La aplicación de la tecnología de sistemas microelectro-
mecánicos (MEMS) está a punto de
revolucionar las comunicaciones inalámbricas
[1]. El hecho de que RF MEMS haga posible la
realización de dispositivos pasivos superiores,
tales como interruptores, condensadores conmutables (de
dos estados), condensadores contínuamente variables,
inductores, líneas de transmisión y resonadores, hace de
esta tecnología un candidato primordial para la realización
de un sin número de enseres inalámbricos operantes en las
esferas del hogar / terrestre, móvil, y del espacio [2], tales
como microteléfonos, estaciones base, y satélites. Las
propiedades esenciales con las que estos sistemas son
dotados son las de bajo consumo de potencia y
reconfigurabilidad. Es por estas razones que se cree que RF
MEMS ha de ser la tecnología clave para la realización de
conectividad inalámbrica universal. En este contexto, el
objetivo de este articulo es exponer el impacto y estado
corriente de la aplicación de RF MEMS para realizar
condensadores conmutables, condensadores variables e
interruptores, particularmente en los tres elementos de este
paradigma, a saber, microteléfonos, estaciones base, y
satélites. En particular, se abordan asuntos tales como la
justificación que motiva el uso de RF MEMS en el ámbito
de sistemas inalámbricos, los requerimientos de los
dispositivos impactados, la manufactura de grandes
cantidades, el empaque, y su funcionamiento y
confiabilidad.La primera parte de este articulo se enfoca en las técnicas
de fabricación (micromaquinado de superficie y de
substrato) y sus limitaciones, comparando los mecanismos
de activación mediante el uso de los cuales se pueden
confeccionar dispositivos RF MEMS, y el empaque a nivel
de dispositivo. La segunda parte se enfoca en desglosar el
progreso e impacto de RF MEMS en sistemas inalámbricos,
en particular, en microteléfonos, estaciones base, y
aplicaciones para el espacio.
mecánicos (MEMS) está a punto de
revolucionar las comunicaciones inalámbricas
[1]. El hecho de que RF MEMS haga posible la
realización de dispositivos pasivos superiores,
tales como interruptores, condensadores conmutables (de
dos estados), condensadores contínuamente variables,
inductores, líneas de transmisión y resonadores, hace de
esta tecnología un candidato primordial para la realización
de un sin número de enseres inalámbricos operantes en las
esferas del hogar / terrestre, móvil, y del espacio [2], tales
como microteléfonos, estaciones base, y satélites. Las
propiedades esenciales con las que estos sistemas son
dotados son las de bajo consumo de potencia y
reconfigurabilidad. Es por estas razones que se cree que RF
MEMS ha de ser la tecnología clave para la realización de
conectividad inalámbrica universal. En este contexto, el
objetivo de este articulo es exponer el impacto y estado
corriente de la aplicación de RF MEMS para realizar
condensadores conmutables, condensadores variables e
interruptores, particularmente en los tres elementos de este
paradigma, a saber, microteléfonos, estaciones base, y
satélites. En particular, se abordan asuntos tales como la
justificación que motiva el uso de RF MEMS en el ámbito
de sistemas inalámbricos, los requerimientos de los
dispositivos impactados, la manufactura de grandes
cantidades, el empaque, y su funcionamiento y
confiabilidad.La primera parte de este articulo se enfoca en las técnicas
de fabricación (micromaquinado de superficie y de
substrato) y sus limitaciones, comparando los mecanismos
de activación mediante el uso de los cuales se pueden
confeccionar dispositivos RF MEMS, y el empaque a nivel
de dispositivo. La segunda parte se enfoca en desglosar el
progreso e impacto de RF MEMS en sistemas inalámbricos,
en particular, en microteléfonos, estaciones base, y
aplicaciones para el espacio.
