Эта статья может быть слишком технической для понимания большинства читателей . ( Февраль 2012 ) |
Радиочастотная микроэлектромеханическая система ( РЧ МЭМС ) — это микроэлектромеханическая система с электронными компонентами , включающими движущиеся субмиллиметровые детали, которые обеспечивают радиочастотную (РЧ) функциональность. [1] РЧ функциональность может быть реализована с использованием различных РЧ технологий. Помимо технологии РЧ МЭМС, для разработчика РЧ доступны технологии полупроводниковых соединений III-V ( GaAs , GaN , InP , InSb ), ферритов , сегнетоэлектриков , полупроводников на основе кремния ( РЧ КМОП , SiC и SiGe ) и вакуумных ламп . Каждая из РЧ технологий предлагает определенный компромисс между стоимостью, частотой , усилением , крупномасштабной интеграцией , сроком службы, линейностью , коэффициентом шума , корпусированием , мощностью , потребляемой мощностью , надежностью , прочностью, размером, напряжением питания , временем переключения и весом.
Существуют различные типы компонентов RF MEMS, такие как интегрируемые КМОП- резонаторы RF MEMS и автогенераторы с малым форм-фактором и низким фазовым шумом , настраиваемые индукторы RF MEMS и переключатели RF MEMS , коммутируемые конденсаторы и варакторы .
Компоненты, обсуждаемые в этой статье, основаны на переключателях RF MEMS, переключаемых конденсаторах и варакторах. Эти компоненты могут использоваться вместо переключателей FET и HEMT (транзисторы FET и HEMT в конфигурации с общим затвором ) и PIN -диодов. Переключатели RF MEMS, переключаемые конденсаторы и варакторы классифицируются по методу приведения в действие ( электростатический , электротермический, магнитостатический , пьезоэлектрический ), по оси отклонения (боковая, вертикальная), по конфигурации схемы ( последовательная , шунтирующая ), по конфигурации зажима ( консольная , фиксированно-фиксированная балка ) или по контактному интерфейсу ( емкостный , омический ). Электростатически активируемые компоненты RF MEMS обеспечивают низкие вносимые потери и высокую изоляцию, линейность, управляемую мощность и добротность , не потребляют мощность, но требуют высокого управляющего напряжения и герметичной однокристальной упаковки ( тонкопленочное покрытие, упаковка LCP или LTCC ) или упаковки на уровне пластины ( анодное или стеклянное соединение пластин).
РЧ МЭМС-переключатели были впервые разработаны IBM Research Laboratory , Сан-Хосе , Калифорния , [2] [3] Hughes Research Laboratories , Малибу , Калифорния, [4] Northeastern University в сотрудничестве с Analog Devices , Бостон , Массачусетс , [5] Raytheon , Даллас , Техас , [6] [7] и Rockwell Science, Таузенд-Оукс , Калифорния. [8] Емкостный фиксированно-фиксированный лучевой РЧ МЭМС-переключатель, как показано на рис. 1(a), по сути, представляет собой микромашинный конденсатор с подвижным верхним электродом, который является лучом. Он обычно подключается параллельно с линией передачи и используется в компонентах РЧ МЭМС диапазона X -W (77 ГГц и 94 ГГц). Омический консольный РЧ МЭМС-переключатель, как показано на рис. 1(b), является емкостным в верхнем состоянии, но создает омический контакт в нижнем состоянии. Обычно он подключается последовательно с линией передачи и используется в компонентах постоянного тока в диапазоне Ka .
С точки зрения электромеханики компоненты ведут себя как затухающая система масса-пружина , приводимая в действие электростатической силой . Коэффициент упругости пружины является функцией размеров балки, а также модуля Юнга , остаточного напряжения и коэффициента Пуассона материала балки. Электростатическая сила является функцией емкости и напряжения смещения . Знание коэффициента упругости пружины позволяет вручную рассчитать напряжение втягивания, которое является напряжением смещения, необходимым для втягивания балки, тогда как знание коэффициента упругости пружины и массы позволяет вручную рассчитать время переключения.
