RF MEMS switches, switched capacitors and varactors, which can replace field effect transistor (FET) switches and PIN diodes , are classified by actuation method ( electrostatic , electrothermal, magnetic, piezoelectric ), by axis of deflection (laterally, vertically), by circuit configuration (series, shunt), by clamp configuration ( cantilever , fixed-fixed beam), or by contact interface (capacitive, ohmic) [ 2 ] . RF MEMS interruptores, condensadores y Varactors cambiado, que puede sustituir transistor de efecto de campo (FET) interruptores y diodos PIN , se clasifican por el método de accionamiento ( electrostática , electrotérmico, magnético, piezoeléctricos ), por el eje de la desviación (lateral, vertical), por el circuito configuración (serie, shunt), según la configuración de fijación ( cantilever , haz fijo-fijo), o por contacto con la interfaz (capacitiva, óhmica) . Electrostatically-actuated RF MEMS components offer low insertion loss and high isolation, high linearity, high power handling and high Q factor, do not consume power, but require a high supply voltage and hermetic wafer level packaging (WLP) (anodic or glas frit wafer bonding) or single chip packaging (SCP) (thin film capping, liquid crystal polymer (LCP) or low temperature co-fired ceramic (LTCC) packaging). Electrostáticamente accionada RF MEMS ofrecen componentes pérdida de inserción baja y el aislamiento de alta, alta linealidad, la manipulación de alta potencia y alto factor Q, no consume energía, pero requieren una tensión del sistema y hermético de envases nivel del wafer (WLP) (glas frita oblea o anódica vinculación) o chip de envases individuales (SCP) (película delgada de nivelación, de polímero de cristal líquido (LCP) o la temperatura que queman conjuntamente cerámica de baja (LTCC) embalaje).
RF MEMS switches were pioneered by Hughes Research Laboratories, Malibu, CA [ 3 ] , Raytheon, Dallas, TX [ 4 ] [ 5 ] , and Rockwell Science, Thousand Oaks, CA [ 6 ] , during the nineties. RF MEMS se cambia por primera vez por Hughes Research Laboratories, Malibu, CA, Raytheon, Dallas, TX, y Ciencia Rockwell, Thousand Oaks, CA durante los años noventa. The component shown in Fig. El componente se muestra en la figura. 1, is a center-pulled capacitive fixed-fixed beam RF MEMS switch, developed and patented by Raytheon in 1994. 1, es un centro-sacó capacitiva haz fijo-fijo el interruptor RF MEMS, desarrollada y patentada por Raytheon en 1994. A capacitive fixed-fixed beam RF MEMS switch is in essence a micro-machined capacitor with a moving top electrode - ie the beam. Un haz de capacitiva fijo-fijo RF MEMS interruptor es en esencia un condensador de micro-mecanizado con un electrodo en movimiento arriba - es decir, la viga.
Fig. La figura. 1 : The capacitive fixed-fixed beam RF MEMS switch 1: El capacitivo fija haz fijo de MEMS de RF switch
From an electromechanical perspective, the components behave like a mass-spring system, actuated by an electrostatic force . Desde un electromecánicos perspectiva, los componentes se comportan como un sistema de masa-resorte, accionado por una fuerza electrostática . The spring constant is a function of the dimensions of the beam, of the Young's modulus , of the residual stress and of the Poisson ratio of its material. La constante del resorte es una función de las dimensiones de la viga, de la del módulo de Young , de la tensión residual y del coeficiente de Poisson de su material. The electrostatic force is a function of the capacitance and the bias voltage. La fuerza electrostática es una función de la capacitancia y la tensión de polarización. Knowledge of spring constant and mass allows for calculation of the pull-in voltage, which is the bias voltage necessary to pull-in the beam, and of the switching time. El conocimiento de la constante elástica y masa permite calcular la retirada de la tensión, que es la tensión de polarización necesaria para tirar en la viga, y del tiempo de conexión.
