sábado, 20 de marzo de 2010

Roberto Jesus Rojas
CI:14908981
Asignatura: CRF
Fuenta: Wikipedia.
Microfabricación
Descripción
Microfabricación se refiere al empleo de técnicas de miniaturización, esencialmente litografías, para producir circuitos integrados o sistemas microelectromecánicos (MEMS). Las técnicas empleadas para producir circuitos integrados son principalmente litografías de superficie. Para la fabricación de sistemas microelectromecánicos se usan principalmente variantes de las litografías de superficie llamadas genéricamente Micromaquinación de superficie (Del Inglés: Surface micromachining), litografías de volumen (Bulk micromachining) y litografía de rayos X (LIGA).

Técnicas litográficas

Litografías de superficie
Estas son técnicas heredadas de la industria microelectrónica. En estas una serie de microcapas de diversos materiales son depositadas sobre un substrato inicial por medio de técnicas de deposición de vapor (CVD de sus siglas en inglés: Chemical Vapor Deposition). Tras cada capa depositada se lleva a cabo un proceso de litografiado de la capa, descrito a continuación:

  1. Se añade una capa adicional de un polímero fotosensible por medio de cobertura por centrifugado (del inglés Spin-coating).
  2. El polímero se somete a exposición de luz UV (Ultravioleta) a través de una máscara litográfica, que proyecta así su sombra sobre la capa de polímero. Las zonas expuestas a la luz UV se tornan más solubles.no es así
  3. Posteriormente un disolvente o grabador se hace fluir sobre la oblea, disolviendo así el polímero en las zonas expuestas a la luz UV y dejando las zonas no expuestas.
  4. Para terminar se aplica un nuevo disolvente que elimine el material expuesto sin atacar al polímero. De esta manera sólo las zonas expuestas de la microcapa desaparecen, dejando las zonas resguardadas por el polímero y transfiriéndose así a la microcapa el patrón que aparece en la máscara.
  5. Se aplica un proceso (normalmente químico) de pelado, con el fin de eliminar el polímero restante.
  6. Se deposita una nueve capa del material, y se vuelve al paso 1.
En la fabricación de MEMS (ver más arriba), se depositan normalmente capas alternadas de polisilicio y fosfosilicato vitreo. El polisilicio actúa como material estructural y el fosfosilicato como material sacrificial. Una vez completa la serie de deposiciones+litografiados el material sacrificial se disuelve con un último tipo de de disolvente, dejando así sólo el material estructural (polisilicio) con huecos intermedios en los lugares ocupados anteriormente por el material sacrificial.
Ver Fabricación de circuitos integrados para el caso de circuitos integrados.
Litografías de volumen
Litografía de rayos X (LIGA)



Roberto Jesus Rojas
CI:14908981.
Asignatura:CRF.
Fuente: Wikipedia.

Pantalla moduladora interferométrica


Introducción

Las pantallas de los dispositivos móviles, como por ejemplo teléfonos móviles, PDAs, etcétera, han ido evolucionando teniendo en cuenta 2 factores muy importantes: en primer lugar que permitiesen una mayor duración de la batería y en segundo que tuviesen una mejor visión en todas las condiciones ambientales. La tecnología IMOD ("Interferometric Modulator Display") o pantalla moduladora interferométrica, está pensada para dispositivos móviles o portátiles, por los dos motivos mencionados anteriormente. Está basada en la tecnología MEMS ("micro-electro-mechanical system"), y ofrece una buena visión en casi todas las condiciones ambientales, consumiendo significativamente menos potencia en qualquier otro dispositivo disponible hoy en día. IMOD es un dispositivo reflectivo o de tipo biestable. Esto quiere decir que es capaz de mantenerse en 2 estados (On y Off). El cristal líquido con el que está fabricado queda bloqueado en uno de los dos estados. Esto quiere decir que una vez está en una cierta configuración no es necesario refrescar el dispositivo, lo qual permite mantener la última imagen mostrada sin tener que consumir potencia (teóricamente). Este tipo de pantallas están fabricadas con un espejo delgado situado sobre un substrato transparente, dejando una separación de unos centenares de nanómetros con aire entre el espejo y el substrato. Por esto cuando entra la luz ambiente en la cavidad se refleja en el espejo, interfiriendo consigo misma y produciendo un color resonante determinado por la profundidad de esta cavidad.