С точки зрения радиочастот компоненты ведут себя как последовательная RLC-цепь с незначительным сопротивлением и индуктивностью. Емкость в верхнем и нижнем состоянии составляет порядка 50 фФ и 1,2 пФ, что является функциональными значениями для проектирования цепей миллиметрового диапазона . Переключатели обычно имеют отношение емкостей 30 или выше, в то время как переключаемые конденсаторы и варакторы имеют отношение емкостей около 1,2 к 10. Нагруженный фактор Q составляет от 20 до 50 в диапазонах X, Ku и Ka. [9]
РЧ МЭМС-коммутируемые конденсаторы представляют собой емкостные фиксированно-фиксированные лучевые переключатели с низким отношением емкости. РЧ МЭМС-варикапы представляют собой емкостные фиксированно-фиксированные лучевые переключатели, которые смещены ниже напряжения втягивания. Другими примерами РЧ МЭМС-переключателей являются омические консольные переключатели и емкостные однополюсные N-переключатели (SPNT), основанные на осевом зазоре качающегося двигателя . [10]
Компоненты RF MEMS смещены электростатически с использованием биполярного напряжения управления NRZ , как показано на рис. 2, чтобы избежать диэлектрической зарядки [11] и увеличить срок службы устройства. Диэлектрические заряды оказывают постоянную электростатическую силу на балку. Использование биполярного напряжения управления NRZ вместо постоянного напряжения управления позволяет избежать диэлектрической зарядки, в то время как электростатическая сила, действующая на балку, сохраняется, поскольку электростатическая сила изменяется квадратично с постоянным напряжением управления. Электростатическое смещение подразумевает отсутствие тока, что позволяет использовать высокоомные линии смещения вместо ВЧ- дросселей .
Компоненты RF MEMS хрупкие и требуют упаковки на уровне пластины или упаковки с одним кристаллом, которые обеспечивают герметичную герметизацию полости . Полость требуется для обеспечения движения, в то время как герметичность требуется для предотвращения отмены силы пружины силой Ван-дер-Ваальса, оказываемой каплями воды и другими загрязняющими веществами на балку. Переключатели RF MEMS, коммутируемые конденсаторы и варакторы могут быть упакованы с использованием упаковки на уровне пластины. Большие монолитные фильтры RF MEMS, фазовращатели и настраиваемые согласующие цепи требуют упаковки с одним кристаллом.
Упаковка на уровне пластины реализуется до резки пластины , как показано на рис. 3(a), и основана на анодном, диффузионном металле, эвтектическом металле , стеклянной фритте, полимерном клее и соединении пластин с помощью сплавления кремния. Выбор метода упаковки на уровне пластины основан на балансировке коэффициентов теплового расширения материальных слоев компонента RF MEMS и подложек для минимизации прогиба пластины и остаточного напряжения, а также на требованиях к выравниванию и герметичности. Показателями качества методов упаковки на уровне пластины являются размер чипа, герметичность, температура обработки , (не)терпимость к ошибкам выравнивания и шероховатость поверхности . Анодное и кремниевое соединение с помощью сплавления не требуют промежуточного слоя, но не допускают шероховатости поверхности. Методы упаковки на уровне пластины, основанные на методе соединения с проводящим промежуточным слоем (проводящим разрезным кольцом), ограничивают полосу пропускания и изоляцию компонента RF MEMS. Наиболее распространенные методы упаковки на уровне пластин основаны на анодном и стеклянном соединении пластин. Методы упаковки на уровне пластин, улучшенные вертикальными соединениями, предлагают возможность трехмерной интеграции.
Однокристальная упаковка, как показано на рис. 3(b), реализуется после резки пластин с использованием предварительно изготовленных керамических или органических упаковок, таких как литьевые упаковки LCP или LTCC. Предварительно изготовленные упаковки требуют герметичной герметизации полости посредством засорения, осыпания , пайки или сварки . Показателями качества однокристальных технологий упаковки являются размер чипа, герметичность и температура обработки.
Процесс изготовления RF MEMS основан на методах поверхностной микрообработки и позволяет интегрировать тонкопленочные резисторы SiCr или TaN (TFR), конденсаторы металл-воздух-металл (MAM), конденсаторы металл-изолятор-металл (MIM) и компоненты RF MEMS. Процесс изготовления RF MEMS может быть реализован на различных пластинах: полуизолирующие пластины III-V соединений , боросиликатное стекло, плавленый кварц ( кварц ), LCP, сапфир и пассивированные кремниевые пластины. Как показано на рис. 4, компоненты RF MEMS могут быть изготовлены в чистых помещениях класса 100 с использованием 6-8 этапов оптической литографии с ошибкой выравнивания контактов 5 мкм, тогда как современные процессы изготовления MMIC и RFIC требуют 13-25 этапов литографии.