From an RF perspective, the components behave like a series RLC circuit with negligible resistance and inductance. Desde una perspectiva de RF, los componentes se comportan como un circuito en serie RLC con resistencia despreciable y la inductancia. The up- and down-state capacitance are in the order of 50 fF and 1.2 pF, which are functional values for millimeter-wave circuit design. El de arriba a abajo el estado de la capacitancia son del orden de 50 FF y 1,2 pF, que son los valores funcionales de ondas milimétricas diseño de circuitos. Switches typically have a capacitance ratio of 30 or higher, while switched capacitors and varactors have a capacitance ratio of about 1.2 to 10. Interruptores normalmente tienen una relación de capacitancia de 30 o más, mientras que los condensadores y cambió Varactors tienen una relación de capacidad de alrededor de 1,2 a 10. The loaded Q factor is between 20 and 50 in the X-, Ku- and Ka-band. El factor Q carga es de entre 20 y 50 en el X, Ku y banda Ka.
RF MEMS switched capacitors are capacitive fixed-fixed beam switches with a low capacitance ratio. RF MEMS cambió condensadores son interruptores capacitivos de haz fijo-fijo con una relación de baja capacidad. RF MEMS varactors are capacitive fixed-fixed beam switches which are biased below pull-in voltage. RF MEMS capacitivos Varactors interruptores haz fijo-fijo, que están sesgadas por debajo de pull-in de tensión. Other examples of RF MEMS switches are ohmic cantilever switches, and capacitive single pole N throw (SPNT) switches based on the axial gap wobble motor [ 7 ] . Otros ejemplos de interruptores RF MEMS óhmicos interruptores voladizo, y capacitiva único polo N tiro (SPNT) conmutadores basados en axiales bamboleo brecha motor . Microfabricationmicrofabricación
An RF MEMS fabrication process allows for integration of SiCr or TaN thin film resistors (TFR), metal-air-metal (MAM) capacitors, metal-insulator-metal (MIM) capacitors, and RF MEMS components. Un proceso de fabricación de MEMS de RF permite la integración de SiCr o tan delgada película de resistencias (TGF), metal-aire-metal (MAM) condensadores, metal-aislante-metal (MIM), condensadores y componentes de RF MEMS. An RF MEMS fabrication process can be realized on a variety of wafers: fused silica ( quartz ), borosilicate glass, LCP, sapphire , and passivated silicon and III-V compound semiconducting wafers. Un proceso de fabricación de MEMS de RF se puede realizar en una variedad de obleas: sílice fundida ( cuarzo ), vidrio borosilicato, LCP, zafiro y pasivado de silicio y compuestos III-V semiconductores obleas. As shown in Fig. Como se muestra en la figura. 2, RF MEMS components can be fabricated in class 100 clean rooms using 6 to 8 optical lithography steps with a 5 μm contact alignment error, whereas state-of-the-art monolithic microwave integrated circuit (MMIC) and radio frequency integrated circuit (RFIC) fabrication processes require 13 to 25 lithography steps. 2, RF MEMS componentes pueden ser fabricados en la clase 100 habitaciones limpias con 6 a 8 litografía óptica pasos con un error de alineación micras de contacto 5, mientras que el estado de la técnica circuito integrado monolítico de microondas (MMIC) y la frecuencia de radio de circuito integrado (RFIC ) requieren procesos de fabricación de 13 a 25 pasos de litografía. The essential microfabrication steps are: Lo esencial de microfabricación pasos son:
Fig. La figura. 2 : RF MEMS fabrication process 2: RF proceso de fabricación de MEMS
- Deposition of the bias lines (Fig. 2, step 3) La deposición de las líneas de polarización (Fig. 2, paso 3)
- Deposition of the electrode layer (Fig. 2, step 4) Formación de la capa del electrodo (fig. 2, paso 4)