Funcionamiento

Básicamente una pantalla IMOD consiste en una cavidad óptica resonante, en la que hay una membrana reflectiva, una pequeña separación con aire y una película delgada de un material metálico. Cuando la luz ambiente incide en la pantalla, la luz de ciertas longitudes de onda que son reflejadas a la membrana reflectante, están ligeramente desfasadas con la luz reflectada en la película delgada (que depende de la profundidad de la cavidad). Esta diferencia de fase provocará interferencias constructivas y destructivas, y por lo tanto diferentes colores.



La imagen de la pantalla IMOD puede cambiar de color a negro variando el estado de la membrana. Esto se consigue aplicando un voltaje en la película delgada, la cual es eléctricamente conductora y está protegida con una capa aislante. Al aplicar el voltaje las fuerzas electromagnéticas causan que la membrana se colapse. Este cambio produce interferencias constructivas a longitudes de onda ultravioleta (no visibles para el ojo humano), por lo que la pantalla se verá negra.

Ventajas

      Consumo: El hecho que las pantallas IMOD sean biestables, permite que cuando la imagen no varia se consuma una potencia casi cero.

  • Velocidad de conmutación de colores: La velocidad para pasar de un color a otro es extremadamente alto, aproximadamente 1000 veces superior a las pantallas tradicionales. Además esta se mantiene en un amplio margen de temperaturas.
  • Visión en diferentes condiciones ambientales: Si comparamos la visión en las pantallas reflectivas con las pantallas emisivas, las emisivas tan sólo funcionan adecuadamente en condiciones de baja iluminación, y a medida que se augmenta la iluminación la calidad de la visión cae exponencialmente (esto sucede cuando la luz ambiente es superior a la luz emitida). Lo que hace que las pantallas emisivas sean poco útiles en dispositivos portátiles en condiciones exteriores, ya que presentarían poco contraste.
  • Facilidad de fabricación: El proceso de fabricación de este tipo de dispositivos requiere menos etapas para construirse que un LCD.
  • Robustez: El mayor problema en del tiempo de vida de los LCDs se debe a que utilizan materiales orgánicos. En cambio, en las pantallas IMOD no es así. Este hecho permite que pueda funcionar a un rango de temperaturas superior sin que afecte al tiempo de respuesta de este dispositivo.


Roberto Jesus Rojas
CI:14908981.
Asignatura:CRF.
Fuente: Wikipedia.

Radar de apertura sintética

Un Radar de Apertura Sintética (acrónimo SAR, del inglés Synthetic Aperture Radar) es un tipo de sistema radar. Consiste en procesar mediante algoritmos la información capturada por la antena del radar. Este procesado busca combinar la información obtenida en varios barridos de la antena para recrear un solo "barrido virtual". Al final el sistema radar proporciona el mismo rendimiento que daría si estuviese equipado con una antena mucho más grande y directiva que la que tiene en realidad. Su uso se limitaba, en su creación, a casos en los que el radar estaba en movimiento y los blancos relativamente inmóviles (aviones). También se ha usado profusamente en aplicaciones de teledetección y en cartografía.