Fundamentos de la Tecnología RF MEMS
Fabricación
La tecnología de fabricación RF MEMS se basa en la
disciplina, muy bien establecida, de la fabricación de
circuitos integrados (CIs). De hecho, RF MEMS se puede
entender a la luz del proceso convencional bi-dimensional
de los CIs, Figura 1, el cual esta basado en fotolitográfica y
engravado químico, y el cual consiste de los siguientes
pasos fundamentales.
1) Se cubre el substrato con una barrera (usualmente SiO2
para un substrato de silicio).
2) Se cubre la superficie con un
material polimérico sensitivo a la
luz, llamado “photoresist” (PR).
3) Una foto-mascara (un plato de
vidrio, uno de cuyos lados
contiene un patrón de una
emulsión o película metálica, se
coloca sobre el substrato y el PR es
expuesto a través de esta mascara a
luz Ultravioleta (UV) de alta
intensidad dondequiera que la
mascara sea transparente.
El PR es desarrollado mediante un
proceso similar al utilizado para revelar
películas fotográficas y puede ser de
naturaleza positiva o negativa,
obteniéndose uno de dos resultados:
1) Cuando los rayos UV interaccionan
con un PR positivo, se debilita el
polímero, de manera que cuando la
imagen es desarrollada el PR expuesto a
los rayos UV se disuelve transfiriendo
así la imagen positiva de la mascara a la
capa de PR.
2) Cuando la luz UV interacciona con el
PR negativo, se fortalece el PR, de
manera que cuando la imagen es
desarrollada el PR no expuesto a la luz
UV se disuelve, transfiriendo así la
imagen negativa de la mascara a la capa
de PR.
La tecnología de fabricación RF MEMS
esta basada en dos técnicas principales
para moldear la tercera dimensión, a
saber, micromaquinado de superficie y micromaquinado de substrato.
En el micromaquinado de superficie, Figura 2(a), películas
delgadas de materiales son selectivamente añadidas, y
eliminadas del substrato. Los materiales de la película que
eventualmente serán eliminados se denominan materiales
de sacrificio, mientras que los que finalmente permanecen
se denominan materiales estructurales. Por ejemplo, una
viga voladiza se puede crear sobre un substrato de silicio
mediante el deposito de SiO2 como capa de sacrificio,
depositando polisilicio como capa estructural, definiendo el
patrón o geometría de la viga en la capa de polisilicio, y
finalmente disolviendo la capa de sacrificio debajo de esta.
Este ultimo paso es llamado liberación ya que tiene como
objetivo el liberar las estructuras mecánicas de modo que se
puedan mover. Materiales típicos empleados en el
micromaquinado de superficie se muestran en la Tabla 1 [3].
Cuando un químico para engravado liquido es utilizado
para disolver la capa de sacrificio, sin embargo, uno debe
asegurarse de que las fuerzas de resorte de las estructurasmecánicas superan las fuerzas de tensión de superficie del
químico liquido. Si no es así, la liberación no ocurrirá
completamente y las estructuras terminaran pegadas o al
substrato o a otras estructuras adyacentes. Este fenómeno
de adhesión puede también ocurrir durante la operación de
dispositivos operados mediante fuerzas electrostáticas, en
cuyo caso puede ser el resultado de un tirón violento (“pullin”),
a discutirse más adelante [1], [3]-[5].
En el micromaquinado de substrato, estructuras
mecánicas son creadas dentro de los confines del substrato,
Figura 2(b), mediante la eliminación selectiva de material
del substrato por técnicas de engravamiento / corrosión
liquidas y secas, explotando así las razones anisotrópicas
de corrosión de los diferentes planos cristalográficos en el
substrato.