- Deposition of the dielectric layer (Fig. 2, step 5) Formación de la capa dieléctrica (Fig. 2, paso 5)
- Deposition of the sacrificial spacer (Fig. 2, step 6) Deposición del espaciador de sacrificio (fig. 2, paso 6)
- Deposition of seed layer and subsequent electroplating (Fig. 2, step 7) El depósito de la capa de semilla y galvanización posterior (Fig. 2, paso 7)
- Beam definition, release and critical point drying (Fig. 2, step 8) definición del haz, la liberación y punto crítico de secado (Fig. 2, el paso 8)
RF MEMS fabrication processes, unlike barium strontium titanate (BST) or lead zirconate titanate (PZT) ferroelectric and MMIC fabrication processes, do not require electron beam lithography , molecular beam epitaxy (MBE), or metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). RF MEMS procesos de fabricación, a diferencia de estroncio titanato de bario (BST) o zirconato titanato de plomo (PZT) ferroeléctricos y procesos de fabricación MMIC, no requieren de haz de electrones de litografía , epitaxia de haces moleculares (MBE), o de metal orgánicos deposición química de vapor (MOCVD). With the exception of the removal of the sacrificial spacer, the fabrication steps are compatible with a CMOS fabrication process. Con la excepción de la eliminación del espaciador de sacrificio, los pasos de fabricación son compatibles con un proceso de fabricación CMOS.
ApplicationsAplicaciones
Applications of RF MEMS resonators and switches include oscillators and routing networks. Aplicaciones de RF MEMS resonadores y los interruptores son osciladores y las redes de enrutamiento. RF MEMS components are also applied in radar sensors ( passive electronically scanned (sub)arrays and T/R modules) and software-defined radio (reconfigurable antennas , tunable band-pass filters ). RF MEMS componentes se aplican también en los sensores de radar ( para lectura óptica pasiva (sub) conjuntos y módulos T / R) y de radio definida por software (reconfigurable antenas , sintonizables filtros pasa-banda ).
Polarization and radiation pattern reconfigurability, and frequency tunability, are usually achieved by incorporation of lumped components based on III-V semiconductor technology, such as single pole single throw ( SPST ) switches or varactor diodes. Polarización y patrón de radiación reconfigurabilidad, y posibilidad de ajuste de frecuencia, se alcanzan habitualmente por la incorporación de componentes agrupados sobre la base de III-V tecnología de semiconductores, como el único polo solo tiro ( SPST ) conmutadores o diodos varactor. However, these components can be readily replaced by RF MEMS switches and varactors in order to take advantage of the low insertion loss and high Q factor offered by RF MEMS technology. Sin embargo, estos componentes pueden ser sustituidos fácilmente por interruptores RF MEMS y Varactors con el fin de aprovechar la pérdida de inserción baja y alto factor Q que ofrece la tecnología MEMS de RF. In addition, RF MEMS components can be integrated monolithically on low-loss dielectric substrates, such as borosilicate glass, fused silica or LCP, whereas III-V semiconducting substrates are generally lossy and have a high dielectric constant. Además, los componentes de RF MEMS se pueden integrar monolíticamente en bajas pérdidas dieléctricas sustratos, como el vidrio borosilicato, sílice fundida o LCP, mientras que los semiconductores III-V sustratos son por lo general con pérdida y tienen una alta constante dieléctrica. A low loss tangent and low dielectric constant are of importance for the efficiency and the bandwidth of the antenna. Una pérdida de baja constante dieléctrica baja tangente y son de importancia para la eficiencia y el ancho de banda de la antena.
