Микроэлектромеханические логические вентили на основе гребенчатых резонаторов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Соловьев Александр Анатольевич

• Соловьев Александр Анатольевич
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Соловьев Александр Анатольевич

СПИСОК СОКРАЩЕНИИ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ВЕНТИЛИ

1.1. Логические вентили на МЭМС переключателях с пассивным размыканием

1.1.1. МЭМС вентили на консольных балках

1.1.2. МЭМС вентили на МЭМС переключателях с пассивным размыканием..................Ошибка! Закладка не определена.

1.1.3. Разработка модели МЭМС вентиля с пассивным размыканием

1.2. Логические вентили на МЭМС переключателях с активным размыканием

1.2.1. Разработка схемы полного сумматора на МЭМС переключателях с активным механизмом размыкания

1.2.2. Разработка схемы Б-триггера «защелки»

1.2.3. Разработка схемы D-триггера, управляемого отрицательным фронтом

1.2.4. Оптимизация конструкции МЭМС переключателя с активным механизмом размыкания

1.2.5. Экспериментальные исследования МЭМС переключателей с активным размыканием

1.3. Логические вентили на МЭМС резонаторах

1.3.1. Преимущества МЭМС резонаторов для логических вычислений

1.3.2. Логические вентили на наноконсолях и нанотрубках

1.3.3. Логические вычисления на балке, закрепленной с двух сторон34

1.3.4. Ограничения и проблемы

1.4. Выводы по главе

ГЛАВА 2. АНАЛИТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ МЭМС ВЕНТИЛЕЙ НА ОСНОВЕ РЕЗОНАТОРОВ

2.1. Маршрут проектирования МЭМС резонатора

2.2. Принцип действия многовходового МЭМС резонатора

2.2.1. Механическая подсистема

2.2.2. Электрическая подсистема

2.2.3. Компромисс добротности

2.2.4. Модель на языке описания аппаратуры

2.3. Тестирование модели

2.3.1. Анализ эффекта схлопывания

2.3.2. Частотный анализ

2.4. Реализация логических операций

2.5. Девятиконтактный МЭМС резонатор

2.6. Выводы по главе

ГЛАВА 3. МАРШРУТ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МЭМС ВЕНТИЛЕЙ НА ОСНОВЕ ГРЕБЕНЧАТОГО РЕЗОНАТОРА

3.1. Расчет геометрических размеров конструкции резонатора

3.1.1. Оптимизация зазора между электродами в емкостной ячейке

3.1.2. Расчет инерционной массы

3.1.3. Расчет емкости и чувствительности

3.1.4. Расчет упругих подвесов

3.1.5. Демпфирование сжатия воздуха

3.1.6. Демпфирование скольжения

3.1.7. Добротность

3.2. Параметрические исследования

3.2.1. Напряжение схлопывания

3.2.2. Резонансная частота

3.2.3. Добротность

3.2.4. Форма подвесов

3.2.5. Паразитные емкости между гребенками

3.2.6. Параметры и характеристики конструкции

3.3. Трёхмерная модель логического МЭМС элемента

3.3.1. Н-образная форма инерционной массы

3.4. Компактная модель логического МЭМС вентиля

3.5. Тестирование системной модели

3.5.1. Анализ эффекта схлопывания

3.5.2. Гармонический анализ

3.5.3. Реализация логических операций

3.6. Выводы по главе

ГЛАВА 4. ИЗГОТОВЛЕНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЭМС РЕЗОНАТОРОВ

4.1. Разработка топологического чертежа

4.2. Технологический процесс изготовления

4.2.1. Компенсация подтравливания

4.3. Измерения прототипов

4.3.1. СЭМ-изображения

4.3.2. Амплитудно-частотные характеристики резонатора

4.3.3. Добротность прототипов

4.3.4. Эффект электростатического смягчения жесткости подвесов

4.3.5. Емкости между электродами

4.4. Корпусирование

4.4.1. Измерение емкостей в корпусе

4.5. Сравнение с аналогами

4.6. Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. БЛОК-СХЕМА РАБОТЫ ПРОГРАММЫ ДЛЯ РАСЧЕТА

ГЕОМЕТРИИ ЛОГИЧЕСКОГО МЭМС ВЕНТИЛЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. АКТЫ О ВНЕДРЕНИИ И ИСПОЛЬЗОВАНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

КМОП - комплементарный металл-оксид-полупроводник;

ИС - интегральные схемы;

МОП - металл-оксид-полупроводниковый;

МКЭ - метод конечных элементов;

КЭ - конечные элементы;

МЭМС - микроэлектромеханическая система;

НЭМС - наноэлектромеханические системы;

РЧ - радиочастотный

СЭМ - сканирующая электронная микроскопия;

ИТ - информационные технологии;

САПР - системы автоматизированного проектирования;

ФПН - функционально полный набор;

СнК - система на кристалле;

ПО - программное обеспечение.

ВВЕДЕНИЕ

Диссертационная работа посвящена разработке и изготовлению микроэлектромеханических (МЭМС) логических вентилей с электростатическим возбуждением. В работе рассмотрены вопросы конструирования, анализа и оптимизации параметров логических МЭМС элементов, предназначенных, в частности, для реализации на их основе функционально полного набора логических операций, таких, как И, ИЛИ-НЕ и Исключающее ИЛИ. Рассматриваются принципы создания аналитических, трехмерных и системных моделей с учётом технологических норм, которые позволяют проводить анализ статических, частотных и динамических характеристик устройства.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Микроэлектромеханические логические вентили на основе гребенчатых резонаторов»

Актуальность работы

Элементная база современных вычислительных устройств основана на КМОП-технологии, однако дальнейшая миниатюризация КМОП-транзисторов сталкивается с физическими пределами, а эксплуатационные характеристики транзисторов ухудшаются при экстремальных температурах и ионизирующем излучении. В связи с этим возрастает интерес к альтернативным подходам, среди которых перспективным направлением является реализация логических функций на основе МЭМС устройств.

Рынок микроэлектромеханических систем (МЭМС) и компонентов продолжает динамически развиваться с 90-х годов прошлого века [1]. Существуют как простейшие конструктивные компоненты балочного и мембранного типа, так и сложные исполнительные устройства и многокомпонентные инерциальные системы из моно- и поликристаллического кремния. МЭМС устройства используются в датчиках и приводах, дополняя функциональность классических решений [2, 3].

Одним из ключевых преимуществ МЭМС-переключателей для применения в логических вычислениях является их низкое энергопотребление, достигаемое за счет отсутствия тока в выключенном состоянии. МЭМС переключатели используются для реализации простых логических вентилей, сложных цифровых

схем и интерфейсных схем ввода-вывода. Принцип работы этих устройств основан на электростатическом притяжении подвижного электрода (затвора) к фиксированному контактному электроду за счет приложенных сигналов на управляющие электроды. В работах [4-6] приведены конструкции МЭМС вентилей на основе матрицы консольных балок и МЭМС переключателей с пассивным механизмом размыкания. Недостатки указанных конструкций: ограниченное количество рабочих циклов из-за залипания подвижного электрода при контакте с управляющим электродом, разрушение и износ контактов, нестабильное контактное сопротивление.

Для решения проблемы залипания подвижного электрода логических МЭМС вентилей применяют МЭМС переключатели, использующие активный механизм размыкания. В работе [7] представлена конструкция логического МЭМС вентиля типа качели. Недостатки указанной конструкции: высокие рабочие напряжения, разрушение контактов, нестабильное контактное сопротивление. Для устранения данных проблем используют МЭМС-резонаторы.

В работах, посвященных конструкциям МЭМС резонаторов, отмечается, что они являются перспективной альтернативой кварцевым резонаторам [2], датчикам температуры [8] и устройствам для механических вычислений [9-11]. В этих работах отмечаются их преимущества, к которым относятся: низкое энергопотребление [12], снижение количества используемых функциональных элементов по сравнению с традиционными КМОП-конструкциями [13,14], возможность перепрограммирования во время работы [15], реализация на их основе обратимых вычислений [17]. В этих устройствах состояние выхода логической единицы и логического нуля определяется как отношение сигнала резонанса к сигналу вне резонанса, что обеспечивает потенциально более высокую надежность благодаря бесконтактному режиму работы [1 8] по сравнению с гальваническими МЭМС переключателями [19], подверженными деградации контактных площадок.

Однако, логические вентили на основе МЭМС резонаторов, представленные в данных работах, обладают низкой чувствительностью из-за малых управляющих

емкостей и требуют дорогостоящих герметичных корпусов, поскольку функционируют только при давлении 800 Па. Кроме того, отсутствуют методика создания моделей МЭМС резонаторов для анализа на системном уровне и библиотеки моделей логических МЭМС вентилей с тестовыми окружениями, адаптированные для современных систем проектирования. Это затрудняет анализ статических, частотных и динамических характеристик, необходимых для практической реализации функционально полного набора логических операций и проектирования цифровых схем на основе МЭМС.

