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Sistema microelectromecánico de radiofrecuencia

Figura 1 : (a) Un conmutador RF MEMS capacitivo de haz fijo-fijo, conectado en paralelo a una línea CPW. (b) Un conmutador RF MEMS óhmico de voladizo, conectado en serie a una l...

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Figura 1 : (a) Un conmutador RF MEMS capacitivo de haz fijo-fijo, conectado en paralelo a una línea CPW. (b) Un conmutador RF MEMS óhmico de voladizo, conectado en serie a una línea microstrip.

Un sistema microelectromecánico de radiofrecuencia ( RF MEMS ) es un sistema microelectromecánico con componentes electrónicos que comprenden partes móviles de tamaño submilimétrico que proporcionan funcionalidad de radiofrecuencia (RF). [ 1 ] La funcionalidad de RF se puede implementar utilizando una variedad de tecnologías de RF. Además de la tecnología RF MEMS, el diseñador de RF tiene a su disposición semiconductores compuestos III-V ( GaAs , GaN , InP , InSb ), ferrita , ferroeléctricos , semiconductores basados ​​en silicio ( RF CMOS , SiC y SiGe ) y tecnología de tubos de vacío . Cada una de las tecnologías de RF ofrece una compensación distinta entre costo, frecuencia , ganancia , integración a gran escala , vida útil, linealidad , figura de ruido , empaquetado , manejo de potencia , consumo de energía , confiabilidad , robustez, tamaño, voltaje de alimentación , tiempo de conmutación y peso.

Componentes

Existen diversos tipos de componentes RF MEMS, como resonadores RF MEMS integrables en CMOS y osciladores autosostenidos con un factor de forma pequeño y bajo ruido de fase , inductores sintonizables RF MEMS , e interruptores RF MEMS , condensadores conmutados y varactores .

Interruptores, condensadores conmutados y varactores

Los componentes que se describen en este artículo se basan en interruptores RF MEMS, condensadores conmutados y varactores. Estos componentes pueden utilizarse en lugar de interruptores FET y HEMT (transistores FET y HEMT en configuración de puerta común ) y diodos PIN . Los interruptores RF MEMS, los condensadores conmutados y los varactores se clasifican según su método de actuación ( electrostático , electrotérmico, magnetostático , piezoeléctrico ), su eje de deflexión (lateral, vertical), su configuración de circuito ( serie , derivación ), su configuración de sujeción ( voladizo , viga fija-fija ) o su interfaz de contacto ( capacitiva , óhmica ). Los componentes RF MEMS de actuación electrostática ofrecen baja pérdida de inserción y alto aislamiento, linealidad, manejo de potencia y factor Q , no consumen energía, pero requieren un alto voltaje de control y un encapsulado hermético de un solo chip ( encapsulado de película delgada , LCP o LTCC ) o un encapsulado a nivel de oblea ( unión de obleas anódicas o de frita de vidrio ).

Los interruptores RF MEMS fueron desarrollados por IBM Research Laboratory , San José , CA , [ 2 ] [ 3 ] Hughes Research Laboratories , Malibu , CA, [ 4 ] Northeastern University en cooperación con Analog Devices , Boston , MA , [ 5 ] Raytheon , Dallas , TX , [ 6 ] [ 7 ] y Rockwell Science, Thousand Oaks , CA. [ 8 ] Un interruptor RF MEMS capacitivo de haz fijo-fijo, como se muestra en la Fig. 1(a), es esencialmente un condensador micromecanizado con un electrodo superior móvil, que es el haz. Generalmente se conecta en paralelo con la línea de transmisión y se utiliza en componentes RF MEMS de banda X a W (77 GHz y 94  GHz). Un interruptor RF MEMS de voladizo óhmico, como se muestra en la Fig. 1(b), es capacitivo en el estado ascendente, pero hace un contacto óhmico en el estado descendente. Generalmente se conecta en serie con la línea de transmisión y se utiliza en componentes de CC a banda Ka .