The prior art includes an RF MEMS frequency tunable fractal antenna for the 0.1–6 GHz frequency range [ 8 ] , and the actual integration of RF-MEMS on a self-similar Sierpinski gasket antenna to increase its number of resonant frequencies, extending its range to 5GHz, 14GHz and 30GHz [ 9 ] , [ 10 ] , an RF MEMS radiation pattern reconfigurable spiral antenna for 6 and 10 GHz [ 11 ] , an RF MEMS radiation pattern reconfigurable spiral antenna for the 6–7 GHz frequency band based on packaged Radant MEMS SPST-RMSW100 switches [ 12 ] , an RF MEMS multiband Sierpinski fractal antenna, again with integrated RF MEMS switches, functioning at different bands from 2.4 to 18 GHz [ 13 ] , and a 2-bit Ka-band RF MEMS frequency tunable slot antenna [ 14 ] . El estado de la técnica incluye una frecuencia RF MEMS antena fractal sintonizable para la frecuencia de 0.1-6 GHz , y la integración real de RF-MEMS en un empaque similar Sierpinski antena propia para aumentar el número de sus frecuencias de resonancia, ampliando su gama de 5 GHz, 14GHz y 30GHz un patrón de radiación de MEMS de RF de la antena en espiral reconfigurable para 6 y 10 GHz , un patrón de radiación de MEMS de RF de la antena en espiral reconfigurable para la frecuencia de banda 6.7 GHz basado en paquetes Radant MEMS RMSW100 interruptores SPST , un MEMS de RF multibanda antena fractal de Sierpinski, de nuevo con interruptores MEMS de RF integrados, funcionando en diferentes bandas de 2,4 a 18 GHz , y un 2-bits en banda Ka de frecuencias RF MEMS sintonizables ranura de la antena.
FiltersFiltros
RF bandpass filters are used to increase out-of-band rejection, if the antenna fails to provide sufficient selectivity. filtros de paso de banda de RF se utilizan para aumentar el rechazo fuera de banda, si la antena no presenta selectividad suficiente. Out-of-band rejection eases the dynamic range requirement of low noise amplifier LNA and mixer in the light of interference . Fuera de la banda de rechazo facilita el rango dinámico requisito de la baja del amplificador del ruido LNA y mezclador a la luz de la interferencia. Off-chip RF bandpass filters based on lumped bulk acoustic wave (BAW), ceramic , surface acoustic wave (SAW), quartz crystal, and thin film bulk acoustic resonator (FBAR) resonators have superseded distributed RF bandpass filters based on transmission line resonators, printed on substrates with low loss tangent, or based on waveguide cavities. chip de radiofrecuencia de paso de banda-Off filtros basados en ondas acústicas agrupan a granel (BAW), cerámica , onda acústica de superficie (SAW), cristal de cuarzo, y grueso de capa fina resonadores acústicos (FBAR) han sustituido a los resonadores distribuidos RF filtros de paso de banda basado en línea de transmisión de resonadores, impresos en substratos con baja pérdida tangente, o basado en cavidades de guía de ondas. RF MEMS resonators offer the potential of on-chip integration of high-Q resonators and low-loss bandpass filters. RF MEMS resonadores ofrecen la posibilidad de integración en el chip de los resonadores de alto-Q y los filtros de paso de banda de baja pérdida. The Q factor of RF MEMS resonators is in the order of 1000-1000 [ 15 ] . El factor Q de RF MEMS es resonadores en el orden de 1000-1000
Tunable RF bandpass filters offer a significant size reduction over switched RF bandpass filter banks. Sintonizables filtros de paso de banda de RF ofrecen una reducción significativa en el tamaño de conmutación RF bancos de filtros de paso de banda. They can be implemented using III-V semiconducting varactors, BST or PZT ferroelectric and RF MEMS switches, switched capacitors and varactors, and yttrium iron garnet (YIG) ferrites. Pueden ser implementados usando semiconductores III-V Varactors, BST o ferroeléctricas de PZT y MEMS conmutadores de RF, condensadores y cambió Varactors y hierro granate de itrio (YIG) ferritas. RF MEMS technology offers the tunable filter designer a compelling trade-off between insertion loss, linearity, power consumption, power handling, size, and switching time [ 16 ] . La tecnología MEMS de RF ofrece al diseñador un filtro sintonizable convincente equilibrio entre la pérdida de inserción, la linealidad, el consumo de energía, manejo de la potencia, tamaño y tiempo de conmutación.
