A COMPACT ELECTROSTATIC ACTUATOR WITH ENHANCED CONTACT FORCE FOR RESISTIVE MEMS SWITCH

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Micromechanical switches are of great interest for microwave electronics, but their implementation is hampered by low reliability. Micron-sized actuators develop low contact force, which does not allow achieving low and stable contact resistance. The force is increased by using large-sized and complex-shaped electrodes, but a compact and simple actuator is preferable. The paper describes methods for increasing the contact force of a MEMS switch with electrostatic actuation. They are demonstrated on a compact actuator with a movable electrode in the form of a 50 μm long cantilever. Selection of vertical dimensions increases the force from 10 to 115 μN and exceeding the required threshold of 100 μN with a reserve. The restoring force also increases and protects the switch from stiction. Combining several actuators and removing intermediate contact bumps additionally increases the specific force by at least 50% compared to a single device.

About the authors

I. V. Uvarov

NRC "Kurchatov Institute" — Valiev IPT, Yaroslavl Branch; P.G. Demidov Yaroslavl State University

Email: i.v.uvarov@bk.ru
Yaroslavl, Russia; Yaroslavl, Russia

I. A. Belozerov

NRC "Kurchatov Institute" — Valiev IPT, Yaroslavl Branch

Yaroslavl, Russia

References

  1. Shao B., Lu C., Xiang Y., Li F., Song M. Comprehensive review of RF MEMS switches in satellite communications // Sensors. 2024. V. 24. 3135. https://doi.org/10.3390/s24103135
  2. Cao T., Hu T., Zhao Y. Research status and development trend of MEMS switches: A review // Micromachines. 2020. V. 11. 694. https://doi.org/10.3390/mi11070694
  3. Kurmendra, Kumar R. A review on RF micro-electro-mechanical-systems (MEMS) switch for radio frequency applications // Microsyst. Technol. 2021. V. 27. P. 2525–2542. https://doi.org/10.1007/s00542-020-05025-y
  4. Heredia J., Ribó M., Pradell L., Wipf S.T., Göritz A., Wietstruck M., Wipf C., Kaynak M. A 125–143-GHz frequency-reconfigurable BiCMOS compact LNA using a single RF-MEMS switch // IEEE Microw. Compon. Lett. 2019. V. 29. P. 339–341. https://doi.org/10.1109/LMWC.2019.2906595
  5. Iannacci J., Resta G., Bagolini A., Giacomozzi F., Bochkova E., Savin E., Kirtaev R., Tsarkov A., Donelli M. RF-MEMS monolithic K and Ka band multi-state phase shifters as building blocks for 5G and internet of things (IoT) applications // Sensors. 2020. V. 20. 2612. https://doi.org/10.3390/s20092612
  6. Park J.-H., Lee S., Kim J.-M., Kim H.-T., Kwon Y., Kim Y.-K. Reconfigurable millimeter-wave filters using CPW-based periodic structures with novel multiple-contact MEMS switches // J. Microelectromech. Syst. 2005. V. 14. P. 456–463. https://doi.org/10.1109/JMEMS.2005.844849
  7. Li M., Zhang Y., Zhao Y., Xue P., Wu Q. Design and fabrication of a 4-bit RF MEMS attenuator with a high attenuation accuracy // Analog Integr. Circ. Sig. Process. 2020. V. 102. P. 617–624. https://doi.org/10.1007/s10470-020-01608-x
  8. van Spengen W.M., Roobol S.B., Klaassen W.P., Oosterkamp T.H. The MEMSamp: Using (RF-)MEMS switches for the micromechanical amplification of electronic signals // J. Micromech. Microeng. 2010. V. 20. 125011. https://doi.org/10.1088/0960-1317/20/12/125011
  9. Petersen K.E. Dynamic micromechanics on silicon: Techniques and devices // IEEE Trans. Electron Dev. 1978. V. 25. P. 1241–1250. https://doi.org/10.1109/T-ED.1978.19259
  10. Saleem M.M., Nawaz H. A systematic review of reliability issues in RF-MEMS switchess // Micro Nanosyst. 2019. V. 11. P. 11–33. https://doi.org/10.2174/1876402911666190204113856
  11. Sharma A.K., Gautam A. K., Farinelli P., Dutta A., Singh S.G. A Ku band 5 bit MEMS phase shifter for active electronically steerable phased array applications // J. Micromech. Microeng. 2015. V. 25. 035014. https://doi.org/10.1088/0960-1317/25/3/035014
  12. Stefanini R., Chatras M., Blondy P., Rebeiz G.M. Miniature MEMS switches for RF applications // J. Microelectromech. Syst. 2011. V. 20. P. 1324–1335. https://doi.org/10.1109/JMEMS.2011.2170822
  13. Spasos M., Nilavalan R. Resistive damping implementation as a method to improve controllability in stiff ohmic RF-MEMS switches // Microsyst. Technol. 2013. V. 19. P. 1935–1943. https://doi.org/10.1007/s00542-013-1757-4
  14. Liu B., Lv Z., He X., Liu M., Hao Y., Li Z. Improving performance of the metal-to-metal contact RF MEMS switch with a Pt-Au microspring contact design // J. Micromech. Microeng. 2011. V. 21. 065038. https://doi.org/10.1088/0960-1317/21/6/065038
  15. Toler B.F., Coutu R.A., McBride J.W. A review of micro-contact physics for microelectromechanical systems (MEMS) metal contact switches // J. Micromech. Microeng. 2013. V. 23. 103001. https://doi.org/10.1088/0960-1317/23/10/103001