Desde una perspectiva electromecánica, los componentes se comportan como un sistema masa-resorte amortiguado , accionado por una fuerza electrostática . La constante elástica depende de las dimensiones de la viga, así como del módulo de Young , la tensión residual y el coeficiente de Poisson del material de la viga. La fuerza electrostática depende de la capacitancia y la tensión de polarización . El conocimiento de la constante elástica permite calcular manualmente la tensión de activación, que es la tensión de polarización necesaria para activar la viga, mientras que el conocimiento de la constante elástica y la masa permite calcular manualmente el tiempo de conmutación.

Desde la perspectiva de la radiofrecuencia, los componentes se comportan como un circuito RLC en serie con resistencia e inductancia despreciables. La capacitancia en estado activo e inactivo es del orden de 50 fF y 1,2 pF, respectivamente, valores funcionales para el diseño de circuitos de ondas milimétricas . Los interruptores suelen tener una relación de capacitancia de 30 o superior, mientras que los condensadores conmutados y los varactores tienen una relación de capacitancia de aproximadamente 1,2 a 10. El factor Q con carga se encuentra entre 20 y 50 en las bandas X, Ku y Ka. [ 9 ]

RF MEMS switched capacitors are capacitive fixed-fixed beam switches with a low capacitance ratio. RF MEMS varactors are capacitive fixed-fixed beam switches which are biased below pull-in voltage. Other examples of RF MEMS switches are ohmic cantilever switches, and capacitive single pole N throw (SPNT) switches based on the axial gap wobblemotor.[10]

Biasing

RF MEMS components are biased electrostatically using a bipolar NRZ drive voltage, as shown in Fig. 2, in order to avoid dielectric charging[11] and to increase the lifetime of the device. Dielectric charges exert a permanent electrostatic force on the beam. The use of a bipolar NRZ drive voltage instead of a DC drive voltage avoids dielectric charging whereas the electrostatic force exerted on the beam is maintained, because the electrostatic force varies quadratically with the DC drive voltage. Electrostatic biasing implies no current flow, allowing high-resistivity bias lines to be used instead of RF chokes.

Fig. 2: Electrostatic biasing of a capacitive fixed-fixed beam RF MEMS switch, switched capacitor or varactor.

Packaging

RF MEMS components are fragile and require wafer level packaging or single chip packaging which allow for hermetic cavity sealing. A cavity is required to allow movement, whereas hermeticity is required to prevent cancellation of the spring force by the Van der Waals force exerted by waterdroplets and other contaminants on the beam. RF MEMS switches, switched capacitors and varactors can be packaged using wafer level packaging. Large monolithic RF MEMS filters, phase shifters, and tunable matching networks require single chip packaging.

El empaquetado a nivel de oblea se implementa antes del corte de la oblea , como se muestra en la Fig. 3(a), y se basa en la unión de obleas anódicas, por difusión de metal, eutécticas de metal , frita de vidrio, adhesivo de polímero y fusión de silicio. La selección de una técnica de empaquetado a nivel de oblea se basa en el equilibrio de los coeficientes de expansión térmica de las capas de material del componente RF MEMS y los de los sustratos para minimizar la curvatura de la oblea y la tensión residual, así como en los requisitos de alineación y hermeticidad. Los parámetros de mérito para las técnicas de empaquetado a nivel de oblea son el tamaño del chip, la hermeticidad, la temperatura de procesamiento , la (in)tolerancia a errores de alineación y la rugosidad superficial . La unión anódica y la fusión de silicio no requieren una capa intermedia, pero no toleran la rugosidad superficial. Las técnicas de empaquetado a nivel de oblea basadas en una técnica de unión con una capa intermedia conductora (anillo dividido conductor) restringen el ancho de banda y el aislamiento del componente RF MEMS. Las técnicas de empaquetado a nivel de oblea más comunes se basan en la unión de obleas anódicas y de frita de vidrio. Las técnicas de encapsulado a nivel de oblea, mejoradas con interconexiones verticales, ofrecen la oportunidad de una integración tridimensional.