 
Imagen de la superficie de Venus cartografiada por el SAR de la sonda Magallanes

Funcionamiento básico

En una aplicación SAR típica se acopla una antena de radar en un lateral del fuselaje de una aeronave. Debido a los fenómenos de difracción, para obtener un haz de radiación estrecho se necesitaría una antena muy grande, que evidentemente no puede ser instalada en un avión. Por tanto, los pulsos emitidos por el radar del avión serán anchos. El sistema se configura de tal manera que el pulso sea ancho en la dirección vertical: típicamente iluminará el terreno desde inmediatamente debajo del avión hasta el horizonte.
Si el terreno es aproximadamente plano, el tiempo que tardan en llegar los diferentes ecos permite distinguir puntos del terreno situados a diferentes distancias en la línea de trayectoria de la nave: si el eco tarda "t" s en volver a la antena, sabremos que ha sido reflejado por un punto situado aproximadamente a una distancia r={c \cdot t \over 2}, donde "c" es la velocidad de la luz. Distinguir puntos a lo largo de la trayectoria del avión es difícil con una antena pequeña. Sin embargo, si se va guardando información de amplitud y fase de cada señal reflejada en un determinado punto del terreno y la nave va emitiendo una ráfaga de pulsos a medida que avanza, entonces será posible combinar los resultados de dichos pulsos. En resumen: una antena pequeña emite una serie de pulsos consecutivos, recibe una serie de ecos y los combina de modo que parezca que es una sola observación (simultánea) de una antena grande. Se ha creado una "apertura sintética" mucho más grande que la longitud real de la antena y de hecho mucho más grande que el propio avión.
Combinar las series de observaciones es computacionalmente muy costoso. Normalmente no se hace a bordo del avión, sino que las observaciones se mandan a estaciones terrestres y allí se combinan usando técnicas basadas en transformadas de Fourier. El resultado es un "mapa de reflectividad radar". De cada punto del terreno se sabrá cómo distorsiona la amplitud y la fase del pulso. En las aplicaciones más simples la información de fase se desecha. A partir de la información de amplitud se pueden extraer multitud de datos sobre la superficie. Estos mapas no son fáciles de interpretar. En la actualidad se está recopilando información experimental resultado de sobrevolar con vuelos de prueba terrenos ya conocidos.
Antes de que hubiese ordenadores rápidos, el postprocesado se hacía usando técnicas holográficas.

 
Douglas DC-8 equipado con un sistema SAR de la NASA

 

Más operaciones complejas

El diseño básico del sistema SAR puede mejorarse de varias maneras para recolectar más información. Muchos de esos métodos usan los mismos principios básicos de combinar muchos pulsos para formar la apertura sintética, aunque puede necesitar antenas adicionales o procesado significativo adicional.

Polarimetría

Las ondas de radar tienen una polarización. Diferentes materiales reflejan las ondas de radar con diferentes intensidades, pero los materiales anisotrópicos tales como pasto frecuentemente reflejan diferentes polarizaciones con diferentes intensidades. Algunos materiales también convierten una polarización en otras. Emitiendo una mezcla de polarizaciones y usando antenas receptoras con una polarización específica, varias imágenes diferentes pueden recolectarse de la misma serie de pulsos. Frecuentemente tales tres imágenes se usan para los tres canales de color de la imagen sintetizada. La interpretación de los colores resultantes requieren significativo testeo de materiales conocidos.
Los nuevos desarrollos en polarimetría también incluyen la utilización de los cambios en los retornos aleatorios de polarización de algunas superficies (pasto, o arena), entre dos imágenes de la misma locación en diferentes puntos temporales para determinar donde hay cambios no visibles a los sistemas ópticos. Ejemplos: tunelaje subterráneo, caminos de vehículos manejando a través del área de imágenes.