Цель работы заключается в разработке и исследованиях конструктивно-технологических решений для изготовления логических вентилей на основе МЭМС резонаторов с улучшенной чувствительностью к изменению емкости, обусловленной перемещением инерционной массы, работающих при атмосферном давлении. Для достижения цели поставлены следующие задачи.

1. Исследовать функциональные возможности и физические основы создания логических вентилей на основе МЭМС резонаторов с целью выбора конструкции, обеспечивающей надежное выполнение логических операций.

2. Разработать маршрут конструирования логических элементов на основе МЭМС, обеспечивающий выбор геометрических размеров и функциональных характеристик устройства с учетом технологических норм.

3. Разработать аналитические, трехмерные и системные модели МЭМС вентилей и тестовое окружения для их верификации, анализа статических, частотных и динамических характеристик и реализации набора логических операций.

4. Разработать чертежи топологии логических МЭМС вентилей с учетом технологических норм для проектирования и с соответствующей коррекцией фотолитографических масок, учитывающих эффект подтравливания и изготовить прототипы устройств.

5. Выполнить экспериментальные исследования характеристик прототипов логических МЭМС вентилей на соответствие заданным требованиям.

Методы исследования

Для проектирования прототипов применялись общепринятые методики моделирования трехмерных конструкций методом конечных элементов (МКЭ). В ходе экспериментальных исследований прототипов применялись методы оптической и растровой электронной микроскопии и лазерной доплеровской виброметрии.

Обоснованность и достоверность результатов

Обоснованность методов исследования подтверждается их успешным применением в аналогичных задачах, описанных в российской и международной научной литературе. Достоверность полученных результатов подтверждена согласованностью теоретических и экспериментальных данных, представленных в работе, а также с результатами, опубликованными в зарубежных источниках.

Апробация работы

Результаты диссертационного исследования были представлены автором лично на восьми российских и международных конференциях:

1. XIII Международная конференция «Кремний-2020» (Гурзуф, Республика Крым, Россия, 21-25 сентября, 2020).

2. Российская научно-техническая конференция с международным участием «Оптические технологии, материалы и системы» (Оптотех — 2020, Москва, Россия, 10-11 декабря, 2020).

3. XV Отраслевая научно-техническая конференция молодых специалистов Росатома «Высокие технологии атомной отрасли. Молодежь в инновационном процессе» (Нижний Новгород, Россия, 15-16 сентября, 2021).

4. Школа молодых ученых в рамках VII Российского форума «Микроэлектроника-2021» (ШМУ-2021, Гурзуф, Республика Крым, 27 сентября — 01 октября, 2021).

5. Международная научно-практическая конференция «Цифровые двойники: создание, применение, эффективность» (Москва, Россия, 26 мая, 2022).

6. Российский форум «Микроэлектроника 2022» (Сочи, Россия, 2-8 октября,

2022).

7. 16-ая Международная научно-техническая конференция «Приборостроение - 2023» (Минск, Республика Беларусь, 15-17 ноября 2023).

8. Международная научно-практическая конференция «Компьютерное проектирование в электронике» (EDA Conference 2024, Минск, Республика Беларусь, 28 ноября 2024).

Научная новизна

1. Предложена конструкция перепрограммируемого логического элемента на основе МЭМС резонатора с перфорированным подвижным электродом H-образной формы, закрепленным в углах на неподвижных анкерах с помощью четырех упругих П-образных подвесов с ограничителями максимального перемещения. Конструкция содержит гребенчатые структуры, образующие емкостные ячейки с начальным смещением подвижного электрода, расположенные на подвижном электроде и на неподвижных симметрично расположенных четырех внешних и четырех внутренних боковых электродах (подана заявка на полезную модель № 2025102826, решение о выдачи патента от 07.04.2025).

2. Предложен маршрут проектирования МЭМС, состоящий из расчета геометрических параметров конструкции логического МЭМС вентиля по оригинальному алгоритму и с учётом технологических норм, этапов создания трехмерной модели устройства на основе библиотеки параметрических компонентов и генерации компактной модели МЭМС резонатора для анализа на системном уровне (получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2024682380).

3. Разработана методика создания параметризированных аналитических моделей и библиотека системных моделей логических МЭМС вентилей на основе многовходовых резонаторов на языках VHDL-AMS и Verilog-A с тестовыми окружениями для анализа статических, частотных и динамических характеристик, для практической реализации функционально полного набора логических операций и проектирования сложных цифровых схем.

4. Изготовлена оригинальная кремниевая интегральная схема с H-образными гребенчатыми многовходовыми резонаторами, работающими при атмосферном

давлении в частотном диапазоне 40 и 110 кГц, с чувствительностью 930 пФ/мкм и с добротностью 20, помещенная в отечественные металлокерамические корпуса 4119.28-1 и ИДЯУ.301176.015. 3.

Практическая значимость

1. Изготовлены прототипы логических МЭМС вентилей на основе гребенчатых МЭМС резонаторов Н-образной формы с улучшенной емкостной чувствительностью, работающие при атмосферном давлении, которые могут применяться для дальнейших экспериментальных исследований реализации логических операций на основе МЭМС.

2. Разработанный маршрут проектирования, включающий расчет геометрических параметров устройства с помощью аналитических выражений и подход к созданию трёхмерных моделей на основе библиотеки параметрических компонентов и генерации компактных моделей для системного анализа, может применяться для создания других типов МЭМС, например, акселерометров и гироскопов.

3. Библиотека аналитических и компактных моделей на VHDL-AMS и Verilog-A многовходовых перепрограммируемых логических МЭМС элементов может быть использована для дальнейшего каскадирования таких устройств для построения сложных цифровых схем, создания типовых узлов вычислительных систем, включая дешифраторы команд и арифметико-логические устройства на основе МЭМС.

Полученные результаты диссертационной работы позволяют расширить существующие предоставления и знания о конструировании МЭМС и развивает принцип разработки логических МЭМС вентилей, выполняющих функционально полный набор логических операций с помощью одного универсального устройства.

Внедрение результатов и рекомендации по их использованию

Результаты диссертационного исследования внедрены и используются при выполнение опытно-конструкторских работ по разработке МЭМС в ООО «Маппер» и АО «Гирооптика» и в учебном процессе РТУ МИРЭА, что подтверждено соответствующими актами.

Результаты диссертационного исследования использованы при выполнении государственного задания № FSFZ-2023-0005 Министерства науки и высшего образования РФ и гранта на выполнение научно-исследовательских работ и оценку перспектив коммерческого использования результатов в рамках реализации инновационного проекта «Разработка логического микроскопического механического устройства, выдерживающего радиоактивное излучение и нагрев» (Договор №225ГУЦЭС8-03/56502) ФГБОУ «Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере».

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Разработанные в данной диссертационной работе параметризированные аналитические модели на языке VHDL-AMS позволили учитывать электростатические и механические взаимодействия в логическом МЭМС вентиле на основе резонатора, прогнозировать статические, частотные и динамические характеристики устройства, разработать принцип перепрограммирования выполнения логических операций на одном структурном МЭМС элементе и определить критерии к параметрам устройства.

2. При различных комбинациях допустимых управляющих напряжений (до 50 В), логические МЭМС вентили с добротностью Q=20 при атмосферном давлении обеспечили минимальное время переключения (не более 0,1 мс) и разделение пиков амплитудно-частотной характеристики, соответствующих логическим операциям ИЛИ-НЕ, Исключающее ИЛИ, И, более, чем на 6 кГц.

3. Н-образная инерционная масса позволила разместить гребенчатые структуры на внешних и внутренних гранях, образуя 324 емкостные ячейки с поперечным перемещением, работающие по принципу перекрытия зазора, увеличив чувствительность устройства до 930 пФ/мкм за счет увеличения общей емкости до 3,9 пФ.

4. Разделение симметрично расположенных управляющих электродов экранирующими электродами и начальное смещение подвижного электрода емкостной ячейки с соотношением воздушных зазоров, равным 2,5, позволили

получить максимальное значение чувствительности элементарной емкостной ячейки, составляющее 3 пФ/мкм при наименьшей ширине электрода в 3 мкм.

5. ^образная форма недеформируемой инерционной массы и П-образные упругие подвесы с ограничителями перемещения обеспечили режим колебаний преимущественно только вдоль продольной оси и ограничили максимальное перемещение 2 мкм, обеспечивая разделение частот первой и второй моды собственных колебаний более чем в 2,4 раза.

Личный вклад автора состоит в разработке методики проектирования и моделирования логических МЭМС вентилей, в разработке аналитических, трехмерных и системных моделей МЭМС устройств. Автором лично проводились расчеты параметров геометрической конструкции логического МЭМС вентиля на основе гребенчатого резонатора. Автор принимал непосредственное участие в анализе полученных результатов, а также в подготовке публикаций в научные журналы и в подаче заявок на регистрацию программы для ЭВМ и патента на полезную модель.

