Un sistema microelectromecánico de radiofrecuencia ( RF MEMS ) es un sistema microelectromecánico con componentes electrónicos que comprende piezas 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 dispone de semiconductores compuestos III-V ( GaAs , GaN , InP , InSb ), ferrita , ferroeléctricos , semiconductores basados en silicio ( RF CMOS , SiC y SiGe ) y tubos de vacío . Cada una de las ofertas tecnologías RF un equilibrio distinto entre el costo, la frecuencia , la ganancia , la integración a gran escala , de por vida, linealidad , figura de ruido , embalaje , manejo de potencia , consumo de energía , fiabilidad , robustez, tamaño, tensión de alimentación , tiempo de conmutación y peso.
Componentes
Hay varios tipos de componentes RF MEMS, como resonadores RF MEMS integrables CMOS y osciladores autosostenidos con factor de forma pequeño y bajo ruido de fase , inductores sintonizables RF MEMS e interruptores , condensadores conmutados y varactores RF MEMS .
Interruptores, condensadores conmutados y varactores
Los componentes discutidos en este artículo se basan en conmutadores MEMS RF, condensadores conmutados y varactores. Estos componentes se pueden utilizar en lugar de FET y HEMT interruptores (FET y transistores HEMT en puerta común de configuración), y PIN diodos. Los interruptores, condensadores conmutados y varactores RF MEMS se clasifican por método de actuación ( electrostático , electrotérmico, magnetostático , piezoeléctrico ), por eje de deflexión (lateral, vertical), por configuración de circuito ( serie , derivación ), por configuración de abrazadera ( voladizo , fijo) haz fijo ), o por interfaz de contacto ( capacitiva , óhmica ). Los componentes RF MEMS accionados electrostáticamente ofrecen baja pérdida de inserción y alto aislamiento, linealidad, manejo de potencia y factor Q , no consumen energía, pero requieren un voltaje de control alto y un empaque hermético de un solo chip ( recubrimiento de película delgada , empaque LCP o LTCC ) o embalaje oblea-nivel ( anódico o vidrio frita de oblea de vinculación).
Los conmutadores RF MEMS fueron pioneros en 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 MEMS de RF capacitivo de haz fijo-fijo, como se muestra en la Fig. 1 (a), es en esencia un capacitor micromecanizado con un electrodo superior móvil, que es el haz. Por lo general, se conecta en derivación con la línea de transmisión y se utiliza en componentes RF MEMS de banda X a W (77 GHz y 94 GHz). Un conmutador RF MEMS óhmico en voladizo, como se muestra en la Fig. 1 (b), es capacitivo en el estado ascendente, pero hace un contacto óhmico en el estado descendente. Por lo general, se conecta en serie con la línea de transmisión y se usa en CC para los componentes de la banda Ka .
Desde una perspectiva electromecánica, los componentes se comportan como un sistema amortiguador masa-resorte , accionado por una fuerza electrostática . La constante de resorte es una función de las dimensiones de la viga, así como del módulo de Young , la tensión residual y la relación de Poisson del material de la viga. La fuerza electrostática es función de la capacitancia y la tensión de polarización . El conocimiento de la constante del resorte permite el cálculo manual del voltaje de entrada, que es el voltaje de polarización necesario para atraer la viga, mientras que el conocimiento de la constante del resorte y la masa permite el cálculo manual del tiempo de conmutación.
