Dielectric Charging of RF MEMS Capacitive Switches under Bipolar Control-Voltage Waveforms

Abstract

Abstract-To design and validate accelerated life tests of RF MEMS capacitive switches, acceleration factors of charging effects in switch dielectric were quantitatively characterized. From measured charging and discharging transient currents at different temperatures and control voltages, densities and time constants of dielectric traps were extracted. A charging model was constructed to predict the amount of charge injected into the dielectric and the corresponding shift in actuation voltage under different acceleration factors such as temperature, peak voltage, duty factor, and frequency of the control waveform. Agreement was obtained between the model prediction and experimental data. It was found that temperature, peak voltage, and duty factor were critical acceleration factors for dielectric-charging effects whereas frequency had little effect on charging.

<inline-formula> <tex-math notation="LaTeX">$\Sigma\Delta$</tex-math> </inline-formula> Effects and Charge Locking in Capacitive MEMS Under Dielectric Charge Control

“…The charge control method is implemented using a precision impedance analyzer, which performs the capacitance measurements and also applies the subsequent excitation waveform, BIT0 and BIT1, according to (3).…”

“…In recent years, smart actuation techniques and strategies to mitigate or control the effects of dielectric charging in MEMS capacitors have been proposed [3]- [8]. Closed-loop strategies are inspired by sigma-delta (⌃ ) modulation: they trace a certain characteristic of the MEMS that is related to the dielectric charge and dynamically apply correcting feedback stimuli.…”

Superposition Model for Dielectric Charging of RF MEMS Capacitive Switches Under Bipolar Control-Voltage Waveforms

“…C URRENTLY, the life time of electrostatically actuated RF microelectromechanical system (MEMS) capacitive switches is primarily limited by dielectric charging, which can cause actuation-voltage shift or, ultimately, stiction [1]- [25]. Experimentally, the dielectric charging phenomenon has been investigated by monitoring shifts in RF transmission characteristics [24], electrostatic and adhesion forces [14], capacitance-voltage characteristics [2]- [6], [8]- [11], [16], and current-voltage characteristics [7], [17], [18], [20], [25] with an increasing level of physical understanding.…”

Μελέτη Και Βελτιστοποίηση Των Ηλεκτρικών Ιδιοτήτων Λεπτών Μονωτικών Υμενίων Που Χρησιμοποιούνται Σε Μικρο-Ηλεκτρο-Μηχανικά Συστήματα (MEMS)

“…Διάφορες κυματομορφές της τάσης ενεργοποίησης έχουν δοκιμαστεί [8], [29], [30], ώστε η μέση τιμή του παγιδευμένου φορτίου να είναι σχεδόν μηδενική και η ολίσθηση της C-V χαρακτηριστικής να είναι επίσης μικρή. Όμως και σε αυτές τις περιπτώσεις βρέθηκε ότι μικραίνουν τα παράθυρα pull-in και pull-out ενώ η τιμή της ελάχιστης χωρητικότητας Cup αυξάνεται [31], [32] και οι διακόπτες παραμένουν μόνιμα στην κατάσταση ΟΝ λόγω φόρτισης των υμενίων, έπειτα από κάποιο χρόνο λειτουργίας (Σχήμα 1.10).…”

“…Αυτή η διαφοροποίηση της φόρτισης των υμενίων με την πολικότητα του πεδίου πόλωσης εξηγεί την καταστροφή των διακοπτών RF MEMS λόγω φόρτισης όταν εφαρμόζεται διπολική τάση ενεργοποίησης [29], καθώς αλλάζοντας την πολικότητα του πεδίου πόλωσης παγιδεύεται αντίθετο φορτίο διαφορετικού μεγέθους με αποτέλεσμα το συνολικό παγιδευμένο φορτίο να μην είναι μηδέν. …”