El encapsulado de chips individuales, como se muestra en la figura 3(b), se realiza después del corte de la oblea, utilizando encapsulados cerámicos u orgánicos prefabricados , como los encapsulados LCP moldeados por inyección o los encapsulados LTCC. Los encapsulados prefabricados requieren un sellado hermético de la cavidad mediante obstrucción, desprendimiento , soldadura o soldadura . Los parámetros clave para las técnicas de encapsulado de chips individuales son el tamaño del chip, la hermeticidad y la temperatura de procesamiento.

Figura 3 : (a) Empaquetado a nivel de oblea. (b) Empaquetado de un solo chip de un interruptor RF MEMS de voladizo óhmico.

Microfabricación

Un proceso de fabricación de RF MEMS se basa en técnicas de micromecanizado de superficie y permite la integración de resistencias de película delgada (TFR) de SiCr o TaN , condensadores metal-aire-metal (MAM), condensadores metal-aislante-metal (MIM) y componentes RF MEMS. Un proceso de fabricación de RF MEMS se puede realizar en una variedad de obleas: compuesto III-V semi-aislante , vidrio de borosilicato, sílice fundida ( cuarzo ), LCP, zafiro y obleas de silicio pasivado . Como se muestra en la Fig. 4, los componentes RF MEMS se pueden fabricar en salas limpias de clase 100 utilizando de 6 a 8 pasos de litografía óptica con un error de alineación de contacto de 5 μm, mientras que los procesos de fabricación de MMIC y RFIC de última generación requieren de 13 a 25 pasos de litografía.

Figura 4 : Proceso de fabricación de un interruptor RF MEMS, un condensador conmutado o un varactor.

Como se muestra en la figura 4, los pasos esenciales de microfabricación son:

Con la excepción de la eliminación del espaciador de sacrificio, que requiere un secado en punto crítico, los pasos de fabricación son similares a los pasos del proceso de fabricación CMOS. Los procesos de fabricación de RF MEMS, a diferencia de los procesos de fabricación de ferroeléctricos BST o PZT y MMIC, no requieren litografía de haz de electrones , MBE ni MOCVD .

Fiabilidad

La degradación de la interfaz de contacto plantea un problema de fiabilidad para los interruptores RF MEMS de voladizo óhmicos, mientras que la adherencia del haz por carga dieléctrica, [ 12 ] como se muestra en la Fig. 5(a), y la adherencia del haz inducida por la humedad, como se muestra en la Fig. 5(b), plantean un problema de fiabilidad para los interruptores RF MEMS de haz fijo-fijo capacitivos. La adherencia es la incapacidad del haz para liberarse después de eliminar la tensión de excitación. Una alta presión de contacto asegura un contacto óhmico bajo o alivia la adherencia del haz inducida por la carga dieléctrica. Los interruptores RF MEMS de voladizo óhmicos y los interruptores RF MEMS de haz fijo-fijo capacitivos disponibles comercialmente han demostrado vidas útiles superiores a 100 mil millones de ciclos a 100 mW de potencia de entrada de RF. [ 13 ] [ 14 ] Los problemas de fiabilidad relacionados con el funcionamiento a alta potencia se analizan en la sección del limitador.

Fig. 5 : (a) [Abajo] Adherencia del haz inducida por carga dieléctrica. (b) [Arriba] Adherencia del haz inducida por humedad.

Aplicaciones

Los resonadores RF MEMS se aplican en filtros y osciladores de referencia. [ 15 ] Los interruptores RF MEMS, los condensadores conmutados y los varactores se aplican en submatrices de barrido electrónico ( desfasadores ) y radios definidas por software ( antenas reconfigurables , filtros de paso de banda sintonizables ). [ 16 ]

Antenas

La reconfigurabilidad de la polarización y el patrón de radiación , así como la sintonización de frecuencia, se logran generalmente mediante la incorporación de componentes semiconductores III-V, como interruptores SPST o diodos varactores. Sin embargo, estos componentes pueden reemplazarse fácilmente por interruptores y varactores RF MEMS para aprovechar la baja pérdida de inserción y el alto factor Q que ofrece la tecnología RF MEMS. Además, los componentes RF MEMS pueden integrarse monolíticamente en sustratos dieléctricos de baja pérdida, [ 17 ] como vidrio de borosilicato, sílice fundida o LCP, mientras que los sustratos de silicio semi-aislantes y pasivados compuestos III-V generalmente presentan mayores pérdidas y una constante dieléctrica más alta. Una tangente de pérdida baja y una constante dieléctrica baja son importantes para la eficiencia y el ancho de banda de la antena.

