MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems).

Introducción 1.  PRESENTACIÓN El trabajo presentado en esta memoria se ha realizado en el Grupo de Microondas del Departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones (TSC) de la Universidad Politécnica de Catalunya (UPC), durante el periodo comprendido entre septiembre de 2007 y septiembre de 2008. La rápida evolución de la tecnología relacionada con la fabricación de circuitos integrados   ha   permitido   aplicar   técnicas   de  fabricación    microelectrónica   a    la implementación de  una nueva generación de dispositivos conocida  con el acrónimo MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems). Además, la adaptación de las técnicas de fabricación de circuitos integrados a las de dispositivos MEMS permite la integración en un mismo chip de elementos mecánicos, como sensores y actuadores, junto  con electrónica de procesado de señal dando lugar a la implementación de sistemas denominados System on Chip (SoC). 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. 2.  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) [2]. Sin embargo, el dispositivo diseñado ofrecía bajas prestaciones y poca fiabilidad y no fue hasta 1995 que Rockwell Texas Center y Texas 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. 3.  CONMUTADORES RF-MEMS 3.1.  DESCRIPCIÓN 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  fue rza  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 de pull -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. 3.2.  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 [4]. 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 [6], 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 [7] 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. El trabajo  [9] presenta un micro-conmutador de tipo resistivo   en configuración paralelo que presenta un aislamiento mayor que 22 dB para frecuencias comprendidas entre DC y 100 GHz. Las pérdidas de inserción medidas  son de entorno 1 dB en la misma banda de frecuencias y la adaptación es mejor que 15 dB hasta los 90 GHz. En [10] se presenta el diseño de un micro-conmutador capacitivo en el que se han optimizado sus dimensiones, así como el proceso de fabricación para obtenerse una alta calidad en el contacto capacitivo y una tensión de actuación de 30 V (normalmente se requieren tensiones de actuación entre 30 y 80 V). A 20 GHz, las pérdidas de inserción medidas  son  de  0.13  dB  y  el  aislamiento  es  de  40  dB.  Otro  ejemplo  de  micro- conmutador capacitivo es el que se muestra en  el trabajo [11]. Gracias a su topología, se consigue una tensión  de actuación menor que 5V. En [12] se presenta un nuevo tipo de micro-conmutador RF-MEMS en el que se ha conseguido reducir la tensión de actuación a un valor menor que 5 V gracias a una nueva estructura basada en una actuación electroestática tipo pull-up en la que el movimiento del conmutador no causa deformación elástica y en el que se obtienen unas pérdidas de inserción de 0.5 dB, unas pérdidas de retorno de 12.4 dB y un aislamiento de 55 dB a 50 GHz. Además, se alcanza una velocidad de conmutación menor que 130 ns.  El trabajo [13] presenta un micro-conmutador capacitivo lateral (con movimiento paralelo al sustrato) suspendido sobre un sustrato de baja  resistividad y con actuación electroestática diseñado para sistemas de comunicaciones ground wireless, por ejemplo, GSM, UMTS, ISM, WLAN o CATV, todos ellos a frecuencias menores que 6 GHz. Las medidas del dispositivo muestran, unas pérdidas de inserción, unas pérdidas de retorno y un aislamiento de 0.13, 38 y 60 dB a 0.9 GHz, y de 0.4, 28.7 y 31 dB a 6 GHz, respectivamente. A la vista de los ejemplos anteriores, se puede observar como los micro- conmutadores RF-MEMS son una buena alternativa a los conmutadores tradicionales, transistores FET y diodos PIN.  Sin  embargo,  debido en gran parte a su naturaleza mecánica los conmutadores RF-MEMS pueden presentar problemas de fiabilidad que limiten su tiempo de vida  a 103-104  millones de ciclos, lo cual reduce su campo de aplicación.  Además,  las  tensiones  de  actuación requeridas  pueden  llegar a ser altas requiriéndose por lo tanto de la electrónica capaz de elevar las tensiones de polarización comunes de los sistemas actuales. Por otra parte, la naturaleza tridimensional de los micro-conmutadores requiere el uso de herramientas de  modelado eléctrico  3 D, que requieren muchos  recursos de computación, o bien una adaptación en el uso de las herramientas de modelado 2D a estos dispositivos tridimensionales. 