Beyond-CMOS- und HF-Bauelemente, integrierte Schaltungen und Technologien

HF MEMS-Schalter

© Fraunhofer ENAS
Messergebnisse der Streuparameter der RF-MEMS-Schalter, die die Einfügedämpfung und den Reflexionsverlust im geschlossenen Zustand und die Isolation im offenen Zustand darstellen.
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Entwicklungsgeschichte des HF MEMS Schalters am Fraunhofer ENAS.
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Test

HF MEMS-Schalter sind extrem miniaturisierte HF-Relais mit elektrostatischer Betätigung zum Einsatz in Mikrowellen- und mm-Wellen-System. Sie sind als Si-Chip (3 mm x 1,5 mm groß und 0,5 mm dick) mit einer hermetisch verschlossenen Kaverne ausgeführt, in dem die beweglichen Teile des Antriebs und die Kontakte untergebracht sind. Ein neuartiges Design der Kontaktbereiche und der Hochfrequenzleitungen wurde entwickelt, um diese Bauelemente in einem Frequenzbereich von 0 Hz bis 75 GHz einsetzen zu können. Sie erreichen eine Einfügedämpfung von weniger als 0,5 dB bei Frequenzen unter 20 GHz und von ca. 1 dB bei Frequenzen bis 75 GHz. Der Schalter schließt und öffnet in ca. 10 µs nach der jeweiligen Signalflanke des Steuersignals. Im Vergleich zu gegenwärtig am Markt verfügbaren Bauelementen zum Schalten von HF-Signalen benötigt dieses Bauelement eine niedrigere Steuerspannung (5 Volt) und nahezu keinen Steuerstrom (< 10 nA), so dass praktisch eine leistungslose Steuerung möglich ist. Elektronische Spannungswandler, die bislang oft bei anderen HF MEMS-Schaltern die erforderliche hohe Antriebsspannung erzeugen müssen, werden nicht benötigt. Durch ein neuartiges Konzept für den HF-Pfad, das den Einsatz von koplanaren Wellenleitern an den HF-Anschlüssen unterstützt,  wird bis zu einer Signalfrequenz von 75 GHz eine Einfügedämpfung von lediglich ca. 1 dB erreicht. Aufgrund der Konfiguration als MEMS-Bauelement mit Metall-Metall-Kontakten wird eine sehr hohe Linearität (IIP3 > 65 dBm, 1 GHz, 0dBm) erreicht. Eine MEMS-Technologie wird zur Herstellung eingesetzt, die alle Prozessschritte auf Waferebene gestattet. Mittels einer High Aspect Ratio MEMS-Technologie werden so große Flächen für die Antriebselektroden hergestellt, dass mit einer relativ niedrigen Aktuierungsspannung von 5 Volt eine genügend große Kontaktkraft aufgebracht wird, die ein sicheres Schließen und Öffnen der Kontakte ermöglicht. Die Applikationsfelder reichen von Test- und Messgeräten (Schaltmatrizen für sehr hohe Signalfrequenzen, variable Signalabschwächer) über das Steuern der Richtwirkung von Antennen (phasen-gesteuerte Antennengruppen, agile Antennen) bis zu rekonfigurierbaren Front-Ends in Kommunikationssystemen (Antennenschalter, Filter-Rekonfiguration).

Aufbau eines SPST HF MEMS Schalter für Signalfrequenzen bis 75 GHZ
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Aufbau eines SPST HF MEMS Schalter für Signalfrequenzen bis 75 GHZ