Phase shiftersFase Mandos
RF MEMS phase shifters have enabled wide-angle passive electronically scanned arrays, such as lenses, reflect arrays, subarrays and switched beamforming networks, with high effective isotropically radiated power (EIRP), also referred to as the power-aperture product, and high G r /T. RF MEMS desfasadores han permitido a gran angular pasiva de lectura automática, matrices, tales como lentes, reflejan las matrices, y cambió la formación de haz subarreglos redes, con alta potencia radiada efectiva (PIRE), también conocida como la apertura de energía del producto y de alta G R / T. EIRP is the product of the transmit gain, G t , and the transmit power, P t . PIRE es el producto de la transmisión de ganancia, G t, y la potencia de transmisión, t P. G r /T is the quotient of the receive gain and the antenna noise temperature. r G / T es el cociente entre la ganancia de recepción y la temperatura de ruido de la antena. A high EIRP and G r /T are a prerequisite for long-range detection. Una alta PIRE y r G / T son un requisito previo para la detección de largo alcance. The EIRP and G r /T are a function of the number of antenna elements per subarray and of the maximum scanning angle. La EIRP y r G / T son una función del número de elementos de la antena por subarreglo y del ángulo máximo de escaneo. The number of antenna elements per subarray should be chosen to optimize the EIRP or the EIRP x G r /T product, as shown in Fig. El número de elementos de la antena por subarreglo deben ser seleccionados para optimizar el PIRE o el G x r PIRE / t de producto, como se muestra en la figura. 3 and Fig. 3 y la figura. 4. 4.
Fig. La figura. 3 : Radar sensor sensitivity: EIRP x G r /T 3: la sensibilidad del sensor de radar: PIRE x r G / T
Passive subarrays based on RF MEMS phase shifters may be used to lower the amount of T/R modules in an active electronically scanned array . Pasivo subarreglos basados en MEMS de RF desfasadores se puede utilizar para reducir la cantidad de módulos T / R en una matriz de lectura óptica activa . The statement is illustrated with examples in Fig. La declaración se ilustra con ejemplos en la figura. 3: assume a one-by-eight passive subarray is used for transmit as well as receive, with following characteristics: f = 38 GHz, G r = G t = 10 dBi, BW = 2 GHz, P t = 4 W. The low loss (6.75 ps/dB) and good power handling (500 mW) of the RF MEMS phase shifters allow an EIRP of 40 W and a G r /T of 0.036 1/K. 3: asumir una-por-ocho pasiva subarreglo una se utiliza para transmitir y recibir, con las siguientes características: f = 38 GHz, r = G t G = 10 dBi, AB = 2 GHz, P t = 4 W. El de baja pérdida (6,75 ps / dB) y manejo de la potencia buena (500 mW) de la fase de MEMS de RF desplazadores permiten una PIRE de 40 W y un r G / T, de 0.036 1 / K. The number of antenna elements per subarray should be chosen in order to optimize the EIRP or the EIRP x G r /T product, as shown in Fig. El número de elementos de la antena por subarreglo debe ser elegido con el fin de optimizar el PIRE o el G x r PIRE / t de producto, como se muestra en la figura. 3 and Fig. 3 y la figura. 4. 4. The radar range equation can be used to calculate the maximum range for which targets can be detected with 10 dB of SNR at the input of the receiver. La ecuación de radar puede ser utilizado para calcular el alcance máximo para que los objetivos se pueden detectar con 10 dB de relación señal ruido en la entrada del receptor.
Fig. La figura. 4 : EIRP versus number of antenna elements in a passive subarray. 4: pire en función del número de elementos de la antena en una submatriz pasiva.
Fig. La figura. 5 : EIRP x G r /T versus number of antenna elements in a passive subarray. 5: PIRE x r G / T en función del número de elementos de la antena en una submatriz pasiva.
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