Изготовление интегральных схем осуществлялось по разработанным автором чертежам топологии с использованием технологии глубокого реактивного ионного травления. Интегральные схемы, разработанные автором, размещены в металлокерамические корпуса типов 4119.28-1 и ИДЯУ.301176.015 в АО "НПП "Пульсар" и АО «Гирооптика».

Постановка задач исследования и обсуждение результатов в диссертации и научных статьях осуществлялись совместно с научным руководителем.

Публикации

Результаты диссертационного исследования опубликованы в 6 публикациях в рецензируемых научных изданиях ВАК, индексируемых базой данных RSCI и включенных в «Белый список». Получено 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ и 1 патент на полезную модель.

Структура работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы, содержащего 152 источников. Общий объем диссертации составляет 131 страница, в том числе 68 рисунков и 11 таблиц.

Благодарности

Автор выражает огромную благодарность PhD, ведущему инженеру-конструктору QORVO Munich GmbH Колчужину В.А. и научному руководителю директору центра проектирования интегральных схем, устройств наноэлектроники и микросистем РТУ МИРЭА, к.т.н., доценту Певцову Е.Ф.

ГЛАВА 1. МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ВЕНТИЛИ

С уменьшением топологических норм проектирования цифровых интегральных схем на основе КМОП технологии увеличиваются подпороговые токи утечки затвора и р-^перехода, которые могут приводить к неуправляемым потерям энергии, увеличению энергопотребления схем, ограничению автономной работы устройств, а также возрастает необходимость в использовании системы охлаждения [9].

Полупроводниковые приборы демонстрируют значительное ухудшение рабочих характеристик в условиях ионизирующего излучения и при высоких температурах (свыше 150°С). Основной механизм деградации связан с накоплением объемного заряда в оксидном слое ^Юг) и на границах раздела областей, что приводит к неконтролируемому смещению порогового напряжения и увеличению тока утечки в структуре металл-оксид-полупроводник (МОП) [20]. Методы радиационной защиты, в частности, применение подложек с широкой запрещенной зоной ^Ю, GaN, АШ), пассивное экранирование свинцовыми или вольфрамовыми оболочками, применение биполярных транзисторов (БПТ) вместо МОП-структур позволяют увеличить устойчивость лишь на 15-25% при экстремальных условиях эксплуатации. Однако эти меры не устраняют фундаментальных ограничений, связанных с радиационно-индуцированной генерацией дефектов в кристаллической решетке [20].

В настоящее время активно исследуются альтернативные технологии, такие как спинтроника, плазмоника, фотоника и биотехнологии, обладающие потенциалом для повышения энергоэффективности, масштабируемости и радиационной стойкости цифровых электронных устройств. Однако ключевыми ограничениями их внедрения является отсутствие коммерчески доступных решений - большинство разработок находятся на стадии лабораторных прототипов и не соответствуют по производительности и стоимости КМОП-технологиям. Методы изготовления таких устройств, например, синтез спиновых структур или интеграция плазмонных компонентов, зачастую несовместимы с существующими

кремниевыми производственными процессами. Новые технологии не имеют отлаженных цепочек массового производства, что увеличивает сроки их коммерциализации.

Для преодоления фундаментальных ограничений масштабирования КМОП-технологий осуществляется переход от традиционного масштабирования отдельного транзистора к системно-ориентированной парадигме проектирования. Данный подход предполагает гетерогенную интеграцию разнородных подсистем (механических, оптических, электрохимических и электронных) в едином корпусе с использованием технологии 3D-интеграции. Важная роль в данном подходе отведена микроэлектромеханическим системам (МЭМС) [21].

Логические элементы на основе электростатических МЭМС являются перспективными аналогами полупроводниковых устройств. К их основным достоинствам относятся [22-24]:

1) Энергоэффективность:

а) Отсутствие статических токов утечки (^ ~ 0) в закрытом состоянии.

б) Потребление энергии только в моменты переключения [26].

2) Электрические характеристики:

а) Линейность передаточной характеристики в рабочем диапазоне.

б) Высокий коэффициент изоляции в выключенном состоянии.

3) Надежность в экстремальных условиях:

а) Радиационная стойкость [27,28].

б) Широкий температурный диапазон работы.

в) Устойчивость к электромагнитным помехам.

4) Технологические преимущества:

а) Совместимость с КМОП-процессами.

б) Возможность 3D-интеграции.

Перспективными направлениями применения логических вентилей на основе МЭМС являются космические системы (микроробототехника, системы навигации, датчики), ядерная энергетика (системах ядерного контроля, сенсоры для реакторов) и высокотемпературная электроника [25].

Электростатические МЭМС переключатели представляют собой устройства, состоящие из двух компонентов: подвижного и неподвижного электродов. Подвижный электрод выполняется в виде консольной балки, мембраны или мостовой конструкции. Неподвижная часть устройства включает два элемента: актуаторный (управляющий) и коммутируемый (сигнальный) электроды.

Принцип действия устройства основан на электростатическом взаимодействии. При подаче управляющего напряжения между подвижным и управляющим электродами возникает электростатическая сила притяжения, приводящая к деформации подвижной балки. Ключевым параметром работы является напряжение срабатывания (pull-in voltage). При достижении данного порогового значения происходит резкий прогиб балки, приводящий к ее контакту с коммутируемым электродом и, следовательно, к включению устройства.

Размыкание МЭМС переключателя после снятия управляющего напряжения происходит пассивным способом за счет упругих сил деформированной конструкции. Данный механизм, не требующий внешних источников энергии, способствует снижению общего энергопотребления системы [29].

1.1. Логические вентили на МЭМС переключателях с пассивным размыканием

1.1.1. МЭМС вентили на консольных балках и на МЭМС переключателях с пассивным размыканием

В работах [4, 43-49] приведены конструкции МЭМС вентилей на основе матрицы консольных балок и цифровые схемы на их основе [50], которые могут быть сформированы на BEOL этапах [51,52] стандартного процесса производства КМОП интегральных схем (ИС), что обеспечивает компактную реализацию гибридных схем КМОП-МЭМС [53-63].

В работах [5, 30-34] приведены конструкции логических МЭМС вентилей на основе МЭМС переключателей с пассивным механизмом размыкания и цифровые схемы на их основе [35, 36]. МЭМС переключатели характеризуются сверхнизким энергопотреблением благодаря нулевому току в выключенном состоянии. Они

используются для реализации простых логических вентилей, сложных цифровых схем и интерфейсных схем ввода-вывода. Принцип работы этих устройств основан на замыкании подвижного электрода (затвора) с фиксированным электродом за счет приложенных сигналов на управляющие электроды.

В работах [37-40] представлена конструкция логического МЭМС вентиля на основе двух поперечных мостов с узорчатыми металлическими контактами «Исключающее ИЛИ» (рис. 1.1).

Верхний мост^зМ,,) /

\ Х/Затвор

Нижний мост

Рис. 1.1. Схема логического вентиля «Исключающее ИЛИ» на основе МЭМС При контакте областей верхнего (Сток и Затвор 1) и нижнего моста (Исток и

Затвор 2), выполняется логическая функция «Исключающее ИЛИ» [39]

Для реализации цифровых схем на основе МЭМС необходимо меньшее количество МЭМС устройств, по сравнению со схемами на КМОП-транзисторах. Логический вентиль «Исключающее ИЛИ» работает без существенного ухудшения основных характеристик при высокой температуре и при 90 кВт ионизирующего излучения в течение 120 мин [25].

Современные МЭМС-переключатели требуют высоких управляющих напряжений (20-120 В) для срабатывания [41, 42], что ограничивает их применение. Исследования [64] показывают, что снижение жесткости подвижного электрода уменьшает необходимое напряжение срабатывания, поскольку для прогиба менее жесткой конструкции требуется меньшая электростатическая сила.

При этом увеличивается вероятность отказа и снижается количество рабочих циклов переключения из одного логического состояния в другое из-за залипания подвижного и управляющего электродов при их контакте [93]. 1.1.2. Разработка модели МЭМС вентиля с пассивным размыканием

При выполнении данной диссертационной работы разработана конструкция логического вентиля (см. рис. 1.2) на основе МЭМС переключателя с подвижным электродом [65, 66], подвешенным на загнутых подвесках над двумя парами электродов сток/исток и двумя управляющими электродами одинаковой площади, электрически соединенными для обеспечения симметричного воздействия на процесс активации устройства. Управление логическим МЭМС вентилем осуществляется электростатическим способом.

Рис. 1.2. Логический МЭМС вентиль с двумя затворами и двумя парами

исток/сток

При подаче управляющего напряжения на затвор 1 при нулевом потенциале на затворе 2 и нулевом смещении корпуса (Ув = 0 В), напряжение включения (У и) составляет 15 В, а напряжение размыкания (Уыь) — 9 В. Аналогичные характеристики переключения наблюдаются при использовании затвора 2 в качестве управляющего электрода, что демонстрирует одинаковое влияния затворов 1 и 2 на процесс переключения.