Как показано на рис. 4, основными этапами микропроизводства являются:
За исключением удаления жертвенной прокладки, которая требует сушки в критической точке, этапы изготовления аналогичны этапам процесса изготовления КМОП. Процессы изготовления РЧ МЭМС, в отличие от процессов изготовления сегнетоэлектриков BST или PZT и MMIC, не требуют электронно-лучевой литографии , MBE или MOCVD .
Ухудшение контактного интерфейса создает проблему надежности для омических консольных РЧ МЭМС-переключателей, тогда как диэлектрическое зарядное трение луча [12] , как показано на рис. 5(a), и вызванное влажностью трение луча, как показано на рис. 5(b), создают проблему надежности для емкостных фиксированно-фиксированных балочных РЧ МЭМС-переключателей. Трение - это неспособность луча освободиться после снятия напряжения привода. Высокое контактное давление обеспечивает низкоомный контакт или смягчает диэлектрическое зарядное трение луча. Коммерчески доступные омические консольные РЧ МЭМС-переключатели и емкостные фиксированно-фиксированные балочные РЧ МЭМС-переключатели продемонстрировали срок службы более 100 миллиардов циклов при 100 мВт входной мощности РЧ. [13] [14] Вопросы надежности, относящиеся к работе на большой мощности, обсуждаются в разделе ограничителя.
РЧ-МЭМС-резонаторы применяются в фильтрах и опорных генераторах. [15] РЧ-МЭМС-переключатели, коммутируемые конденсаторы и варакторы применяются в электронно-сканируемых (под)решетках ( фазовращателях ) и программно-определяемых радиоустройствах ( перестраиваемых антеннах , настраиваемых полосовых фильтрах ). [16]
Реконфигурируемость поляризации и диаграммы направленности , а также настраиваемость частоты обычно достигаются путем включения полупроводниковых компонентов III-V, таких как SPST- переключатели или варакторные диоды. Однако эти компоненты можно легко заменить на переключатели RF MEMS и варакторные диоды, чтобы воспользоваться низкими вносимыми потерями и высоким добротным фактором, предлагаемыми технологией RF MEMS. Кроме того, компоненты RF MEMS могут быть интегрированы монолитно на диэлектрических подложках с низкими потерями [17], таких как боросиликатное стекло, плавленый кварц или LCP, тогда как полуизолирующие и пассивированные кремниевые подложки из соединений III-V, как правило, имеют большие потери и более высокую диэлектрическую постоянную . Низкий тангенс угла потерь и низкая диэлектрическая постоянная важны для эффективности и полосы пропускания антенны.
Уровень техники включает в себя частотно-настраиваемую фрактальную антенну RF MEMS для диапазона частот 0,1–6 ГГц [18] и фактическую интеграцию переключателей RF MEMS на самоподобной прокладочной антенне Серпинского для увеличения числа ее резонансных частот , расширяя ее диапазон до 8 ГГц, 14 ГГц и 25 ГГц, [19] [20] спиральную антенну с реконфигурируемой диаграммой направленности излучения RF MEMS для 6 и 10 ГГц, [21] спиральную антенну с реконфигурируемой диаграммой направленности излучения RF MEMS для диапазона частот 6–7 ГГц на основе пакетированных переключателей Radant MEMS SPST-RMSW100, [22] многополосную фрактальную антенну RF MEMS Серпинского , снова со встроенными переключателями RF MEMS, функционирующими в различных диапазонах от 2,4 до 18 ГГц, [23] и 2-битную щелевую антенну RF MEMS Ka-диапазона с настраиваемой частотой . [24]
Samsung Omnia W был первым смартфоном, оснащенным антенной RF MEMS. [25]
Фильтры полосы пропускания ВЧ могут использоваться для увеличения внеполосного режекции, если антенна не обеспечивает достаточной селективности . Фильтрация внеполосного режекции снижает требования к динамическому диапазону на LNA и смесителе в свете помех . Фильтры полосы пропускания ВЧ вне кристалла на основе сосредоточенных объемных акустических волн (BAW), керамических , SAW , кварцевых кристаллов и резонаторов FBAR заменили распределенные фильтры полосы пропускания ВЧ на основе резонаторов линии передачи, напечатанных на подложках с низким тангенсом угла потерь или на основе волноводных полостей.