El estado de la técnica anterior incluye una antena fractal sintonizable en frecuencia RF MEMS para el  rango de frecuencia de 0,1 a 6 GHz, [ 18 ] y la integración real de interruptores RF MEMS en una antena de junta de Sierpinski autosimilar para aumentar su número de frecuencias resonantes , extendiendo su rango a 8  GHz, 14  GHz y 25  GHz, [ 19 ] [ 20 ] una antena espiral reconfigurable de patrón de radiación RF MEMS para 6 y 10  GHz, [ 21 ] una antena espiral reconfigurable de patrón de radiación RF MEMS para la banda de frecuencia  de 6 a 7 GHz basada en interruptores Radant MEMS SPST-RMSW100 empaquetados, [ 22 ] una antena fractal Sierpinski multibanda RF MEMS , nuevamente con interruptores RF MEMS integrados, que funciona en diferentes bandas de 2,4 a 18 GHz, [ 23 ] y una antena de ranura sintonizable en frecuencia RF MEMS de banda Ka de 2 bits . [ 24 ] 

El Samsung Omnia W fue el primer teléfono inteligente en incluir una antena RF MEMS. [ 25 ]

Filtros

Los filtros de paso de banda de RF se pueden usar para aumentar el rechazo fuera de banda , en caso de que la antena no proporcione suficiente selectividad . El rechazo fuera de banda facilita el requisito de rango dinámico del LNA y el mezclador en presencia de interferencias . Los filtros de paso de banda de RF fuera del chip, basados ​​en resonadores de ondas acústicas de volumen concentradas (BAW), cerámica , SAW , cristal de cuarzo y FBAR , han reemplazado a los filtros de paso de banda de RF distribuidos, basados ​​en resonadores de línea de transmisión, impresos en sustratos con baja tangente de pérdidas o basados ​​en cavidades de guía de ondas.

Los filtros pasabanda de RF sintonizables ofrecen una reducción de tamaño significativa en comparación con los bancos de filtros pasabanda de RF conmutados . Se pueden implementar utilizando varactores semiconductores III-V, resonadores y conmutadores ferroeléctricos BST o PZT y RF MEMS, condensadores y varactores conmutados y ferritas YIG . Los resonadores RF MEMS ofrecen el potencial de integración en chip de resonadores de alto factor Q y filtros pasabanda de baja pérdida. El factor Q de los resonadores RF MEMS está en el orden de 100–1000. [ 15 ] La tecnología de conmutadores RF MEMS, condensadores conmutados y varactores ofrece al diseñador de filtros sintonizables un atractivo equilibrio entre pérdida de inserción, linealidad, consumo de energía, manejo de potencia, tamaño y tiempo de conmutación. [ 26 ]

Cambiadores de fase

Figura 6 : EIRP x G r /T
Figura 7 : PIRE frente al número de elementos de antena en un subconjunto pasivo.