При одновременной активации обоих затворов происходит снижение напряжений переключения до У и =11 В и Укь = 6 В. Снижение напряжения переключения объясняется увеличением эффективной площади срабатывания, что приводит к увеличению результирующей электростатической силы между подвижным и фиксированным электродами. Данный принцип позволяет гибко управлять переключением вентиля, изменяя напряжения смещения на подвижном электроде при использовании одного или двух затворов. Таким образом, изменяя результирующую электростатическую силу, можно обеспечить как достаточное, так и недостаточное усилие для замыкания МЭМС-переключателя. Например, для реализации логической операции "И" требуется установить напряжение смещение подвижного электрода Ув = -4 В при напряжении затвора У о = 8 В. При этом замыкание контактов происходит только при одновременной подаче высокого уровня напряжения (8 В) на оба затвора. В табл. 1.1 приведены значения напряжений смещения подвижного электрода, необходимые для выполнения различных логических операций.

Табл. 1.1. Напряжение смещения подвижного электрода для логических вентилей

Логическая Операция И И-НЕ ИЛИ ИЛИ-НЕ

Напряжение смещения подвижного электрода (Ув), В -4 15 -7 12

Многоэлектродная конструкция логического МЭМС вентиля обеспечивает возможность создания динамически перестраиваемых схем с несколькими входами и выходами. На рис. 1.3 представлена схема, состоящая из двух объединенных логических МЭМС вентилей на основе МЭМС переключателей с двумя затворами и двумя парами электродов сток/исток, которая выполняет логические операции "И/И-НЕ" или "ИЛИ/ИЛИ-НЕ" в зависимости от поданного напряжения смещения на подвижный электрод МЭМС переключателя.

Рис. 1.3. Динамически конфигурируемая логическая схема, состоящая из двух МЭМС вентилей с двойным затвором и двойным истоком/стоком. (а) Цифровая схема и значение напряжения смещения для реализации логической операции И/И-НЕ. Увб = 8 В, Ув_июи = 15 В и Ув_ьош = -4 В. (Ь), (с), Входные и

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Соловьев Александр Анатольевич, 2025 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. MEMS @ 40, URL: https://spectrum.ieee.org/collections/mems-at-40/ (дата обращения: 24.06.2024);

2. Ultra-robust MEMS timing solutions improve performance and reliability in meter applications, URL: https://www.sitime.com/support/resource-library/white-papers/ultra-robust-mems-timing-solutions-improve-performance-and (дата обращения: 24.06.2024);

3. New Watch Motor Seeks to Outsmart the Smartwatch, MEMS-based tech from French startup SilMach could revolutionize watchmaking, February 2024, MEMS Makes Watches Better, URL: https://spectrum.ieee.org/quartz-watch (дата обращения: 24.06.2024);

4. Патент США US10536150B1. МПК H03K19/20. Microelectromechanical systems-based logic gates / Marcus Granger-Jones, Nadim Khlat; заявитель и патентообладатель Qorvo US Inc - US16/354,854 B1; заявл. 2019-03-15; опубл. 2020-01-14.

5. Патент США US9318290B2. МПК H01H59/0009. High voltage control with digital MEMS logic / Michael Y. Frankel; заявитель и патентообладатель Ciena Corp -US14/030,621; заявл. 2013-09-18; опубл. 2016-04-19.

6. Chowdhury, F. K., Saab, D., & Tabib-Azar, M. (2012). Single-device "XOR" and "AND" gates for high speed, very low power LSI mechanical processors. Sensors and Actuators A: Physical, 188, 481-488.

7. Tsai, C. Y., Kuo, W. T., Lin, C. B. & Chen, T. L., Design and fabrication of MEMS logic gates, J. Micromech. Microeng. 18, 045001 (2008)

8. Патент США US20110210801. МПК H03H9/2463. Temperature measurement system comprising a resonant mems device / Xavier Rottenberg, Roelof Jansen, Hendrikus Tilmans; заявитель и патентообладатель Interuniversitair Microelektronica Centrum vzw IMEC - US13/033,932; заявл. 2011-02-24; опубл. 2011-09-01.

9. Fariborzi H. et al. Relays do not leak: CMOS does, in Proc. 50th Annu. Design Automat. Conf. (DAC), 2013, pp. 1-4

10.Hatanaka D., Mahboob I., Okamoto H., Onomitsu K., Yamaguchi H. An electromechanical membrane resonator, Applied Physics Letters, 2012, 101 (6), 063102.

11.Roukes M. L. Mechanical compution, redux? [Nanoelectromechanical systems], in IEDM Technical Digest. IEEE International Electron Devices Meeting, 2004, pp. 539542.

12.Li R., Fariborzi H. Ultra-Low Power Data Converters with BEOL NEM Relays, in 2018 IEEE 61st International Midwest Symposium on Circuits and Systems (WSCAS), 2018, pp. 627-630.

13.Spencer M., Chen F., Wang C. C., et al. Demonstration of Integrated Micro-ElectroMechanical Relay Circuits for VLSI Applications, IEEE J. Solid-State Circuits, 2011, vol. 46, no. 1, pp. 308-320.

14.Fariborzi H., Chen F., Stojanovic V., Nathanael R., Jaeseok J., Tsu-Jae King L. Design and demonstration of micro-electro-mechanical relay multipliers, in IEEE Asian Solid-State Circuits Conference 2011, 2011, pp. 117-120.

15.Hafiz, M. A. A., Kosuru, L., and Younis, M. I., 2016, "Microelectromechanical Reprogrammable LogicDevice," Nat. Commun., 7 (1), p. 11137.

16.Патент US20190341920A1. МПК H03H9/02259. Mechanical resonator based cascadable logic device / Saad Ilyas, Md Abdullah Al Hafiz, Hossein FARIBORZI, Mohammad Ibrahim YOUNIS; заявитель и патентообладатель King Abdullah University of Science and Technology KAUST - US16/332,150; опубл. 11.02.2020; опубл. 15.04.2021.

17.Wenzler, J.-S., Dunn, T., Toffoli, T., & Mohanty, P. (2013). A Nanomechanical Fredkin Gate. Nano Letters, 14(1), 89-93.

18.Патент США US11031937B2. МПК H03K19/21. Dual electro-mechanical oscillator for dynamically reprogrammable logic gate / Karumbaiah Chappanda NANAIAH Mohammad Ibrahim YOUNIS; заявитель и патентообладатель King Abdullah

University of Science and Technology KAUST - US16/606,436; заявл. 17.04.2018; опубл. 15.04.2021.

19.David C., Christopher D. N., Christopher W. D., Gary A. P., Garth M. K., William D. C. Lifetime limitations of ohmic, contacting RF MEMS switches with Au, Pt and Ir contact materials due to accumulation of 'friction polymer' on the contacts, Journal of Micromechanics and Microengineering, 2012, vol. 22, no. 10, p. 105005.

20. Энергосберегающая элементная база современной микро- и наноэлектроники -2021. Режим доступа: https://roscongress.org/sessions/kmu-2021-energosberegayushchaya-elementnaya-baza-sovremennoy-mikro-i-nanoelektroniki/translation/ (дата обращения: 25.12.2023).

21.Luming Wang, Pengcheng Zhang, Zuheng Liu, Zenghui Wang, Rui Yang, "On-chip mechanical computing: status, challenges, and opportunities," in Chip, Volume 2, Issue 1, 2023, 100038, doi: https://doi.org/10.1016/j.chip.2023.100038.

22.Bradley, K. C., 2003. "Mechanical computing in microelectromechanical systems (mems)". Master's thesis, Air Force Institute of Technology.

23.Pott, V., Kam, H., Nathanael, R., Jeon, J., Alon, E., and Liu, T.-J. K., "Mechanical computing redux: Relays for integrated circuit applications," Proceedings of the IEEE, vol. 98, no. 12, pp. 2076-2094, 2010.

24.Kam, H., Liu, T.-J. K., Markovic, D., Alon, E., et al., 2011. Design, optimization, and scaling of mem relays for ultra-low-power digital logic". IEEE Transactions on electron devices, 58(1), pp. 236-250.

25. Соловьев А.А. Реализация функционально полного набора логических вентилей на основе МЭМС // Наноиндустрия. - 2020. - Т. 13. - № S5-3 (102). - С. 899-902

26. S. Saha, A. Singh, M. S. Baghini, M. Goel, and V. R. Rao, "Stand-by power reduction using experimentally demonstrated nanoelectromechanical switch in CMOS technologies," IEEE Trans. Electron Devices, vol. 68, no. 2, pp. 746-752, Feb. 2021, doi: 10.1109/TED.2020.3041434.

27.O'Mahony C., Olszewski O., Hill R. et al. Reliability assessment of MEMS switches for space applications: laboratory and launch testing. // Journal of Micromechanics and Microengineering. 2014. Vol. 24. P. 125009.

28.Smith, Bennett & Mamun, Md Ataul & Horstmann, Benjamin & Özgür, Ümit & Avrutin, Vitaliy. (2023). Multi-Gate In-Plane Actuated NEMS Relays for Effective Complementary Logic Gate Designs. Journal of Microelectromechanical Systems. PP. 1-8. 10.1109/JMEMS.2023.3313100.