4.  SOFTWARE DE SIMULACIÓN ELECTROMAGNÉTICA   2.5D Y 3D Hoy en día, los softwares de simulación electromagnética (EM) son ampliamente utilizados en ingeniería de microondas. Estos simuladores basan su funcionamiento en la  resolución  numérica  de  las  ecuaciones  de  Maxwell  en  sus  formas  integral  o diferencial. Los simuladores EM ofrecen soluciones numéricas a problemas eléctricos. Sus interfaces gráficas permiten obtener modelos bastante realistas de las geometrías a analizar.  Ahora  bien,  la  eficiencia,  precisión  y  rapidez  obtenidas con un simulador dependerán en gran parte del método que éste utilice para resolver los problemas y de la parametrización de la simulación. Es por lo tanto importante obtener precisión de dichas herramientas de igual modo que velocidad. Las exigencias del mercado de las telecomunicaciones marcan por lo tanto este compromiso entre precisión y velocidad de forma a minimizar el tiempo de desarrollo de un nuevo producto en  lo que se conoce como "time to market". En cuanto al diseño de conmutadores basados en tecnología MEMS, la naturaleza de estos dispositivos supone retos a la hora de modelarlos eléctricamente. Si bien la implementación de este tipo de estructuras es de naturaleza 3D, su gran relación de aspecto nos permite hacer la  aproximación de que se trata de estructuras 2.5D.  Esto permite enfocar el problema de la modelización desde diferentes puntos de vista:  una modelización mediante un método integral como el  Método de los Momentos (MoM) orientada en mayor medida a  estructuras tipo 2.5D puede resultar una aproximación suficiente  y  un ahorro  en  términos  de  tiempo  de  computación,  o  bien, un método diferencial del tipo Elementos Finitos (FEM) que permite eliminar en su mayor parte las aproximaciones realizadas por el Método de los Momentos a costa de un mayor tiempo computacional. 5.  OBJETIVOS El objetivo final de este trabajo es el diseño de dispositivos micro-conmutadores mediante tecnología RF-MEMS. Sin embargo, antes de poder realizar el diseño final de los dispositivos con ciertas garantías, se deben cumplir algunos objetivos intermedios. El primer objetivo de este trabajo es el estudio y evaluación de software de simulación electromagnética para el diseño de líneas de transmisión CPW sobre las que irán integradas los dispositivos micro-conmutadores RF-MEMS. Los softwares bajo estudio  son ADS-Momentum [14] (simulador  electromagnético  2.5 D, basado en el Método de los Momentos) y EMDS [15] (Electromagnetic Design System , simulador electromagnético 3D basado en el Método de los Elementos F initos), ambos softwares de Agilent Technologies. Al tratarse de dos softwares con distintas características, un estudio de las múltiples posibilidades que ofrecen cada uno de ellos para la simulación de  líneas de transmisión CPW es esencial para conseguir un modelo o modelos lo más precisos posibles para la posterior integración de dispositivos micro-conmutadores RF- MEMS. De forma particular, y dado que es la primera vez que se utiliza en el Grupo de Microondas, se dará especial importancia a las características de l modelado  mediante EMDS propias de un simulador 3D. De esta manera, se proporcionarán unas bases sobre el funcionamiento del simulador que puedan ser de utilidad para futuros trabajos. Una vez completado el objetivo anterior, se deberá estudiar el modelado de micro- conmutadores RF-MEMS integrados en líneas de transmisión CPW, tomándose como base  los  resultados  referentes  a  la  modelización  de  líneas  de  transmisión  CPW obtenidos previamente. El segundo objetivo será por lo tanto la realización de modelos eficaces y  precisos  de  micro-conmutadores RF-MEMS,  con  ambos  softwares, para posteriormente estudiar las ventajas e inconvenientes que ofrecen cada uno de ellos a la hora de tratar con este tipo de dispositivos. Finalmente, una vez alcanzados los objetivos anteriores, se estará en disposición de abordar el objetivo final de este trabajo que es el diseño de dispositivos micro- conmutadores RF-MEMS con actuación electroestática. Se realizarán diseños de micro- conmutadores capacitivos con metalización flotante (floating metal) y resistivos según el proceso de fabricación de la foundry LAAS (Laboratoire d'Analyse et Architecture des Systemes) ubicado en Toulouse, Francia. 