волны, что выраже­но в несимметричности частотной зависимости относительно рабо­чей частоты 20.4 ГГц. Из этого же графика видно, что на харак­теристики излучателя с частично вытравленной подложкой высшие гармоники практически не влияют. На рис.27 приведены экспе­риментально определенные диаграммы направленности в Е- и Н-плоскостях.




Рис. 26. Экспериментальная зависимость возвратных потерь от частоты для микроантенн на кремнии без удаления подложки из-под излучателя и с 50% удалением


Разработка, изготовление и определение характеристик компонентов ВЧ микросистем


В связи с потребностью в разработке недорогих ВЧ ИС, интегриро­ванных с цифровыми схемами, появился большой интерес к примене­нию кремниевых подложек для изготовления ВЧ и СВЧ устройств. Для дальнейшего развития микросистем необходимо понимание их механизма работы и возможностей, для чего требуется углубле­ние теоретических основ и разработка современных методов изго­товления. Однако применение полного волнового анализа для по­лучения требуемых характеристик систем часто бывает очень за­труднительным. Поэтому, как правило, сначала по аппроксимационным моделям находятся предварительные значения, которые затем уточняются методами полномасштабного волнового анализа. В следующих разделах рассматриваются основные вопросы разработки, изготовления и определения характеристик ВЧ микроустройств.


Разработка компонентов ВЧ микросистем


В общем виде, разработку ВЧ микросистем можно разделить на два этапа: этап разработки и анализа и этап изготовления и опреде­ления рабочих характеристик. Методы полного волнового анализа позволяют построить достаточно точную модель ВЧ микросисте­мы. Однако такой подход очень сложный и трудоемкий, поэтому для предварительной оценки параметров схемы применяется ква­зистационарная модель, основанная на теории поперечных электро­магнитных волн (ПЭМВ). Использование такой модели позволяет построить первоначальный вариант схемы, который затем уточня­ется методами полного волнового анализа, для которых требуется знание геометрических размеров компонентов. Наилучшие резуль­таты достигаются при применении метода итераций для точного подбора размеров устройства, обеспечивающих получение требуе­мых рабочих характеристик. После проведения такого анализа рас­считанная микросистема изготавливается, и на специальном обору­довании (анализаторах цепей и тестовых станциях) определяются ее характеристики.




Рис. 27. Экспериментальные диаграммы направленности микроантенны (зависимость излучения от угла): а – в Е-плоскости; б – в Н-плоскости


Для расчета электрических частотных характеристик, как пра­вило, применяются специализированные программные пакеты (CAD), основанные на квазистатических и полуэмпирических формулах для копланарных линий передач. Для уточнения геометрических размеров микроструктур применя­ется один из методов волнового анализа, например, метод интег­ральных уравнений, описанных в спектральной области, или метод конечных временных интервалов. Для прогнозирования импедансных ха­рактеристик схемы может быть применена квазистационарная мо­дель, основанная на методе конформных отображений. Метод конечных интервалов является наиболее универ­сальным и достаточно точным способом моделирования геометри­ческих форм и размеров устройства.

Несовпадение теоретических и экспериментальных результатов объясняется, в основном, погрешностями при изготовлении устройств и допущениями, сделанными во время моделирования.


Изготовление компонентов микросистем


При изготовлении копланарных волноводов предполагается, что ВЧ сигналы распространяются по пространству почти свободно. Для компонентов микросистем также важны механические свойства мем­бран, которые должны иметь небольшое внутреннее напряжение, и при толщине, обычно чуть более 1 мкм, должны выдерживать на­грузки, связанные с разрезкой, транспортировкой, герметизацией и сборкой методом перевернутого кристалла. Минимальное внутреннее напряжение обеспечивается при формировании тонких мембран ме­тодом осаждения композитных структур (SiO₂/Si₃N₄). На рис. 28 показана последовательность изготовления мембранных структур.




Рис. 28. Процесс изготовления линии передач


Первый слой толщиной 800 нм формируется на кремниевой под­ложке методом термического окисления. На него методом химиче­ского осаждения из газовой фазы при низком давлении наносится слой нитрида кремния толщиной 600 нм. Далее для снижения омических потерь осаждается слой золота толщиной 8 мкм. После че­го формируется сама микроструктура (в рассматриваемом приме­ре линия передач). Последним этапом в технологическом процессе изготовления микросистем является удаление кремниевой подлож­ки, расположенной под мембраной, для чего применяются методы реактивного ионного травления и анизотропного химического тра­вления при помощи раствора КОН. На рис. 29 приведены типовые размеры микролинии передач.




Рис. 29. Микролиния передач


Определение характеристик компонентов микросистем


Определение характеристик изготовленных микрокомпонентов мо­жет быть проведено при помощи тестового анализатора Network Analyzer, подключаемого при помощи специальных приспособлений и коаксиальных проводов. До создания этого анализатора для оценки геометрии копланарных волноводов поль­зовались ВЧ зондами. В настоящее время для определения характе­ристик ВЧ планарных схем существуют специализированные изме­рительные станции, такие как Alessi REL-4300 фирмы Cascade Mi­crotech Inc. (www.cniicro.com) и Suss Microtec probes (www.suss.com).

Для точного определения характеристик микроустройств необ­ходимо минимизировать потери, связанные с подключением измери­тельных кабелей к тестовым системам. Из-за миниатюрных разме­ров контактных площадок процесс калибровки зондов значительно усложняется, и для его выполнения обычно применяются методы двухуровневого или одноуровневого соединений.

Контрольные вопросы

1. Антенны в микросистемах. Микроантенны с подводящим проводом. Схема. Преимущества и недостатки.
   
2. Антенны в микросистемах. Особенности разработки компонентов ВЧ микросистем.
   
3. Процесс изготовления линии передач.