29.Varadan V. K., Vinoy K. J., Jose K. A. RF MEMS and their applications. Chichester, West Sussex: John Wiley and Sons Ltd, 2003. 394 p.

30.Marvin, Jessica & Jang, Michael & Contreras, Daniel & Spencer, Matthew. (2022). A Normalized Model of a Microelectromechanical Relay Calibrated by Laser-Doppler Vibrometry. Micromachines. 13. 1728. 10.3390/mi13101728.

31.Kang, Min & Choi, Woo. (2020). Dynamic Slingshot Operation for Low-Operation-Voltage Nanoelectromechanical (NEM) Memory Switches. IEEE Access. PP. 1-1.

32.Y. Li et al., "Design and Fabrication of A 4-Terminal In-Plane Nanoelectromechanical Relay," 2023 22nd International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems (Transducers), Kyoto, Japan, 2023, pp. 824-826.

33.N. Sinha, T. S. Jones, G. Zhijun, and G. Piazza, "Body-biased complementary logic implemented using AlN piezoelectric MEMS switches," in Electron Devices Meeting (IEDM), 2009 IEEE International, 2009, pp. 1-4.

34. N. Sinha, Z. Guo, V. V. Felmetsger, and G. Piazza, "100 NM THICK ALUMINUM NITRIDE BASED PIEZOELECTRIC NANO SWITCHES EXHIBITING 1 MV THRESHOLD VOLTAGE VIA BODY-BIASING," in Solid-State Sensors, Actuators, and Microsystems Workshop, Hilton Head Island, South Carolina, 2010.

35.Li, Ren & Fariborzi, Hossein. (2022). MEM Relay For the Internet of Things Applications. 1-4. 10.1109/SBMICRO55822.2022.9881019.

36.Zhong, Hongtao & Cao, Shengjie & Jiang, Li & An, Xia & Narayanan, Vijaykrishnan & Liu, Yongpan & Yang, Huazhong & Li, Xueqing. (2021). DyTAN: Dynamic Ternary Content Addressable Memory Using Nanoelectromechanical Relays. IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems. PP. 1-13. 10.1109/TVLSI.2021.3115622.

37.Chowdhury, F. K., Saab, D., & Tabib-Azar, M. (2012). Single-device "XOR" and "AND" gates for high speed, very low power LSI mechanical processors. Sensors and Actuators A: Physical, 188, 481-488.

38.Han, S., Saab, D. G., & Tabib-Azar, M. (2018). Design, Modeling, and Simulation of a New Nanoelectromechanical Switch for Low-Power Applications. IEEE Transactions on Electron Devices, 65(8), 3438-3446.

39.F. K. Chowdhury, K. N. Chappanda, D. Saab, and M. Tabib-Azar, "Novel SingleDevice "XOR" and "AND" Gates for High Speed, Very Low Power LSI Mechanical Processors " presented at the The 16th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems, Beijing, China, 2011.

40.Chowdhury, F. K., Choe, D., Jevremovic, T., & Tabib-Azar, M. (2011). Design of MEMS based XOR and AND gates for rad-hard and very low power LSI mechanical processors. 2011 IEEE SENSORS Proceedings.

41.Sharma A. K., Gautam A. K., Farinelli P. et al. A Ku band 5 bit MEMS phase shifter for active electronically steerable phased array applications. // Journal of Micromechanics and Microengineering. 2015. Vol. 25. P. 035014.

42.Mulloni V., Resta G., Margesin B. Clear evidence of mechanical deformation in RF-MEMS switches during prolonged actuation. // Journal of Micromechanics and Microengineering. 2014. Vol. 24. P. 075003.

43.R. Li and H. Fariborzi, "Design and Demonstration of MEM Relay-Based Arithmetic and Sequential Circuit Blocks," in IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 68, no. 12, pp. 6415-6421, Dec. 2021, doi: 10.1109/TED.2021.3118663.

44.K. Akarvardar et al., "Design Considerations for Complementary Nanoelectromechanical Logic Gates," 2007 IEEE International Electron Devices Meeting, Washington, DC, USA, 2007, pp. 299-302, doi: 10.1109/IEDM.2007.4418930.

45.R. Parsa et al., "Nanoelectromechanical relays with decoupled electrode and suspension," 2011 IEEE 24th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems, Cancun, Mexico, 2011, pp. 1361-1364, doi: 10.1109/MEMSYS.2011.5734687.

46.Sumit Saha ea, Impact of Thermal Effects on the Performance of the Power Gating Circuits Using NEMS, FinFETs, and NWFETs, IEEE Transactions on Electron Devices, VOL. 68, NO. 6, JUNE 2021

47.G. T. Park, J. W. Lee, J. S. Woo and W. Y. Choi, "XNOR Operation of Binary Neural Networks Using Nanoelectromechanical Memory Switches," in IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 71, no. 12, pp. 7955-7962, Dec. 2024, doi: 10.1109/TED.2024.3486267

48.J. W. Lee, G. T. Park, M. S. Shin and W. Y. Choi, "Torsional-via-Assisted Nanoelectromechanical Memory Switches," in IEEE Electron Device Letters, vol. 45, no. 12, pp. 2573-2576, Dec. 2024, doi: 10.1109/LED.2024.3483752

49.R. Parsa, K. Akarvardar, J Provine, D. Lee, D. Elata, S. Mitra, et al., "Composite polysilicon-platinum lateral nanoelectromechanical relays " presented at the 14th Solid-State Sensors, Actuators, and Microsystems Workshop Hilton Head, South Carolina, 2010

50.V. Marot, M. K. Kulsreshath, Q. Tang, M. B. Krishnan and D. Pamunuwa, "Reconfigurable Non-Volatile 4-Way Routing Switch with Zero Standby Power," 2025 IEEE 38th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), Kaohsiung, Taiwan, 2025, pp. 611-614, doi: 10.1109/MEMS61431.2025.10917544.

51.T. -S. Kim, Y. -B. Lee, S. -Y. Lee, S. -H. Kim and J. -B. Yoon, "Highly Selective Etching of Silicon Dioxide Over Aluminum Using Mixtures of Sulfuric Acid and Hydrofluoric Acid," in Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 33, no. 6, pp. 729-735, Dec. 2024, doi: 10.1109/JMEMS.2024.3450911.

52.U. Sikder ea., Towards monolithically Integarted Hybrid CMOS-NEM Circuit, IEEE Transactions on Electron Devices, VOL. 68, NO. 12, December 2021

53.Li, R., Azhigulov, D., Allehyani, A., & Fariborzi, H. (2020). BEOL NEM Relay-Based Inductorless DC-DC Converters. 2020 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS)

54.Lars Prospero Tatum, Urmita Sikder, Tsu-Jae King Liu, Design Technology Co-Optimization for Back-End-of-Line Nonvolatile NEM Switch Arrays, IEEE Transactions on Electron Devices, VOL. 68, NO. 4, APRIL 2021

55.GEROLD SCHRÖPFER. There is Plenty of Room at the Top: Imagining Miniaturized Electro-Mechanical Switches in Low-Power Computing Applications. 2022. [Online] Available: https://semiengineering.com/there-is-plenty-of-room-at-the-top-imagining-miniaturized-electro-mechanical-switches-in-low-power-computing-applications/.

56.Sikder, Urmita & King Liu, Tsu-Jae. (2021). 3D Integrated CMOS-NEM Systems: Enabling Next-Generation Computing Technology. 1-4.

10.1109/IMFEDK53601.2021.9637634.

57.Lee, Jin & Park, Geun & Choi, Woo. (2024). Analytical Release Voltage Model of Monolithic 3-D Integrated NEMS Memory Switches. IEEE Transactions on Electron Devices. PP. 1-6.

58.Sikder, Urmita & Naous, Rawan & Stojanovic, Vladimir & King Liu, Tsu-Jae. (2022). Non-Volatile Nano-Electro-Mechanical Switches and Hybrid Circuits in a 16 nm CMOS Back-End-of-Line Process. IEEE Electron Device Letters. PP. 1-1. 10.1109/LED.2022.3221701.

59.Finnan, Collin & Tatum, Lars & King Liu, Tsu-Jae. (2024). Advanced Ferroelectric Modeling for BEOL Negative Capacitance Nanoelectromechanical Switches. 1-4.

60.Masud, Mohammad & Hurtado, Luis & Piazza, Gianluca. (2022). Non-Volatile Ternary Content Addressable Memory based on Phase Change Nanoelectromechanical (NEM) Relay. 65-68.

61.Li, Yingying & Worsey, Elliott & Bleiker, Simon & Edinger, Pierre & Kulsreshath, Mukesh & Tang, Qi & Takabayashi, Alain & Quack, Niels & Verheyen, Peter & Bogaerts, Wim & Gylfason, Kristinn & Pamunuwa, Dinesh & Niklaus, Frank. (2023). Integrated 4-terminal Single-Contact Nanoelectromechanical Relays Implemented in a Silicon-On-Insulator Foundry Process. Nanoscale. 15.