6.  ORGANIZACIÓN DE LA MEMORIA El trabajo objeto de esta memoria se organiza en 5 capítulos. Este    primer    capítulo     titulado    "Introducción"   sirve     de    presentación    y contextualización del proyecto final de carrera. Se explica brevemente la evolución de la tecnología MEMS en general y RF-MEMS en particular. Además,  se presenta el estado del arte demostrando sus ventajas respecto a las tecnologías convencionales de conmutación como son los diodos PIN y los transistores FET. Finalmente, se definen los objetivos del proyecto. En el segundo capítulo titulado "Evaluación de software de simulación EM 2.5D y 3D para la modelización de líneas de transmisión CPW" se realizará un estudio del modelado de líneas CPW mediante los softwares de simulación Momentum (2.5D, Método  de  los  Momentos)  y  EMDS  (3D,  Método  de  los  Elementos  Finitos).  Se definirán los modelos óptimos de líneas CPW realizados con los dos softwares de simulación para la posterior integración de micro-conmutadores RF-MEMS. Para ello, se compararán distintos modelos con  los resultados de la caracterización de diferentes líneas. Se dará especial importancia al modelado de líneas de transmisión CPW con EMDS, dado que es la primera vez que este software es utilizado en el Grupo de Microondas. De esta manera, se incidirá en la definición de modelos que permitan excitar los modos de interés y que, además, sean eficientes en el sentido de proporcionar la precisión deseada utilizando  los mínimos recursos posibles para su simulación. Las líneas de transmisión estudiadas corresponderán a dos tecnologías distintas: mientras que la primera línea estudiada será una línea CPW sobre un sustrato de una sola capa de alúmina, la segunda corresponderá a una línea CPW sobre sustrato multicapa de silicio fabricada  según  el  proceso  LAAS-simplificado.  Se  aprovechará  este  capítulo  para explicar brevemente las tecnologías correspondientes a las foundries LAAS y FBK-IRST (Foundazione  Bruno  Kesler,  ubicada  en  Trento,  Italia),  en las  que  se  basarán  los dispositivos utilizados en este trabajo. Finalmente, mediante un estudio comparativo de los  resultados  proporcionados  por  ambos  softwares  se  pondrán  de  manifiesto  las ventajas e inconvenientes de cada uno de ellos en el diseño de líneas CPW. En el tercer capítulo titulado "Evaluación de software de simulación EM 2.5D y 3D para el diseño  de  dispositivos  micro-conmutadores  RF-MEMS" se  realizará  un estudio de las posibilidades que ofrecen los softwares bajo  estudio en el modelado de dispositivos   micro-conmutadores  RF-MEMS. Primero, se realizará una breve explicación de las principales características que presentan los micro-conmutadores de contacto resistivo y de contacto capacitivo. Posteriormente, se caracterizarán  micro- conmutadores RF-MEMS capacitivos y resistivos diseñados anteriormente por el Grupo de Microondas y fabricados por las foundries LAAS y FBK-IRST. Mediante la comparación de los resultados de las simulaciones y de la caracterización, anteriormente obtenidos, se procederá a analizar las distintas posibilidades de modelización EM que ofrecen los softwares Momentum y EMDS. Fina lmente se realizará una comparación entre ambas herramientas. En el cuarto capítulo titulado "Diseño de dispositivos micro-conmutadores MEMS con  principio  de  actuación electroestática" se  realizarán  los  diseños  finales de los dispositivos, obteniéndose las máscaras para la posterior fabricación por parte de la foundry LAAS. Los micro-conmutadores que se diseñarán serán de contacto resistivo y de contacto capacitivo y tendrán como objetivos el futuro estudio de sus prestaciones tanto de  RF como mecánicas, además de ofrecer la posibilidad de realizar un estudio similar al de este trabajo comparando resultados de modelización y caracterización. Finalmente,  en  el  quinto  capítulo  titulado  "Conclusiones  y  líneas  futuras"  se  presentarán las principales aportaciones y se propondrán las futuras líneas de investigación derivadas del presente trabajo. Emmanuel Rodriguez C.I. 17208374 Asignatura: CRF Fuente: http://mems.sandia.gov/tech-info/doc/MRS_Bull_0401.pdf