La aplicación de MEMS en el contexto de sistemas
integrados es de gran interés porque mediante la
integración tri-dimensional (3-D) de estructuras mecánicas
móviles en el mismo substrato que los circuitos electrónicos,
se hace posible el producir sistemas altamente funcionales
capaces de alcanzar niveles de funcionamiento imposibles
de obtener de otra manera,
particularmente en el
ámbito de tamaño, consumo
de potencia, y costo. Las
estructuras MEM 3-D en
cuestión, pueden activarse
mediante una variedad de
mecanismos, tales como los
que se derivan de fuerzas
electrostáticas, electro
térmico, piezoeléctricas,
electromagnéticas, y
electrodinámicas. Sin
embargo, en el fondo, desde
un punto de vista a nivel de
sistema o funcional, e
independientemente del
mecanismo de activación,
estas estructuras poseen dos
pares de electrodos. A través
del primero, se aplica una polarización d.c. para causar
movimiento y un segundo par, los electrodos de
conmutación o contactos, con el que existe la señal de
radiofrecuencia (RF) manipulada. Cuando los dos pares
están aislados uno del otro, la configuración se denomina
relevador (”relay”). Por otro lado, si el d.c. y la señal RF
comparten las mismas líneas de control, la configuración se
denomina interruptor. Desde el punto de vista de un
circuito, los relevadores pueden clasificarse como
dispositivos de 4 terminales y los interruptores como
dispositivos de 2 terminales. Sin embargo, es posible,
cuando los conjuntos de terminales de polarización y RF
comparten un potencial de referencia (“ground”) en común,
el tener un relevador de 3 terminales.
Desde una perspectiva de diseño de circuitos, la
naturaleza de la estructura de un dispositivo, sea este un
relevador o un interruptor, es de mucha importancia. Esto
es así porque, mientras que un relevador posee una
aislamiento intrínseco entre los terminales de polarización
y RF, un interruptor no. Por tanto, cuando se emplea laconfiguración de interruptor, es necesario emplear un
modo de desacoplar las señales de polarización y RF, por
ejemplo, hay que utilizar una T de polarización (“Bias-
Tee”). Estos conceptos pueden visualizarse examinando las
estructuras fundamentales para relevadores e interruptores
RF MEMS
En este articulo nos enfocamos en discutir el progreso e
impacto sobre los sistemas inalámbricos de tres tipos de
dispositivos RF MEMS de micromaquinado de superficie, a
saber, condensadores conmutables (CC), condensadores
contínuamente variables, e interruptores óhmicos. En lo
que sigue, presentamos una comparación entre los distintos
mecanismos de activación explotados en la confección de
dispositivos RF MEMS.
Fabricación
La tecnología de fabricación RF MEMS se basa en la
disciplina, muy bien establecida, de la fabricación de
circuitos integrados (CIs). De hecho, RF MEMS se puede
entender a la luz del proceso convencional bi-dimensional
de los CIs, Figura 1, el cual esta basado en fotolitográfica y
engravado químico, y el cual consiste de los siguientes
pasos fundamentales.
1) Se cubre el substrato con una barrera (usualmente SiO2
para un substrato de silicio).
2) Se cubre la superficie con un
material polimérico sensitivo a la
luz, llamado “photoresist” (PR).
3) Una foto-mascara (un plato de
vidrio, uno de cuyos lados
contiene un patrón de una
emulsión o película metálica, se
coloca sobre el substrato y el PR es
expuesto a través de esta mascara a
luz Ultravioleta (UV) de alta
intensidad dondequiera que la
mascara sea transparente.
El PR es desarrollado mediante un
proceso similar al utilizado para revelar
películas fotográficas y puede ser de
naturaleza positiva o negativa,
obteniéndose uno de dos resultados:
1) Cuando los rayos UV interaccionan
con un PR positivo, se debilita el
polímero, de manera que cuando la
imagen es desarrollada el PR expuesto a
los rayos UV se disuelve transfiriendo
así la imagen positiva de la mascara a la
capa de PR.
2) Cuando la luz UV interacciona con el
PR negativo, se fortalece el PR, de
manera que cuando la imagen es
desarrollada el PR no expuesto a la luz
UV se disuelve, transfiriendo así la
imagen negativa de la mascara a la capa
de PR.