62.Sikder, Urmita & Horace-Herron, Kelsey & Yen, Ting-Ta & Usai, Giulia & Hutin, Louis & Stojanovic, Vladimir & King Liu, Tsu-Jae. (2021). Toward Monolithically

Integrated Hybrid CMOS-NEM Circuits. IEEE Transactions on Electron Devices. PP. 1-7. 10.1109/TED.2021.3122404.

63.Design and Analysis of Compact Ultra Energy-Efficient Logic Gates Using Laterally-Actuated Double-Electrode NEMS / Hamed F. Dadgour, Muhammad M. Hussain, Casey Smith et al. // DAC'10, June 13-18, 2010, Anaheim, СА, USA.

64.Kim M.-W., Song Y.-H., Yang H.-H., Yoon J. B. An ultra-low voltage MEMS switch using stiction-recovery actuation. // Journal of Micromechanics and Microengineering. 2013. Vol. 23. P. 045022.

65. Соловьев, А.А., Певцов Е.Ф. Интегральный электростатический микроэлектромеханический логический вентиль с подвижным затворным электродом / А. А. Соловьев, Е. Ф. Певцов // Наноиндустрия. - 2021. - Т. 14, № S7(107). - С. 765-766.

66.Соловьев А.А., Певцов Е.Ф. Интегральный микроэлектромеханический логический вентиль электростатического типа в // Наноиндустрия. - 2022. - Т. 15, № S8-2(113). - С. 595-601.

67.H. Kam, et al., "Design, Optimization, and Scaling of MEM Relays for Ultra-Low-Power Digital Logic," IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 58, No. 1, January 2011;

68.Rhesa Nathanael: "Nano-Electro-Mechanical (NEM) Relay Devices and Technology for Ultra-Low Energy Digital Integrated Circuits ", Dissertation, Electrical Engineering and Computer Sciences University of California at Berkeley, 2013

69.Analog Devices. ADGM1144 Datasheet. - [Электронный ресурс]. - URL: https://analog.com/media/en/technicaldocumentation/datasheets/adgm1144.pdf (Дата обращения: 25.02.2024).

70.S.-B. Kim, H.-W. Min, Y.-B. Lee, S.-H. Kim, P.-K. Choi, and J.-B. Yoon, "Utilizing mechanical adhesion force as a high contact force in a MEMS relay," Sens. Actuators A, Phys., vol. 331, Nov. 2021, Art. no. 112894, doi: 10.1016/j.sna.2021.112894.

71.Levy, Akash. (2024). Multi-Pole NEM Relays and Multiple-Bits-Per-Cell RRAM for Efficient 3-D ICs.

72.Lee, Jae & Choi, Woo. (2021). Nanoelectromechanical-Switch-Based Binary Content-Addressable Memory (NEMBCAM). IEEE Access. PP. 1-1. 10.1109/ACCESS.2021.3078531.

73.M. K. Kulsreshath et al., "Digital Nanoelectromechanical Non-Volatile Memory Cell," in IEEE Electron Device Letters, vol. 45, no. 4, pp. 728-731, April 2024, doi: 10.1109/LED.2024.3362956

74.T.-S. Kim, Y. -B. Lee, S. -H. Kim, S. -Y. Lee, S. -J. Lee and J. -B. Yoon, "Monolithically 3-D Integrated Nanoelectromechanical (NEM) Configuration Memory for CMOS-NEM Hybrid Demultiplexer," in IEEE Electron Device Letters, vol. 44, no. 12, pp. 2055-2058, Dec. 2023, doi: 10.1109/LED.2023.3322399

75.Y. -B. Lee et al., "A Fast and Energy-Efficient Nanoelectromechanical Non-Volatile Memory for In-Memory Computing," 2023 IEEE 36th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), Munich, Germany, 2023, pp. 5-8, doi: 10.1109/MEMS49605.2023.10052346.

76.Smith, Bennett & Mamun, Md Ataul & Horstmann, Benjamin & Özgür, Ümit & Avrutin, Vitaliy. (2025). Overcoming Welding and Contact Degradation Failures Incurred by Complementary N/MEMS Logic Gate Structures Fabricated on SOI Wafers. Journal of Microelectromechanical Systems. PP. 1-9. 10.1109/JMEMS.2025.3526543.

77.Харламов М. С. и др. Деградационные процессы устройств микросистемной техники //Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы. - 2018. - Т. 5. - №. 3. - С. 87-96.

78.Лагош А. В., Корляков А. В. Механизмы деградации ВЧ МЭМС-ключей //Нано-и микросистемная техника. - 2016. - Т. 18. - №. 5. - С. 316-331.

79.Wenzler, J.-S., Dunn, T., Toffoli, T., & Mohanty, P. (2013). A Nanomechanical Fredkin Gate. Nano Letters, 14(1), 89-93.69

80.Bhookya, R. & Ravindra, J.. (2024). Design of high speed hybrid full adder using reversible logic gates. 020017. 10.1063/5.0196570.

81.I.V. Uvarov, V.V. Naumov, O.M. Koroleva, E.I. Vaganova, I.I. Amirov, A low actuation voltage bistable MEMS switch: design, fabrication and preliminary testing, Proc. SPIE. 10224 (2016) 102241A.

82.Уваров И.В., Наумов В.В., Королева О.М., Ваганова Е.И., Амиров И.И. Бистабильный МЭМС-переключатель с механизмом активного размыкания электродов // Нано- и микросистемная техника. 2016. № 9. С. 582-588.

83.Uvarov, Ilia & Kupriyanov, A. (2018). Lifetime testing of a MEMS switch with Pt-Pt contact. Journal of Physics: Conference Series. 1124. 071008.

84.Соловьев, А.А., Певцов Е.Ф. Схемы полного сумматора, D-триггера на МЭМС-переключателях с активным механизмом размыкания // Наноиндустрия. - 2023. - Т. 16, № S9-2(119). - С. 338-342

85.J. M. Rabaey, A. P. Chandrakasan, and B. Nikolic, Digital Integrated Circuits: A Design Perspective. London, U.K.: Pearson, 2003.

86.Рабаи Жан М., Чандракасан А., Николич Б., Цифровые интегральные схемы. Методология проектирования. М. : ООО «ИД Вильямс», 2007. 912 с.

87.R. Li, R. Alhadrami, and H. Fariborzi, "BEOL NEM relay based sequential logic circuits," in Proc. IEEE Int. Symp. Circuits Syst. (ISCAS), May 2019, pp. 1-4.

88.J. Jeon, V. Pott, H. Kam, R. Nathanael, E. Alon, and T.-J. K. Liu, "Seesaw relay logic and memory circuits,« Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 19, no. 4, pp. 1012-1014, 2010

89.C.-Y. Tsai, T.-L. Chen, Design, fabrication and calibration of a novel MEMS logic gate, J. Micromech. Microeng. 20 (2010) 095021.

90.S. Ilyas, A. Arevalo, E. Bayes, I.G. Foulds, M.I. Younis, Torsion based universal MEMS logic device, Sens. Actuators A Phys. 236 (2015) 150-158.

91.Уваров И. В., Куприянов А. Н. Исследование характеристик МЭМС-переключателя электростатического типа с механизмом активного размыкания // Микроэлектроника, 2018, том 47, № 5, с. 30-37

92.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.

93.Zaghloul U., Papaioannou G., Bhushan B. et al. On the reliability of electrostatic NEMS/MEMS devices: Review of present knowledge on the dielectric charging and stiction failure mechanisms and novel characterization methodologies. // Microelectronics Reliability. 2011. Vol. 51. P. 1810-1818.

94.Abdelraouf, Mohamed & Kandil, Ali & Zahra, Waheed & Elsaid, Ahmed. (2024). Investigation of a MEMS resonator model with quintic nonlinearity. Journal of Physics: Conference Series. 2793.

95.D. N. Guerra, A. R. Bulsara, W. L. Ditto, S. Sinha, K. Murali, and P. Mohanty, "A noise-assisted reprogrammable nanomechanical logic gate," Nano letters, vol. 10, no. 4, pp. 1168-1171, 2010

96.Delvar, Ali & Babazadeh, Farshad. (2024). A 2xl Bit Multiplier Based on Vibrating Microelectromechanical Resonators. 1-4. 10.1109/IICM65053.2024.10824371.

97.Zou, Xuecui & Ahmed, Sally & Jaber, Nizar & Lu, Haoliang & Fariborzi, Hossein. (2023). Nonlinear Micro-Resonator-Based Comparator With Linear Hysteresis Tuning. Journal of Microelectromechanical Systems. PP. 1-11. 10.1109/JMEMS .2023.3296464.