Desde una perspectiva de RF, los componentes se comportan como un circuito RLC en serie con una resistencia e inductancia insignificantes. La capacitancia de estado ascendente y descendente son del orden de 50 fF y 1.2 pF, que son valores funcionales para el diseño de circuitos de ondas milimétricas . Los conmutadores suelen tener una relación de capacitancia de 30 o más, mientras que los condensadores y varactores conmutados tienen una relación de capacitancia de aproximadamente 1,2 a 10. El factor Q cargado está entre 20 y 50 en las bandas X, Ku y Ka. [9]
Los condensadores conmutados RF MEMS son conmutadores capacitivos de haz fijo-fijo con una relación de capacitancia baja. Los varactores RF MEMS son interruptores capacitivos de haz fijo-fijo que están polarizados por debajo del voltaje de entrada. Otros ejemplos de interruptores MEMS RF son los interruptores en voladizo óhmicos y los interruptores capacitivos unipolares de tiro N (SPNT) basados en el motor de oscilación de espacio axial . [10]
Sesgo
Los componentes RF MEMS se polarizan electrostáticamente utilizando un voltaje de excitación bipolar NRZ , como se muestra en la Fig. 2, para evitar la carga dieléctrica [11] y aumentar la vida útil del dispositivo. Las cargas dieléctricas ejercen una fuerza electrostática permanente sobre la viga. El uso de una tensión de excitación bipolar NRZ en lugar de una tensión de excitación de CC evita la carga dieléctrica, mientras que la fuerza electrostática ejercida sobre el haz se mantiene, porque la fuerza electrostática varía cuadráticamente con la tensión de excitación de CC. La polarización electrostática implica que no hay flujo de corriente, lo que permite utilizar líneas de polarización de alta resistividad en lugar de reactancias de RF .
embalaje
Los componentes RF MEMS son frágiles y requieren un empaque a nivel de oblea o un empaque de chip único que permita el sellado hermético de la cavidad . Se requiere una cavidad para permitir el movimiento, mientras que se requiere hermeticidad para evitar la cancelación de la fuerza del resorte por la fuerza de Van der Waals ejercida por las gotas de agua y otros contaminantes en la viga. Los interruptores RF MEMS, los condensadores conmutados y los varactores se pueden empaquetar utilizando un empaque a nivel de oblea. Los grandes filtros MEMS RF monolíticos, los desfasadores y las redes de adaptación sintonizables requieren un paquete de un solo chip.
El envasado a nivel de oblea se implementa antes del corte en cubitos de obleas , como se muestra en la Fig. 3 (a), y se basa en uniones anódicas, de difusión de metal , eutécticas de metal , frita de vidrio, adhesivo de polímero y obleas de fusión de silicio. La selección de una técnica de envasado a nivel de oblea se basa en equilibrar los coeficientes de expansión térmica de las capas de material del componente RF MEMS y los de los sustratos para minimizar el arco de la oblea y la tensión residual, así como en los requisitos de alineación y hermeticidad. Las cifras de mérito de las técnicas de envasado a nivel de obleas son el tamaño de la viruta, la hermeticidad, la temperatura de procesamiento , la (in) tolerancia a los errores de alineación y la rugosidad de la superficie . La unión por fusión anódica y de silicio no requiere una capa intermedia, pero no tolera la rugosidad de la superficie. Wafer de nivel de técnicas basadas en una técnica de unión con un empaquetado conductor (anillo dividido conductora) capa intermedia restringir el ancho de banda y el aislamiento del componente de RF MEMS. Las técnicas de envasado a nivel de obleas más comunes se basan en la unión de obleas anódicas y de frita de vidrio. Las técnicas de envasado a nivel de obleas, mejoradas con interconexiones verticales, ofrecen la oportunidad de una integración tridimensional.
El envasado de un solo chip, como se muestra en la Fig. 3 (b), se implementa después del corte en cubitos de obleas, utilizando envases de cerámica u orgánicos prefabricados , como envases moldeados por inyección LCP o envases LTCC. Los paquetes prefabricados requieren un sellado hermético de la cavidad mediante obstrucción, desprendimiento , soldadura o soldadura . Las cifras de mérito de las técnicas de envasado de un solo chip son el tamaño del chip, la hermeticidad y la temperatura de procesamiento.
Microfabricacion
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 de metal-aire-metal (MAM), condensadores de metal-aislante-metal (MIM) y MEMS de RF. componentes. Se puede realizar un proceso de fabricación RF MEMS en una variedad de obleas: semi-aislante compuesto III-V , 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.
