Tecnologia MEMS Y RF-MEMS

Ahora bien, mientras que una característica inherente a la tecnología de fabricación de circuitos integrados es su geometría planar (2D o 2.5D debido a la utilización de vías), las estructuras micromecánicas presentan un aspecto tridimensional, siendo necesaria una adaptación de las técnicas de fabricación convencionales con el objetivo de conseguir dichas estructuras. A este conjunto de nuevas técnicas especializadas en la fabricación de dispositivos en 3D se le denomina micromecanizado, y son parte fundamental de la tecnología MEMS.

En el campo de RF/microondas, los micro-sistemas son objeto de estudio y desarrollo, dando lugar a la tecnología conocida como RF-MEMS. En este campo, los varactores y los conmutadores son los dispositivos más comunes, siendo el diseño de los segundos el principal objetivo de este trabajo. Ahora bien, la fase de diseño de estas estructuras tridimensionales requiere una adaptación de las técnicas de modelado eléctrico convencionales. Por una parte, su gran relación de aspecto permite, hasta cierto grado, aproximarlas como estructuras 2D haciendo posible el uso de herramientas de modelado orientadas a estructuras planares. Por otra parte, el uso de herramientas de modelado 3D elimina la mayor parte de las aproximaciones realizadas por una herramienta 2D, permitiendo a su vez la realización de modelos más realistas a costa de mayores recursos de computación. Así pues, se abre un amplio abanico de posibilidades de modelado eléctrico que requerirá de un estudio que determine los modelos más eficientes de cara al diseño de dispositivos conmutadores RF-MEMS.

Este trabajo presenta el diseño de dispositivos conmutadores con tecnología RF- MEMS mediante la utilización de herramientas de modelado 2.5D y 3D. Como paso previo al diseño de los dispositivos finales se expone un estudio que pone de manifiesto las distintas posibilidades de diseño, así como, las principales ventajas e inconvenientes de las herramientas de modelado utilizadas en este trabajo en el diseño de dispositivos conmutadores RF-MEMS.

TECNOLOGÍA MEMS Y RF-MEMS

La tecnología MEMS se empezó a desarrollar a partir de los años setenta para la implementación de sensores tales como los de presión, temperatura y aceleración.
Los dispositivos micro-mecánicos tienen una serie de ventajas respecto a sus equivalentes macroscópicos siendo algunas de ellas: menor tamaño, menor peso, más rapidez, menor consumo y, en algunos casos, mayor precisión. Estas ventajas han favorecido el desarrollo de esta tecnología en sectores como el aeroespacial, la automoción, los procesos industriales de control, la instrumentación electrónica, la óptica, la sanidad y las telecomunicaciones. Entre las anteriores aplicaciones destacamos el sector de la automoción en el que los micro-acelerómetros en los airbags y los micro-sensores de presión son habituales en los coches de gama media-alta.

Tradicionalmente, se han clasificado los dispositivos MEMS en dos grandes grupos: los sensores y los actuadores. Los sensores están destinados a capturar información. Los actuadores son dispositivos móviles, normalmente actuados por señales eléctricas, capaces de cambiar las propiedades del sistema sobre el que actúan, como por ejemplo, en los sistemas de RF/microondas.

Centrándonos en el área de las telecomunicaciones, los micro-sistemas están siendo cada vez más utilizados, especialmente en el campo de las comunicaciones ópticas y, desde finales de los años noventa, en el campo de RF/microondas dando lugar a los llamados RF-MEMS en los que se centrará este trabajo.

El primer dispositivo RF-MEMS fue desarrollado en 1991, por el Dr. Larry Larson (Huges Research Laboratory). Sin embargo, el dispositivo diseñado ofrecía bajas prestaciones y poca fiabilidad y no fue hasta 1995 queRockwell Texas Center y T e x a s
Instruments desarrollaron un conmutador RF-MEMS con éxito. Es a partir de 1997,
cuando diferentes grupos de investigación de varias universidades y compañías
empezaron a trabajar en el desarrollo de los dispositivos RF-MEMS.

Los RF-MEMS permiten dotar de reconfigurabilidad a los sistemas RF/microondas. Dos son los principales dispositivos implementados mediante tecnología RF-MEMS en los sistemas de comunicación: varactores y conmutadores. El presente trabajo se centrará en el estudio y diseño de conmutadores basados en dicha tecnología.