Настраиваемые полосовые фильтры РЧ обеспечивают значительное уменьшение размера по сравнению с переключаемыми полосовыми фильтрами РЧ . Они могут быть реализованы с использованием полупроводниковых варакторов III-V, сегнетоэлектрических BST или PZT и резонаторов и переключателей РЧ МЭМС, переключаемых конденсаторов и варакторов, а также ферритов YIG . Резонаторы РЧ МЭМС предлагают потенциал интеграции на кристалле высокодобротных резонаторов и полосовых фильтров с низкими потерями. Фактор добротности резонаторов РЧ МЭМС составляет порядка 100–1000. [15] Переключатель РЧ МЭМС, переключаемый конденсатор и технология варакторов предлагают разработчику настраиваемых фильтров убедительный компромисс между вносимыми потерями, линейностью, энергопотреблением, мощностью, размером и временем переключения. [26]
Пассивные подрешетки на основе фазовращателей RF MEMS могут использоваться для снижения количества модулей T/R в активной электронно-сканируемой решетке . Утверждение проиллюстрировано примерами на рис. 6: предположим, что пассивная подрешетка размером один на восемь используется как для передачи, так и для приема со следующими характеристиками: f = 38 ГГц, G r = G t = 10 дБи , BW = 2 ГГц, P t = 4 Вт . Низкие потери (6,75 пс /дБ) и хорошая управляемая мощность (500 мВт) фазовращателей RF MEMS позволяют получить EIRP 40 Вт и G r /T 0,036 1/K. EIRP, также называемый произведением мощности на апертуру, является произведением усиления передачи, G t , и мощности передачи, P t . G r /T является частным от деления усиления приема на шумовую температуру антенны. Высокие значения EIRP и G r /T являются необходимым условием для обнаружения на большом расстоянии. EIRP и G r /T являются функцией количества антенных элементов на подрешетку и максимального угла сканирования. Количество антенных элементов на подрешетку следует выбирать для оптимизации EIRP или произведения EIRP x G r /T, как показано на рис. 7 и рис. 8. Уравнение дальности действия радара можно использовать для расчета максимальной дальности, на которой цели могут быть обнаружены с 10 дБ SNR на входе приемника.
где k B — постоянная Больцмана , λ — длина волны в свободном пространстве, а σ — ЭПР цели. Значения дальности приведены в Таблице 1 для следующих целей: сфера с радиусом a, равным 10 см (σ = π a 2 ), двугранный уголковый отражатель с размером грани a, равным 10 см (σ = 12 a 4 /λ 2 ), задняя часть автомобиля (σ = 20 м 2 ) и для неуклоняющегося истребителя (σ = 400 м 2 ).
ЭПР (м 2 ) | Диапазон (м) | |
---|---|---|
Сфера | 0,0314 | 10 |
Задняя часть автомобиля | 20 | 51 |
Двугранный угловой отражатель | 60,9 | 67 |
Истребитель-реактивный самолет | 400 | 107 |
Фазовращатели RF MEMS позволяют создавать широкоугольные пассивные электронно-сканируемые решетки , такие как линзовые решетки , отражающие решетки , подрешетки и коммутируемые сети формирования луча с высоким EIRP и высоким G r /T. Известный уровень техники в пассивных электронно-сканируемых решетках включает в себя непрерывную поперечную решетку (CTS) X-диапазона, питаемую линейным источником, синтезированным шестнадцатью 5-битными фазовращателями RF MEMS отражающего типа на основе омических консольных RF MEMS-переключателей, [27] [28] двумерную линзовую решетку X-диапазона, состоящую из волноводов с параллельными пластинами и имеющую 25 000 омических консольных RF MEMS-переключателей, [29] и коммутируемую сеть формирования луча W-диапазона на основе RF MEMS SP4T-переключателя и сканера фокальной плоскости линзы Rotman . [30]
Использование фазовращателей TTD с истинной задержкой во времени вместо фазовращателей RF MEMS позволяет использовать UWB- радиолокационные формы сигналов с соответствующим высоким разрешением по дальности и избегать косоглазия луча или сканирования частоты. Фазовращатели TTD разработаны с использованием принципа коммутируемой линии [8] [31] [32] или принципа распределенной нагруженной линии. [33] [34] [35] [36] [37] [38] Фазовращатели TTD с коммутируемой линией превосходят фазовращатели TTD с распределенной нагруженной линией с точки зрения задержки времени на децибел NF , особенно на частотах до X-диапазона, но по своей сути являются цифровыми и требуют переключателей SPNT с малыми потерями и высокой изоляцией. Однако фазовращатели TTD с распределенной нагруженной линией могут быть реализованы аналогово или цифрово, и в меньших форм-факторах, что важно на уровне подрешетки. Аналоговые фазовращатели смещаются через одну линию смещения, тогда как многобитовые цифровые фазовращатели требуют параллельной шины вместе со сложными схемами маршрутизации на уровне подрешетки.