Como se describe en la Fig.4, los pasos esenciales de microfabricación son:
- Deposición de las líneas de polarización (Fig.4, paso 1)
- Deposición de la capa del electrodo (Fig.4, paso 2)
- Deposición de la capa dieléctrica (Fig.4, paso 3)
- Deposición del espaciador de sacrificio (Fig.4, paso 4)
- Deposición de la capa de semillas y posterior galvanoplastia (Fig.4, paso 5)
- Modelado de la viga , liberación y secado del punto crítico (Fig.4, paso 6)
Con la excepción de la eliminación del espaciador de sacrificio, que requiere un secado de punto crítico, los pasos de fabricación son similares a los pasos del proceso de fabricación CMOS. Los procesos de fabricación RF MEMS, a diferencia de los procesos de fabricación ferroeléctricos y MMIC BST o PZT , no requieren litografía por haz de electrones , MBE o MOCVD .
Fiabilidad
La degradación de la interfaz de contacto plantea un problema de confiabilidad para los interruptores MEMS RF de voladizo óhmico, mientras que la fricción del haz de carga dieléctrica, [12] como se muestra en la Fig. 5 (a), y la fricción del haz inducida por la humedad, como se muestra en la Fig. 5 (b), plantean un problema de confiabilidad para los interruptores MEMS de RF de haz fijo-fijo capacitivo. Stiction es la incapacidad del rayo de liberarse después de eliminar el voltaje de accionamiento. Una presión de contacto alta asegura un contacto de baja resistencia o alivia la fricción del haz inducida por carga dieléctrica. Los interruptores MEMS RF en voladizo óhmicos disponibles en el mercado y los interruptores MEMS RF capacitivos de haz fijo-fijo han demostrado una vida útil de más de 100 mil millones de ciclos a 100 mW de potencia de entrada de RF. [13] [14] Los problemas de confiabilidad relacionados con la operación de alta potencia se discuten en la sección del limitador.
Aplicaciones
Los resonadores RF MEMS se aplican en filtros y osciladores de referencia. [15] Los interruptores RF MEMS, los capacitores conmutados y los varactores se aplican en (sub) matrices ( cambiadores de fase ) escaneadas electrónicamente y radios definidas por software ( antenas reconfigurables , filtros de paso de banda sintonizables ). [dieciséis]
Antenas
La reconfigurabilidad del patrón de polarización y radiación , y la sintonización de frecuencia, generalmente se logran mediante la incorporación de componentes semiconductores III-V, como interruptores SPST o diodos varactores. Sin embargo, estos componentes se pueden reemplazar fácilmente por conmutadores 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 se pueden integrar monolíticamente en sustratos dieléctricos de baja pérdida, [17] tales como vidrio de borosilicato, sílice fundida o LCP, mientras que los sustratos de silicio pasivado y semi-aislante compuesto III-V generalmente tienen más pérdidas y un dieléctrico más alto. constante . Una tangente de baja pérdida y una constante dieléctrica baja son importantes para la eficiencia y el ancho de banda de la antena.
La técnica anterior incluye una antena fractal sintonizable de frecuencia RF MEMS para el rango de frecuencia de 0,1 a 6 GHz, [18] y la integración real de conmutadores RF MEMS en una antena de junta Sierpinski auto-similar para aumentar su número de frecuencias resonantes , ampliando 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 6–7 GHz basada en conmutadores Radant MEMS SPST-RMSW100 empaquetados, [22] una antena fractal Sierpinski multibanda RF MEMS , nuevamente con conmutadores RF MEMS integrados, que funcionan en diferentes bandas de 2,4 a 18 GHz, [23] y un RF MEMS de banda Ka de 2 bits antena de ranura sintonizable de frecuencia . [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 utilizar 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 en el LNA y el mezclador a la luz de la interferencia . Los filtros de paso de banda de RF fuera del chip basados en ondas acústicas agrupadas (BAW), cerámicos , SAW , cristal de cuarzo y resonadores FBAR han reemplazado a los filtros de paso de banda de RF distribuidos basados en resonadores de línea de transmisión, impresos en sustratos con tangente de baja pérdida o basados en guía de ondas caries.