CONMUTADORES RF-MEMS

Los conmutadores RF-MEMS, o micro-conmutadores, son dispositivos micro- actuadores que básicamente utilizan un movimiento mecánico para cambiar de estado. El origen del movimiento de estos dispositivos es una fuerza generada por una inyección externa de energía. Las fuerzas que requiere el movimiento mecánico pueden ser obtenidas por varios principios de actuación, siendo los más comunes: el electroestático, el electrotérmico y el magnético. El principio de actuación electroestático es el más utilizado y estudiado y es en el que se basará el estudio y diseño de los micro-conmutadores de este trabajo. Se basa en la aplicación de una tensión entre dos placas paralelas o electrodos siendo una de las placas fija y la otra móvil. En consecuencia, aparece una fuerza de atracción electroestática entre ambas placas que provoca que la placa móvil se aproxime a la fija a medida que la tensión se incrementa, llegando a colapsar a una determinada tensión denominada tensión de actuación o depull -in. La ventaja principal de este tipo de actuación es la ausencia de consumo de corriente, en contra partida, presenta algunos inconvenientes como por ejemplo los altos voltajes que en determinadas ocasiones se pueden necesitar para conseguir la actuación del dispositivo.

Existen dos grandes familias de conmutadores RF-MEMS: los de contacto capacitivo y los de contacto resistivo. El contacto de tipo resistivo (DC-contact) se basa en el contacto entre dos metales (contacto metal- metal) definiendo un camino resistivo. El contacto de tipo capacitivo está basado en un contacto metal-dieléctrico- metal en el que los dos estados del conmutador se definen a partir del valor alto o bajo de la capacidad de contacto a la frecuencia de diseño. Mientras que la característica más importante en los conmutadores de tipo resistivo es el propio contacto que depende en mayor medida del material utilizado, la característica más importante del contacto capacitivo es el ratio entre la capacidad en estado ON y la capacidad en estado OFF. Los micro-conmutadores de tipo resistivo operan en un rango de frecuencias de DC a 30-40 GHz y los micro-conmutadores de tipo capacitivo operan en un rango de frecuencias que va desde los 5-10 GHz hasta frecuencias mayores que 100 GHz.

ESTADO DEL ARTE

Los micro-conmutadores MEMS tienen diversas aplicaciones en RF, por ejemplo, redes de adaptación de impedancias, enrutamiento de señales, bancos de filtros y desfasadores entre otras. Algunos ejemplos de aplicaciones se pueden encontrar en. Como áreas de utilidad para las anteriores aplicaciones basadas en dispositivos conmutadores RF-MEMS podemos mencionar: sistemas de radar para aplicaciones de defensa (desfasadores para sistemas de misiles y radares), radares de automoción, sistemas de comunicaciones satélite (redes conmutadoras reconfigurables, y desfasadores para sistemas de comunicaciones satélite multihaz), sistemas de comunicaciones wireless multibanda (bancos de filtros para unidades portátiles y para estaciones base, redes conmutadoras, desfasadores y redes de adaptación reconfigurables y sistemas de instrumentación (conmutadores de altas prestaciones, atenuadores programables, redes SPNT y desfasadores para bancos de test industriales).

Los dispositivos conmutadores MEMS son una alternativa a las tecnologías convencionales de conmutación en circuitos de RF/microondas basados en dispositivos de estado sólido como los transistores FET o los diodos PIN. Los micro-conmutadores basados en tecnología RF-MEMS ofrecen ventajas respecto a estos últimos presentando pérdidas de inserción menores, mayor aislamiento, mayor linealidad, así como, un mayor grado de integración y un menor peso. Sin embargo, los micro-conmutadores MEMS presentan algunos inconvenientes, como son su tiempo de vida limitado y una velocidad de cambio de estado que suele superior a 30 µs debido a su naturaleza mecanica. La carga del dieléctrico, especialmente en los micro-conmutadores capacitivos, es todavía hoy un tema importante en relación a la fiabilidad de este tipo de dispositivos.

Como ejemplo de valores típicos en los dispositivos de estado sólido, mencionamos los conmutadores de estado sólido fabricados por la compañía Hittite que trabajan en la banda de frecuencias de DC a 20 GHz, con unas pérdidas de inserción de entre 0.3 y 2.2 dB y un aislamiento de entre 28 dB y 55 dB. La tensión de control de estos dispositivos es de 5 V. Por otra parte, la compañía TriQuint [8] dispone de conmutadores realizados con diodos PIN que trabajan en el rango de frecuencias de 4 a 20 GHz ofreciendo unas pérdidas de inserción de 0.9 dB, un aislamiento de 35 dB y una tensión de control de +/-2.7 V. Además, también dispone de conmutadores realizados con transistores FET que trabajan en el rango de frecuencias de DC a 18 GHz y ofrecen unas pérdidas de inserción de 1.5 dB, un aislamiento de 36 dB y su tensión de control es de -5 V. En cuanto a los dispositivos micro-conmutadores RF-MEMS, a continuación citamos los más recientes ejemplos de la literatura.

Aderlis S. Marquez G.
EES Seccion 2
http://www.scribd.com/doc/23346842/TECNOLOGIA-MEMS-Y-RF-MEMS