Interferometría

En vez de desechar los datos de fase, puede extraerse de ella más información. Si dos observaciones del mismo terreno de muy similares posiciones están disponibles, la síntesis de apertura puede formarse para obtener un desempeño de resolución que podría darse con un sistema de Radar con dimensiones iguales a la separación de las dos mediciones. Esta técnica se llama interferometría SAR o InSAR.
Si las dos muestras se obtienen simultáneamente (quizás porque hay dos antenas en la misma aeronave, con cierta distancia entre ellas), luego cualquier diferencia de fase contendrá información acerca del ángulo de dónde el eco del radar retornó. Combinando esto con la información de la distancia, se puede determinar la posición en tres dimensiones del píxel de la imagen. En otras palabras, se puede extraer la altitud del terreno como reflectividad radárica, produciendo un modelo digital de elevación (DEM) con una simple pasada de aeroplano. Una aplicación aérea en en:Canada Centre for Remote Sensing produce mapas digitales de elevación con resolución fr 5 m y errores de altitud en el orden de 5 m. Este método fue usado en 2000 por IFSAR par mapear muchas regiones de la superficie de la Tierra con seguridad imprecedente desde el Shuttle.
Si las dos muestras están separadas en tiempo, quizás de dos diferentes vuelos sobre el mismo terreno, luego hay dos posibles fuentes de deriva de fase. La primera es la altitud del terreno, como se discute arriba. La segunda es el movimiento del terreno: si el terreno se ha desviado entre observaciones, retornará una diferente fase. La cantidad de deriva requiere causar una significativa diferencia de fase del orden de la longitud de onda usada. Esto significa que si las derivas del terreno por cm, podrán ser vistas en la resultante imagen (un mapa de elevación digital debe estar disponible para poder separar las dos clases de diferencia de fase; un tercer paso puede ser necesario en orden a producir uno).
Este segundo método ofrece una herramienta poderosa en geología y en geografía. Los flujos de glaciares pueden cartearse en dos pasos. Los mapas muestran la deformación del paisaje después de un terremoto menor, o de una erupción volcánica (mostrando la contracción del propio volcán por varios centímetros).

Interferometría diferencial

La interferometría diferencial (D-InSAR) requiere adquirir al menos dos imágenes con adición de un DEM. Ese DEM puede ser obra de una medida GPS o generarse por interferometría tanto como el tiempo entre adquisición de los pares de imágenes es corto, con mínimas garantías de distorsión de imágenes de la superficie del blanco. En principio, con tres imágenes del área terrestre, con similar geometría de adquisición de imágenes, es frecuentemente adecuado para D-InSar. El principio para detectar movimiento en el terreno es bien simple: el interferograma se crea de las dos primeras imágenes; esto es también llamado "interferograma de referencia" o "interferograma topográfico". Un segundo interferograma se crea para capturar topografía + distorsión. Restando lo último del "interferograma referencial" pueden revelarse orlas diferenciales, indicando movimiento. Esta descripción de técnica de generar tres imágenes D-InSAR es llamada 3-pasos o "método de la doble diferencia.
Las bandas diferencials que permanecen como "irregularidades" en el interferograma diferencial son resultado de los cambios en el rango SAR range por cualquier desplazamiento de puntos del terreno de un interferograma al siguiente. En el interferograma diferencial, cada orla es directamente proporcional a la longitud de onda del SAR, que es de cerca de 56 mm en el ERS y en RADARSAT de ciclo de fase simple. El desplazamiento de superficie para la dirección de enfoque de un satélite, causa un incremento en la diferencia de paso (traducido a fase). Ya que la señal va de la antena SAR al blanco y retorna de nuevo, el desplazamiento medido es dos veces la unidad de longitud de onda. Esto significa en interferometría diferencial un ciclo de onda -pi a +pi o una longitud de onda que corresponde al desplazamiento relativo de la antena SAR de solo media long. de onda (28 mm). Hay varias publicaciones en la medida del movimiento de subsidencia, análisis de estabilidad de la pendiente, capas de paisaje, movimientos de glaciares, etc. con la herramienta D-InSAR. Más avances con esta técnica es el uso de la interferometría diferencial, del satélite SAR con pasadas ascendentes y descendentes, usadas para estimar movimiento en 3-D del terreno. Los estudios en esta área muestran medidas seguras de movimiento de la superficie 3-D con certezas comparables a las lecturas con GPS.

Ultrabanda ancha SAR

Un radar normal emite pulsos con un muy estrecho rango de frecuencias. Esto coloca un límite más bajo en la longitud del pulso (y por ende, en la resolución en la dirección de la distancia) y grandemente simplifica la electrónica. La interpretación de los resultados es también facilitado porque la respuesta material debe conocerse solo en un angosto rango de frecuencias.
El radar de ultra banda ancha emite muy cortos pulsos consistentes de un gran rango de frecuencias, de cero hasta las frecuencias de operación normal del radar. Tales pulsos alcanzan resoluciones de larga distancia, pero mucha de la información se concentra en relativamente bajas frecuencias (con largas longitudes de ondas). Tal tipo de sistemas requiere muy grandes recepciones de aperturas de modo de obtener las correspondientes altas resoluciones a lo largo del track.
La información a capturar en bajas frecuencias significa que las propiedades materiales más relevantes serán aquellas a más bajas frecuencias que las de la mayoría de los sistemas radar. En particular, tales radares pueden penetrar alguna distancia dentro del follaje y del suelo. (Ver radar penetrante del terreno, en inglés).