La tecnología de fabricación RF MEMS
esta basada en dos técnicas principales
para moldear la tercera dimensión, a
saber, micromaquinado de superficie y micromaquinado de substrato.
En el micromaquinado de superficie, Figura 2(a), películas
delgadas de materiales son selectivamente añadidas, y
eliminadas del substrato. Los materiales de la película que
eventualmente serán eliminados se denominan materiales
de sacrificio, mientras que los que finalmente permanecen
se denominan materiales estructurales. Por ejemplo, una
viga voladiza se puede crear sobre un substrato de silicio
mediante el deposito de SiO2 como capa de sacrificio,
depositando polisilicio como capa estructural, definiendo el
patrón o geometría de la viga en la capa de polisilicio, y
finalmente disolviendo la capa de sacrificio debajo de esta.
Este ultimo paso es llamado liberación ya que tiene como
objetivo el liberar las estructuras mecánicas de modo que se
puedan mover. Materiales típicos empleados en el
micromaquinado de superficie se muestran en la Tabla 1 [3].
Cuando un químico para engravado liquido es utilizado
para disolver la capa de sacrificio, sin embargo, uno debe
asegurarse de que las fuerzas de resorte de las estructurasmecánicas superan las fuerzas de tensión de superficie del
químico liquido. Si no es así, la liberación no ocurrirá
completamente y las estructuras terminaran pegadas o al
substrato o a otras estructuras adyacentes. Este fenómeno
de adhesión puede también ocurrir durante la operación de
dispositivos operados mediante fuerzas electrostáticas, en
cuyo caso puede ser el resultado de un tirón violento (“pullin”),
a discutirse más adelante [1], [3]-[5].
En el micromaquinado de substrato, estructuras
mecánicas son creadas dentro de los confines del substrato,
Figura 2(b), mediante la eliminación selectiva de material
del substrato por técnicas de engravamiento / corrosión
liquidas y secas, explotando así las razones anisotrópicas
de corrosión de los diferentes planos cristalográficos en el
substrato.
La aplicación de MEMS en el contexto de sistemas
integrados es de gran interés porque mediante la
integración tri-dimensional (3-D) de estructuras mecánicas
móviles en el mismo substrato que los circuitos electrónicos,
se hace posible el producir sistemas altamente funcionales
capaces de alcanzar niveles de funcionamiento imposibles
de obtener de otra manera,
particularmente en el
ámbito de tamaño, consumo
de potencia, y costo. Las
estructuras MEM 3-D en
cuestión, pueden activarse
mediante una variedad de
mecanismos, tales como los
que se derivan de fuerzas
electrostáticas, electro
térmico, piezoeléctricas,
electromagnéticas, y
electrodinámicas. Sin
embargo, en el fondo, desde
un punto de vista a nivel de
sistema o funcional, e
independientemente del
mecanismo de activación,
estas estructuras poseen dos
pares de electrodos. A través
del primero, se aplica una polarización d.c. para causar
movimiento y un segundo par, los electrodos de
conmutación o contactos, con el que existe la señal de
radiofrecuencia (RF) manipulada. Cuando los dos pares
están aislados uno del otro, la configuración se denomina
relevador (”relay”). Por otro lado, si el d.c. y la señal RF
comparten las mismas líneas de control, la configuración se
denomina interruptor. Desde el punto de vista de un
circuito, los relevadores pueden clasificarse como
dispositivos de 4 terminales y los interruptores como
dispositivos de 2 terminales. Sin embargo, es posible,
cuando los conjuntos de terminales de polarización y RF
comparten un potencial de referencia (“ground”) en común,
el tener un relevador de 3 terminales.