Los subconjuntos pasivos basados ​​en desplazadores de fase RF MEMS pueden utilizarse para reducir la cantidad de módulos T/R en un conjunto activo de barrido electrónico . La afirmación se ilustra con ejemplos en la Fig. 6: supongamos que se utiliza un subconjunto pasivo de uno por ocho para transmitir y recibir, con las siguientes características: f = 38  GHz, G r = G t = 10 dBi , BW = 2  GHz, P t = 4 W . La baja pérdida (6,75 ps /dB) y la buena capacidad de manejo de potencia (500  mW) de los desplazadores de fase RF MEMS permiten una EIRP de 40 W y una G r /T de 0,036 1/K. La EIRP, también conocida como producto potencia-apertura, es el producto de la ganancia de transmisión, G t , y la potencia de transmisión, P t . G r /T es el cociente de la ganancia de recepción y la temperatura de ruido de la antena. Un valor elevado de EIRP y G r /T es un requisito previo para la detección a larga distancia. El EIRP y G r /T dependen del número de elementos de antena por subconjunto y del ángulo máximo de exploración. El número de elementos de antena por subconjunto debe elegirse para optimizar el EIRP o el producto EIRP x G r /T, como se muestra en las figuras 7 y 8. La ecuación de alcance del radar permite calcular el alcance máximo para el cual se pueden detectar objetivos con una relación señal/ruido (SNR)  de 10 dB en la entrada del receptor.

R=λ2miIRPAGGRAMOR/Tσ64π3kBBWSnorteR4{\displaystyle {\mathrm {R={\sqrt[{4}]{\frac {\displaystyle {\mathrm {\lambda ^{2}\,EIRP\,G_{R}/T\,\sigma } }}{\mathrm {\displaystyle 64\,\pi ^{3}\,k_{B}\,BW\,SNR} }}}} }}

donde k B es la constante de Boltzmann , λ es la longitud de onda en el espacio libre y σ es la RCS del objetivo. Los valores de alcance se tabulan en la Tabla 1 para los siguientes objetivos: una esfera con un radio, a, de 10  cm (σ = π a 2 ), un reflector de esquina diedro con un tamaño de faceta, a, de 10  cm (σ = 12 a 4 /λ 2 ), la parte trasera de un automóvil (σ = 20  m 2 ) y para un avión de combate no evasivo (σ = 400  m 2 ).

Figura 8 : EIRP x G r /T frente al número de elementos de antena en un subconjunto pasivo.

Los desfasadores RF MEMS permiten matrices de escaneo electrónico pasivo de gran angular , como matrices de lentes , matrices de reflexión , submatrices y redes de formación de haces conmutadas , con alta EIRP y alta G r /T. El estado de la técnica en matrices de escaneo electrónico pasivo incluye una matriz de stub transversal continuo (CTS) de banda X alimentada por una fuente lineal sintetizada por dieciséis desfasadores RF MEMS de tipo reflexión de 5 bits basados ​​en conmutadores RF MEMS de voladizo óhmico, [ 27 ] [ 28 ] una matriz de lentes 2D de banda X que consta de guías de onda de placas paralelas y cuenta con 25 000 conmutadores RF MEMS de voladizo óhmico, [ 29 ] y una red de formación de haces conmutada de banda W basada en un conmutador RF MEMS SP4T y un escáner de plano focal de lente Rotman . [ 30 ]

El uso de desplazadores de fase TTD de retardo de tiempo real en lugar de desplazadores de fase RF MEMS permite formas de onda de radar UWB con una resolución de rango alta asociada, y evita el desvío del haz o el escaneo de frecuencia. Los desplazadores de fase TTD se diseñan utilizando el principio de línea conmutada [ 8 ] [ 31 ] [ 32 ] o el principio de línea cargada distribuida. [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ] [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ] Los desplazadores de fase TTD de línea conmutada superan a los desplazadores de fase TTD de línea cargada distribuida en términos de retardo de tiempo por decibelio NF , especialmente en frecuencias hasta la banda X, pero son inherentemente digitales y requieren interruptores SPNT de baja pérdida y alto aislamiento. Sin embargo, los desplazadores de fase TTD de línea cargada distribuida se pueden realizar de forma analógica o digital, y en factores de forma más pequeños, lo cual es importante a nivel de submatriz. Los desfasadores analógicos se polarizan mediante una única línea de polarización, mientras que los desfasadores digitales multibit requieren un bus paralelo junto con esquemas de enrutamiento complejos a nivel de submatriz.

Referencias

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Lectura

  • S. Lucyszyn (Ed.), "MEMS de RF avanzados", Cambridge University Press, agosto de 2010 , ISBN 978-0-521-89771-6