  16. Basu A., Adams G.G., McGruer N.E. A review of micro-contact physics, materials, and failure mechanisms in direct-contact RF MEMS switches // J. Micromech. Microeng. 2016. V. 26. 104004. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/10/104004
  17. Broue A., Dhennin J., Charvet P.-L., Pons P., Ben Jemaa N., Heeb P., Coccetti F., Plana R. Comparative study of RF MEMS micro-contact materials // Int. J. Microw. Wireless Technol. 2012. V. 4. P. 413–420. https://doi.org/10.1017/S1759078711001140
  18. Chen L., Guo Z.J., Joshi N., Eid H., Adams G.G., McGruer N.E. An improved SPM-based contact tester for the study of microcontacts // J. Micromech. Microeng. 2012. V. 22. 045017. https://doi.org/10.1088/0960-1317/22/4/045017
  19. Kwon H., Park J.-H., Lee H.-C., Choi D.-J., Park Y.-H., Nam H.-J., Joo Y.-C. Investigation of similar and dissimilar metal contacts for reliable radio frequency micorelectromechanical switches // Jpn. J. Appl. Phys. 2008. V. 47. P. 6558–6562. https://doi.org/10.1143/JJAP.47.6558
  20. Rebeiz G.M., Patel C.D., Han S.K., Ko C.-H., Ho K.M.J. The search for a reliable MEMS switch // IEEE Microw. Mag. 2013. V. 14. P. 57–67. https://doi.org/10.1109/MMM.2012.2226540
  21. Kim S.-B., Yoon Y.-H., Lee Y.-B., Choi K.-W., Jo M.-S., Min H.-W., Yoon J.-B. 4W power MEMS relay with extremely low contact resistance: theoretical analysis, design and demonstration // J. Microelectromech. Syst. 2020. V. 29. P. 1304–1313. https://doi.org/10.1109/JMEMS.2020.3005437
  22. Kim S.-B., Min H.-W., Lee Y.-B., Kim S.-H., Choi P.-K., Yoon J.-B. Utilizing mechanical adhesion force as a high contact force in a MEMS relay // Sens. Actuators A. 2021. V. 331. 112894. https://doi.org/10.1016/j.sna.2021.112894
  23. Blondy P., Pothier A., Stefanini R., Gauvin J., Passerieux D., Vendier O., Courtade F. Development of an all-metal large contact force reliable RF-MEMS relay for space applications // 42nd Europ. Microw. Conf. – 2012. https://doi.org/10.23919/EuMC.2012.6459332
  24. Patel C.D., Rebeiz G.M. A high-reliability high-linearity high-power RF MEMS metal-contact switch for DC‑40-GHz applications // IEEE Trans. Microw. Theory Techn. 2012. V. 60. P. 3096–3112. https://doi.org/10.1109/TMTT.2012.2211888
  25. Patel C.D., Rebeiz G.M. RF MEMS metal-contact switches with mN-contact and restoring forces and low process sensitivity // IEEE Trans. Microw. Theory Techn. 2011. V. 59. P. 1230–1237. https://doi.org/10.1109/TMTT.2010.2097693
  26. Seki T., Uno Y., Narise K., Masuda T., Inoue K., Sato S., Sato F., Imanaka K., Sugiyama S. Development of a large-force low-loss metal-contact RF MEMS switch // Sens. Actuators A. 2006. V. 132. P. 683–688. https://doi.org/10.1016/j.sna.2006.02.016
  27. Sedaghat-Pisheh H., Rebeiz G.M. Variable spring constant, high contact force RF MEMS switch // 2010 IEEE MTT-S Int. Microw. Symp. – 2010. https://doi.org/10.1109/MWSYM.2010.5517083
  28. Belozerov I.A., Uvarov I.V. Performance optimization of the cantilever-based MEMS switch // St. Petersburg Polytech. Univ. J.: Phys. Math. 2022. V. 15. P. 140–144. https://doi.org/10.18721/JPM.153.226
  29. Rebeiz G.M. RF MEMS: Theory, design, and technology. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, 2003. 495 p.
  30. Kimiaeifar A., Tolou N., Barari C., Herder J.L. Large deflection analysis of cantilever beam under end point and distributed loads // J. Chin. Inst. Eng. 2014. V. 37. P. 438–445. http://dx.doi.org/10.1080/02533839.2013.814991
  31. Uvarov I.V., Kupriyanov A.N. Stiction-protected MEMS switch with low actuation voltage // Microsyst. Technol. 2019. V. 25. P. 3243–3251. https://doi.org/10.1007/s00542-018-4188-4
  32. Uvarov I.V., Kupriyanov A.N. Investigation of characteristics of electrostatically actuated MEMS switch with an active contact breaking mechanism // Russ. Microelectron. 2018. V. 47. P. 307–316. https://doi.org/10.1134/S1063739718050086
  33. Belozerov I.A., Uvarov I.V. MEMS switch based on a cantilever with increased contact force // Russ. Microelectron. 2023. V. 52. P. 475–482. https://doi.org/10.1134/S1063739723700774
  34. Majumder S., McGruer N.E., Adams G.G., Zavracky P.M., Morrison R.H., Krim J. Study of contacts in an electrostatically actuated microswitch // Sens. Actuators A. 2001. V. 93. P. 19–26. https://doi.org/10.1016/S0924-4247(01)00627-6
  35. Majumder S., Lampen J., Morrison R., Maciel J. MEMS switches // IEEE Instrum. Meas. Mag. 2003. V. 6. P. 12–15. https://doi.org/10.1109/MIM.2003.1184267
  36. Ma Q., Tran Q., Chou T.-K.A., Heck J., Bar H., Kant R., Rao V. RF Metal contact reliability of RF MEMS switches // Proc. SPIE. 2007. V. 6463. 646305. https://doi.org/10.1117/12.702177

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».