Desde una perspectiva de diseño de circuitos, la
naturaleza de la estructura de un dispositivo, sea este un
relevador o un interruptor, es de mucha importancia. Esto
es así porque, mientras que un relevador posee una
aislamiento intrínseco entre los terminales de polarización
y RF, un interruptor no. Por tanto, cuando se emplea laconfiguración de interruptor, es necesario emplear un
modo de desacoplar las señales de polarización y RF, por
ejemplo, hay que utilizar una T de polarización (“Bias-
Tee”). Estos conceptos pueden visualizarse examinando las
estructuras fundamentales para relevadores e interruptores
RF MEMS
En este articulo nos enfocamos en discutir el progreso e
impacto sobre los sistemas inalámbricos de tres tipos de
dispositivos RF MEMS de micromaquinado de superficie, a
saber, condensadores conmutables (CC), condensadores
contínuamente variables, e interruptores óhmicos. En lo
que sigue, presentamos una comparación entre los distintos
mecanismos de activación explotados en la confección de
dispositivos RF MEMS.
Activación
Dispositivos RF MEMS, tales como interruptores,
condensadores variables y resonadores mecánicos,
contienen miembros móviles, los cuales son puestos en
movimiento a través de un microactivador. Un dispositivo
interruptor RF MEMS, por ejemplo, posee, tal como los
interruptores semiconductores RF, dos estados estables.
La conmutación entre los dos estados es lograda a través
del desplazamiento mecánico de un miembro estructural
capaz de moverse libremente, a saber, la armadura. El
desplazamiento es inducido mediante un microactivador
para el cual varios mecanismos de activación existen,
incluyendo activación electrostática, electrotérmica,
piezoeléctrica y electromagnética [6]. El principio de operación
de estos cuatro mecanismos se ilustra en las Figuras 4, 6, 7,
y 8, respectivamente, y toma cuerpo en un dispositivo
interruptor RF MEMS con viga flexible de tipo voladizo.
Las siguientes sub-secciones discuten más a fondo cada
mecanismo de activación.
La mayoría de los dispositivos RF MEMS utilizan la
activación electrostática [7, 8], ilustrada en la Figura 4(a)
para un interruptor RF MEMS. La activación
electrostática esta basada en la fuerza atractiva de CoulombEsta relación alineal ocasiona el que
ocurra una inestabilidad cuando el voltaje excede el
llamado voltaje de “pull-in” VPI. En otras palabras, “pullin”
denota el voltaje al cual el control de un dispositivo
activado electrostáticamente, por ejemplo, una viga, es
perdido debido a la perdida de equilibrio entre fuerzas
electrostática y de resorte.
La aplicación de la tecnología de sistemas microelectro-
mecánicos (MEMS) está a punto de
revolucionar las comunicaciones inalámbricas
[1]. El hecho de que RF MEMS haga posible la
realización de dispositivos pasivos superiores,
tales como interruptores, condensadores conmutables (de
dos estados), condensadores contínuamente variables,
inductores, líneas de transmisión y resonadores, hace de
esta tecnología un candidato primordial para la realización
de un sin número de enseres inalámbricos operantes en las
esferas del hogar / terrestre, móvil, y del espacio [2], tales
como microteléfonos, estaciones base, y satélites. Las
propiedades esenciales con las que estos sistemas son
dotados son las de bajo consumo de potencia y
reconfigurabilidad. Es por estas razones que se cree que RF
MEMS ha de ser la tecnología clave para la realización de
conectividad inalámbrica universal. En este contexto, el
objetivo de este articulo es exponer el impacto y estado
corriente de la aplicación de RF MEMS para realizar
condensadores conmutables, condensadores variables e
interruptores, particularmente en los tres elementos de este
paradigma, a saber, microteléfonos, estaciones base, y
satélites. En particular, se abordan asuntos tales como la
justificación que motiva el uso de RF MEMS en el ámbito
de sistemas inalámbricos, los requerimientos de los
dispositivos impactados, la manufactura de grandes
cantidades, el empaque, y su funcionamiento y
confiabilidad.La primera parte de este articulo se enfoca en las técnicas
de fabricación (micromaquinado de superficie y de
substrato) y sus limitaciones, comparando los mecanismos
de activación mediante el uso de los cuales se pueden
confeccionar dispositivos RF MEMS, y el empaque a nivel
de dispositivo. La segunda parte se enfoca en desglosar el
progreso e impacto de RF MEMS en sistemas inalámbricos,
en particular, en microteléfonos, estaciones base, y
aplicaciones para el espacio.