Los filtros de paso de banda de RF sintonizables ofrecen una reducción de tamaño significativa en comparación con los bancos de filtros de paso de banda de RF conmutados . Se pueden implementar utilizando varactores semiconductores III-V, resonadores e interruptores ferroeléctricos BST o PZT y RF MEMS, capacitores y varactores conmutados y ferritas YIG . Los resonadores RF MEMS ofrecen el potencial de integración en chip de resonadores de alta Q y filtros de paso de banda de baja pérdida. El factor Q de los resonadores RF MEMS es del orden de 100-1000. [15] El conmutador RF MEMS, el condensador conmutado y la tecnología de varactor, ofrecen al diseñador de filtros sintonizables una compensación convincente entre pérdida de inserción, linealidad, consumo de energía, manejo de energía, tamaño y tiempo de conmutación. [26]
Cambiadores de fase
Se pueden usar subconjuntos pasivos basados en desplazadores de fase RF MEMS para reducir la cantidad de módulos T / R en un arreglo escaneado electrónicamente activo . La declaración se ilustra con ejemplos en la Fig.6: suponga que se usa un subarreglo 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 el buen manejo de potencia (500 mW) de los desfasadores RF MEMS permiten una EIRP de 40 W y una G r / T de 0,036 1 / K. EIRP, también denominado producto de apertura de potencia, 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 EIRP alto y G r / T son un requisito previo para la detección de largo alcance. La EIRP y G r / T son una función del número de elementos de antena por subconjunto y del ángulo de exploración máximo. El número de elementos de antena por subconjunto debe elegirse para optimizar la EIRP o el producto EIRP x G r / T, como se muestra en la Fig. 7 y la Fig. 8. La ecuación de alcance del radar se puede utilizar para calcular el alcance máximo para qué objetivos se pueden detectar con 10 dB de SNR en la entrada del receptor.
donde k B es la constante de Boltzmann , λ es la longitud de onda en el espacio libre y σ es el RCS del objetivo. Valores de rango se tabulan en la Tabla 1 para objetivos siguientes: a esfera con un radio, a, de 10 cm (σ = π un 2 ), un diedro reflector de esquina con tamaño de las facetas, A, de 10 cm (σ = 12 un 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 ).
RCS (m 2 ) | Alcance (m) | |
---|---|---|
Esfera | 0.0314 | 10 |
Parte trasera del coche | 20 | 51 |
Reflector de esquina diedro | 60,9 | 67 |
Caza de reacción | 400 | 107 |
Los desplazadores de fase RF MEMS permiten matrices de barrido electrónico pasivo de gran angular , como matrices de lentes , matrices de reflectores, subarreglos y redes de formación de haces conmutadas , con EIRP alta y G r / T alta . La técnica anterior en arreglos pasivos escaneados electrónicamente, incluye un arreglo de ramal transversal continuo (CTS) de banda X alimentado por una fuente de línea sintetizada por dieciséis desfasadores RF MEMS de tipo reflectante de 5 bits basados en conmutadores RF MEMS óhmicos en voladizo, [27] [28] una matriz de lentes 2-D de banda X que consta de guías de onda de placas paralelas y con conmutadores MEMS RF en voladizo de 25.000 ohmios, [29] y una red de formación de haces conmutada de banda W basada en un conmutador RF MEMS SP4T y una lente Rotman focal escáner de avión . [30]
El uso de desfasadores TTD con retardo de tiempo real en lugar de desfasadores RF MEMS permite formas de onda de radar UWB con resolución de alto rango asociada, y evita el entrecerrar el 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 decibel NF , especialmente en frecuencias hasta la banda X, pero son inherentemente digitales y requieren conmutadores SPNT de baja pérdida y alto aislamiento. Sin embargo, los desplazadores de fase TTD de línea cargada distribuidos se pueden realizar de forma análoga o digital, y en factores de forma más pequeños, lo cual es importante a nivel de subarreglo. Los desplazadores de fase analógicos están polarizados a través de una única línea de polarización, mientras que los desplazadores de fase digitales multibit requieren un bus paralelo junto con esquemas de enrutamiento complejos a nivel de subarreglo.
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