98.Патент США US20220069824A1. МПК H03K19/21. Cascadable mems logic device based on modes activation / Sherif Adekunle TELLA, Mohammad Ibrahim YOUNIS; заявитель и патентообладатель King Abdullah University of Science and Technology KAUST - US17/411,698; заявл. 2021-08-25; опубл. 2022-03-03.

99.Tella, S.A.; Alcheikh, N.; Younis, M.I. A single MEMS resonator for reconfigurable multifunctional logic gates. J. Micromech. Microeng. 2018, 28, 095002.

100. S.A. Tella, M.I. Younis, "Toward cascadable MEMS logic device based on mode localization," in Sensors and Actuators A: Physical, Volume 315, 2020, 112367, ISSN 0924-4247, https://doi.org/10.1016/j.sna.2020.112367.

101. S. Ilyas, S. Ahmed, A. A. H. Md, H. Fariborzi, and M. I. Younis, "Cascadable microelectromechanical resonator logic gate," Journal of Micromechanics and Microengineering, vol. 29, no. 1, p. 015007, 2018

102. Ahmed, Sally & Zou, Xuecui & Jaber, Nizar & Younis, Mohammad & Fariborzi, Hossein. (2020). A Low Power Micro-Electromechanical Resonator-Based Digital to

Analog Converter. Journal of Microelectromechanical Systems. PP. 1-9. 10.1109/JMEMS.2020.2988790.

103. Zou, Xuecui & Ahmed, Sally & Fariborzi, Hossein. (2021). Implementation of A MEMS Resonator-based Digital to Frequency Converter Using Artificial Neural Networks. 960-963.

104. Ahmed, Sally & Zou, Xuecui & Fariborzi, Hossein. (2021). A COMPACT LOW-POWER MEM RESONATOR-BASED ANALOG TO DIGITAL CONVERTER WITH FEEDTHROUGH SIGNAL CANCELLATION. 1315-1318. 10.1109/Transducers 50396.2021.9495555.

105. Zhao, Wen & Ahmed, Sally & Fariborzi, Hossein & Younis, Mohammad. (2021). Analytical and experimental study of the dynamics of a micro-electromechanical resonator based digital-to-analog converter. Journal of Micromechanics and Microengineering. 31. 10.1088/1361-6439/ac3219.

106. Ahmed, Sally & Zou, Xuecui & Fariborzi, Hossein. (2020). A Cascadable Reconfigurable Micro-electromechanical Resonator Logic Gate. 1-3. 10.1109/IFCS-ISAF41089.2020.9234826.

107. Y. Perrin, A. Galisultanov, L. Hutin, P. Basset, H. Fanet and G. Pillonnet, "Contact-Free MEMS Devices for Reliable and Low-Power Logic Operations," in IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 68, no. 6, pp. 2938-2943, June 2021, doi: 10.1109/TED.2021.3070844.

108. S. C. Masmanidis, R. B. Karabalin, I. De Vlaminck, G. Borghs, M. R. Freeman, and M. L. Roukes, "Multifunctional nanomechanical systems via tunably coupled piezoelectric actuation," (in English), Science, vol. 317, no. 5839, pp. 780-783, Aug 10 2007

109. Pitchai, Pandiyan & Yenuganti, Sujan & Raju, S.. (2023). Design and simulation of piezoelectric MEMS logic gates. Ferroelectrics. 602. 105-120. 10.1080/00150193.2022.2149306.

110. Hafiz, M. A. A., Kosuru, L. & Younis, M. I. Microelectromechanical reprogrammable logic device. Nat. Commun. 7, 1-9 (2016).

111. Eslami, Mohammadreza & Ir, F_Marvi@sbu & jafari, Kian. (2022). Design and simulation of optical XNOR logic gate based on MEMS technology. 10.1109/IICM55040.2021.9730136.

112. Attar, Mahdi & Askari Moghadam, Reza. (2024). High speed universal NAND gate based on weakly coupled RF MEMS resonators. Microsystem Technologies. 30. 1-11. 10.1007/s00542-024-05614-1.

113. M. Attar, R. A. Moghadam and A. Rezaee, "Design and Simulation of OR Logic Gate Using RF MEMS Resonators," 2021 26th International Computer Conference, Computer Society of Iran (CSICC), Tehran, Iran, 2021, pp. 1-6, doi: 10.1109/CSICC52343.2021.9420607

114. Kurmendra, Rajesh Kumar A review on RF micro-electro-mechanical-systems (MEMS) switch for radio frequency application. Microsystem Technologies: 2020. -p. 42

115. Kostsov E. G., Sokolov A. A. Gigahertz MEMS oscillator, Physical and Engineering Fundamentals of Microelectronics and Optoelectronics, 2019, vol. 55 No. 2, pp. 154-161.

116. Samaali, Hatem & Hassena, Mohamed Amin & Najar, Fehmi. (2021). Novel Capacitive MEMS Logic Gates For Logic Circuits and Systems. 10.1109/DTS52014.2021.9498255.

117. Nanomechanical computer. Pat. US 2008/7 414 437 B1. Robert Blick and Robert Marsland.

118. Heun S. Kim, Hua Qin and Robert H. Blick. Self excitation of nano-mechanical pillar // New J. Physics. - 2010. - N 12. - 033008

119. Nanoelectromechanical transistors and systems (US 2004/0238907, WO2004/108586 A1, US 2005/0104085 A1, US 7256063 B2 / Joseph F. Pinkerton, John C. Harlan, Jeffrey D. Mullen. - Ambient Systems, Inc. (US).

120. A tunable carbon nanotube electromechanical oscillator / Vera Sazonova, Yuval Yaish, Hande Üstünel et al. // Nature. - 16 Sept. 2004. - 431. - P. 284-287.

121. von Windheim, Tasso & Gilchrist, Kristin & Parker, Charles & Hall, Stephen & Carlson, James & Stokes, David & Baldasaro, Nicholas & Hess, Charles & Scheick,

Leif & Rax, Bernard & Stoner, Brian & Glass, Jeffrey & Amsden, Jason. (2023). Proof-of-Concept Vacuum Microelectronic NOR Gate Fabricated Using Microelectromechanical Systems and Carbon Nanotube Field Emitters. Micromachines. 14. 10.3390/mi14050973.

122. Kolchuzhin V. Methods and Tools for Parametric Modeling and Simulation of Microsystems based on Finite Element Methods and Order Reduction Technologies, Chemnitz, Universitätsverlag, 2010, 162 p.

123. Kolchuzhin V.: "Methods and Tools for Parametric Modeling and Simulation of Microsystems based on Finite Element Methods and Order Reduction Technologies", Dissertation, Technische Universität Chemnitz, 2010

124. Соловьев А.А., Певцов Е.Ф., Колчужин В.А. Разработка библиотеки системных моделей МЭМС резонаторов // Компьютерное проектирование в электронике, Минск, 28 ноября 2024 года. - Минск: БГУИР, 2024. - С. 126-129.

125. Ahmed S., Li R., Zou X., Al Hafiz M. A., Fariborzi H. Modeling and Simulation of A MEMS Resonator Based Reprogrammable Logic Gate Using Partial Electrodes, 2019 Symposium on Design, Test, Integration & Packaging of MEMS and MOEMS (DTIP), Paris, France, 2019, pp. 1-5.

126. Ahmed S. Micro-electromechanical Resonator-based Logic and Interface Circuits for Low Power Applications. Ph. D. Thesis, KAUST Saudi Arabia, 2020, p. 122.

127. Kolchuzhin V., Mehner, J. A parametric multilevel MEMS simulation methodology using finite element method and mesh morphing, Proc. of EuroSimE, 2012, pp. 1-5.

128. Kolchuzhin V.A., Knyazev I.V., Palagin M.S., et al. Macromodeling of a Torsion Microelectromechanical Resonator, Nano - i Mikrosistemnaya Tekhnika, 2017, 19 (2), pp. 67 - 76.

129. Соловьев А.А., Певцов Е.Ф., Колчужин В.А. Системное моделирование мультиконтактного микроэлектромеханического логического элемента // Нано-и микросистемная техника. - 2024. - Т. 26, № 6. - С. 260-267

130. A. Markovic, L. Mazenq, A. Laborde, H. Fanet, G. Pillonnet and B. Legrand, "Adiabatic Logic Gates for Ultra-Low-Power Operation Using Contactless Capacitive

MEMS," 2023 22nd International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems (Transducers), Kyoto, Japan, 2023, pp. 546-549.

131. O. O'Connor, T. Elfouly and A. Alouani, "Demonstration of a NEMS Comb Drive for the Use of High Speed, High Efficiency Analog Multiplications," 2024 39th Conference on Design of Circuits and Integrated Systems (DCIS), Catania, Italy, 2024, pp. 1-5, doi: 10.1109/DCIS62603.2024.10769127.