Dispositivos RF MEMS, tales como interruptores,
condensadores variables y resonadores mecánicos,
contienen miembros móviles, los cuales son puestos en
movimiento a través de un microactivador. Un dispositivo
interruptor RF MEMS, por ejemplo, posee, tal como los
interruptores semiconductores RF, dos estados estables.
La conmutación entre los dos estados es lograda a través
del desplazamiento mecánico de un miembro estructural
capaz de moverse libremente, a saber, la armadura. El
desplazamiento es inducido mediante un microactivador
para el cual varios mecanismos de activación existen,
incluyendo activación electrostática, electrotérmica,
piezoeléctrica y electromagnética [6]. El principio de operación
de estos cuatro mecanismos se ilustra en las Figuras 4, 6, 7,
y 8, respectivamente, y toma cuerpo en un dispositivo
interruptor RF MEMS con viga flexible de tipo voladizo.
Las siguientes sub-secciones discuten más a fondo cada
mecanismo de activación.
La mayoría de los dispositivos RF MEMS utilizan la
activación electrostática [7, 8], ilustrada en la Figura 4(a)
para un interruptor RF MEMS. La activación
electrostática esta basada en la fuerza atractiva de CoulombEsta relación alineal ocasiona el que
ocurra una inestabilidad cuando el voltaje excede el
llamado voltaje de “pull-in” VPI. En otras palabras, “pullin”
denota el voltaje al cual el control de un dispositivo
activado electrostáticamente, por ejemplo, una viga, es
perdido debido a la perdida de equilibrio entre fuerzas
electrostática y de resorte.
La aplicación de la tecnología de sistemas microelectro-
mecánicos (MEMS) está a punto de
revolucionar las comunicaciones inalámbricas
[1]. El hecho de que RF MEMS haga posible la
realización de dispositivos pasivos superiores,
tales como interruptores, condensadores conmutables (de
dos estados), condensadores contínuamente variables,
inductores, líneas de transmisión y resonadores, hace de
esta tecnología un candidato primordial para la realización
de un sin número de enseres inalámbricos operantes en las
esferas del hogar / terrestre, móvil, y del espacio [2], tales
como microteléfonos, estaciones base, y satélites. Las
propiedades esenciales con las que estos sistemas son
dotados son las de bajo consumo de potencia y
reconfigurabilidad. Es por estas razones que se cree que RF
MEMS ha de ser la tecnología clave para la realización de
conectividad inalámbrica universal. En este contexto, el
objetivo de este articulo es exponer el impacto y estado
corriente de la aplicación de RF MEMS para realizar
condensadores conmutables, condensadores variables e
interruptores, particularmente en los tres elementos de este
paradigma, a saber, microteléfonos, estaciones base, y
satélites. En particular, se abordan asuntos tales como la
justificación que motiva el uso de RF MEMS en el ámbito
de sistemas inalámbricos, los requerimientos de los
dispositivos impactados, la manufactura de grandes
cantidades, el empaque, y su funcionamiento y
confiabilidad.La primera parte de este articulo se enfoca en las técnicas
de fabricación (micromaquinado de superficie y de
substrato) y sus limitaciones, comparando los mecanismos
de activación mediante el uso de los cuales se pueden
confeccionar dispositivos RF MEMS, y el empaque a nivel
de dispositivo. La segunda parte se enfoca en desglosar el
progreso e impacto de RF MEMS en sistemas inalámbricos,
en particular, en microteléfonos, estaciones base, y
aplicaciones para el espacio.
Jorge L. Polentino U.
19769972
CRF
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