132. Gridchin A.V., Kolchuzhin V.A., Gridchin V.A. An Optimization of Initial Gap in Electrostatic Comb Drive // 13 th international scientific technical conference on actual problems of electronic instrument engineering (APEIE - 2016): Proceedings: in 12 volumes, Novosibirsk, 03-06 октября 2016 года. Vol. Volume 1, Part 1. -Novosibirsk: Novosibirsk State Technical University, 2016. - P. 13-15. - DOI 10.1109/APEIE.2016.7802182

133. S.D. Senturia, Microsystem Design, Kluwer Academic Publishers, Boston, 2001.

134. PARKER G. W., What is the Capacitance of Parallel Plates? Computers in Physics, vol. 5(5), p. 534-540, 1991.

135. Драгунов, В. П., Колчужин В.А., Остертак Д.И. Влияние краевых эффектов на электрическую ёмкость в МЭМС // Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации. - 2009. - № 2(13). - С. 97-105.

136. Cezary MAJ, Jacek NAZDROWICZ, Adam STAWINSKI Fringing field modelling in MEMS capacitive comb-drive accelerometers // Methods and tools in CAD -selected issues, p. 15-27, 2021.

137. Yazdi, N., Najafi, K., & Salian, A. (1998). A high-sensitivity capacitive accelerometer with a folded-electrode structure. Journal of Microelectromechanical Systems, 7(3), 286-294

138. T. Veijola and M. Turowski: Compact Damping Models for Laterally Moving Microstructures with Gas-Rarefaction Effects. Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 10, No. 2, 2001.

139. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2024682380, Колчужин В.А., Соловьев А.А., Певцов Е.Ф., «Программа аналитического расчета геометрических размеров логических МЭМС вентилей

на основе гребенчатых резонаторов», дата государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ 23 сентября 2024 г.

140. J. Asselot, A. Krust, A. Parent and C. Welham, "High order MEMS models for system design," 2018 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), Florence, Italy, 2018, pp. 1-5, doi: 10.1109/ISCAS.2018.8351644

141. Соловьев А., Курдюков С. Современные решения для моделирования и проектирования МЭМС в среде CoventorMP // Электроника: Наука, технология, бизнес. - 2021. - № 3(204). - С. 66-71

142. Соловьев А.А., Певцов Е. Ф., Моделирование микроэлектромеханических систем в среде CoventorMP \\Оптические технологии, материалы и системы (Оптотех - 2020): Сборник докладов Российской научно-технической конференции с международным участием, Москва, 10-11 декабря 2020 года. -Москва, 2020. - С. 312-316.

143. Соловьев А.А., Курдюков С.А. Современных маршрут проектирования микроэлектромеханических систем в среде CoventorMP // Высокие технологии атомной отрасли. Молодежь в инновационном процессе: сборник материалов XV научно-технической конференции молодых специалистов Росатома [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. 30 Мб. - Саров: ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2021. - C. 82-87.

144. Zhao, Wen & Tumolin Rocha, Rodrigo & Alcheikh, Nouha & Younis, Mohammad. (2023). Dynamic response amplification of resonant microelectromechanical structures utilizing multi-mode excitation. Mechanical Systems and Signal Processing. 196. 1-14. 10.1016/j.ymssp.2023.110347.

145. G. Schropfer, G. Lorenz, A. Krust, B. Vernay, S. Breit, A. Mehdaoui and A. Sanginario, "MEMS System-Level Modeling and Simulation in Smart Systems," in Smart Systems Integration and Simulation, Springer, 2016, pp. 145-168.

146. G. Lorenz, A. Morris, and I. Lakkis, "A top-down design flow for MOEMS," IEEE International Conference on Micro-Electo-Mechanical Systems, Jan. 20- 24, 2002, Las Vegas, NV, USA, pp. 204 - 209, 2002.

147. Z. Zhang, M. Kamon and L. Daniel, "Continuation-Based Pull-In and Lift-Off Simulation Algorithms for Microelectromechanical Devices", IEEE Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 23, no. 5, p. 1084-1093, 2014

148. G. Lorenz, G. Schröpfer, 3D parametric-library-based MEMS/IC design, in SystemLevel Modeling of MEMS (Wiley-VCH Verlag GmbH & Co.KGaA, 2013), pp. 407424

149. Haase, J.; Reitz, S.; Schwarz, P.; Becker, U.; Lorenz, G.; Neul, R.: "Netzwerk- und Verhaltensmodellierung eines mechanischen Beschleunigungssensors", Proc. 6. Workshop: Methoden und Werkzeuge zum Entwurf von Mikrosystemen, Paderborn, 1997, pp. 23-30.

150. R. Neul, U. Becker, G. Lorenz, P. Schwarz, J. Haase and S. Wunsche, "A modeling approach to include mechanical microsystem components into the system simulation," Proceedings Design, Automation and Test in Europe, Paris, France, 1998, pp. 510517, doi: 10.1109/DATE.1998.655906.

151. V. Kolchuzhin, W. Dotzel and J. Mehner, "Challenges in MEMS parametric macro-modeling based on mode superposition technique," EuroSimE 2009 - 10th International Conference on Thermal, Mechanical and Multi-Physics Simulation and Experiments in Microelectronics and Microsystems, Delft, Netherlands, 2009, pp. 14, doi: 10.1109/ESIME.2009.4938481.

152. K. Hiller, M. Küchler, D. Billep, B. Schröter, M. Dienel, D. Scheibner, T. Gessner, Bonding and deep RIE-a powerful combination for high aspect ratio sensors and actuators, Progress in Biomedical Optics and Imaging-Proceedings of SPIE, vol. 5715 (2005), pp. 80-91

ПРИЛОЖЕНИЕ А. БЛОК-СХЕМА РАБОТЫ ПРОГРАММЫ ДЛЯ РАСЧЕТА ГЕОМЕТРИИ ЛОГИЧЕСКОГО МЭМС ВЕНТИЛЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. АКТЫ О ВНЕДРЕНИИ И ИСПОЛЬЗОВАНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

МАППЕР

ООО

[e-mail] mapperllc.ru

■

Волгоградский пр., д. 42, корп. 5 ИНН 774 385 9476

Москва, 109316 КПП 772 301 001

Российская Федерация ОГРН 112 774 654 8126 ■

УТВЕРЖДАЮ ректор ООО «Manпер» ^М.Д. Александрович J 4 2024 г.

АКТ

о внедрении результатов кандидатский диссертационной работы Соловьева Александра Анатольевича на тему «Микроэлектромеханические логические вентили на основе гребенчатых резонаторов» в ООО «Маннср»

Комиссия в составе: председателя Юркина Н.О.. начальника отдела разработки и членов Фролова А.О., руководитель производственного отдела, составили настоящий акт о том. что следующие результаты диссертационной работы Соловьева A.A. имеют практическое применение при разработке микроэлектромеханических систем (МЭМС) в ООО «Маппер»:

1. Методика выбора параметров модели, синтеза и анализа МЭМС на примере мультиконтактного кремниевого микрорезонатора с электростатическим возбуждением, включая анализ динамических характеристик и логических операций;

2. Методика создания аналитических макромоделей и моделей сокращенного порядка (ROM) на языках описания аппаратуры VHDL-AMS и Verilog-A для моделирования па системном уровне на примере Н-образного логического МЭМС вентиля на основе гребенчатого резонатора;

3. Программные средства, реализованные на языке MATLAB. позволяющие аналитически рассчитывать геометрические размеры МЭМС резонаторов.

Данные результаты могут использоваться в ООО «Маппер» при выполнении прикладных научных исследований в рамках стратегии развития электронной промышленности Российской Федерации на период до 2030 года.

Практическое использование указанных результатов диссертационной работы позволяет повысить качество проектирования МЭМС и ускорить процесс разработки.

Данный акт не является основанием для предъявления претензий, связанных с авторскими правами. ,

Составлен: "Ж" И0Э-0Г& 20<?Уг.

Председатель комиссии Члены комиссии:

Юркина И.О. олова А.О.

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «МИРЭА - Российский технологический уииверситег»

РТУ МИРЭА

просп. Вернадского, д. 78, Москва, 119454 тел.: [phone], факс: [phone] e-mail: [e-mail], http://www.mirea.ru

УТВЕРЖДАЮ

Первый проректор С

на № от

Н.И. Прокопов

2025 г.

АКТ

об использовании в учебном процессе материалов диссертационной работы «Микроэлектромеханические логические вентили на основе гребенчатых резонаторов» старшего преподавателя кафедры наноэлектроники Соловьева Александра Анатольевича

Комиссия в составе: председатель — директор института перспективных технологий и индустриального программирования Пушкин П.Ю., заведующий кафедрой наноэлектроники, президент РТУ МИРЭА Сигов A.C., профессор кафедры наноэлектроники Юрасов А.Н., составила настоящий акт о том, что материалы диссертационной работы старшего преподавателя кафедры наноэлектроники Соловьева A.A. используются в учебном процессе РТУ МИРЭА при подготовке бакалавров по направлениям 11.03.04 «Электроника и наноэлектроника» и 28.03.01 «Нанотехнологии и микросистемная техника».

Результаты исследований, полученных Соловьевым A.A., используются при выполнении выпускных квалификационных работ, при проведении