Aguzamiento del rayo Doppler

Una ténica común de los sistemas SAR es el "aguzamiento del haz Doppler, AHD". Debido a que la apertura real de la antena de radar es demasiado pequeña (comparada con la longitud de onda en usada), la energía del radar se dispersa sobre un área ancha (usualmente muchos grados de ancho en una dirección ortogonal (en ángulos rectos) a la dirección de la plataforma (aeronave). El AHD da ventaja en el movimiento de la plataforma en donde vuelve el rebote de los blancos por delante, con una señal Doppler ligeramente mayor en frecuencia; y los blancos por detrás de la plataforma retoran con una señal Doppler ligeramente menor en frecuencia. La cantidad de deriva varía con el ángulo hacia delante o detrás de la dirección orto-normal.
Conociendo la velocidad de la plataforma, el retorno de la señal del blanco es colocada en un ángulo específico "bin" que cambia con el tiempo. Las señales son integradas sobre un tiempo y así el haz radárico es sintéticamente reducido a mucha menor apertura - o más seguramente (basado en su habilidad de distinguir más pequeñas derivas Doppler), el sistema puede manejar centenares de haces muy finos concurrentemente. Esta técnica dramáticamente mejora la resolución angular; sin embargo, es muy difícil mejorar esta técnica para resolución de rango. (Ver radar de impulsos Doppler).

Radares modulados en la fase (compresión de pulsos)

Una técnica común de muchos sistemas de RADAR (encontrados usualmente también en sistemas SAR) es "modular la fase" de la señal. En un radar "faseado", el pulso es generado para ser mucho más grande. Pulsos más grandes permiten emitir más energía, y por ende recibir también más, mejorando la resolución del rango. En un radar faseado, estos pulsos más grandes también tienen una desviación de frecuencia durante el pulsado (en función del faseado o de la deriva de frecuencia). Cuando una señal de estas características de "señal faseada" retorna, deberá ser correlacionada con los pulsos enviados. Clásicamente, en sistemas análogos, pasa a un aparato de retardo dispersivo (frecuentemente a un equipo de SAW) con la propiedad de variar velocidad de propagación basándose en las frecuencias. Esta técnica "comprime" el pulso en tiempo - haciendo el efecto de un pulso mucho más corto (con mejora de la resolución de rango) mientras agrega el beneficio de longitudes de pulso más grandes (mucha más señal de retorno). Los sistemas más nuevos usan correlación digital de pulsos para hallar el pulso de retorno en la señal.

Recopilación de datos

Pueden recopilarse datos de alta fiabilidad, desde aeronaves volando el terreno en cuestión. En los 1980s, como un prototipo de instrumentos a volar en los "taxis espaciales" NASA Space shuttles, NASA operaba un radar de apertura sintética arriba de un Convair 990. Lamentablemente, en 1986, esta nave se estrelló. En 1988, NASA rehizo un SAR en bandas C, L, y P para volarlo en el Douglas DC-8 de NASA. Llamado AIRSAR, voló misiones en todo el mundo hasta 2004. Otras aeronaves, como Convair 580, operó en el Centro de Canadá de Sensores Remotos hasta 1996, por razones presupuestarias. Muchas aplicaciones de exploración superficial están actualmente montadas en satélites activos de observación. Así satélites como ERS-1/2, JERS-1, Envisat ASAR, RADARSAT-1 y TerraSAR-X se lanzaron explícitamente para efectuar esa clase de observación. Sus capacidades difieren, particularmente en s soporte de interferometría, pero todos colectan tremendas cantidades de datos valiosos. El transbordador espacial también ha llevado un radar de apertura sintética en las misiones SIR-A y SIR-B de los 1980s, así como en el "Laboratorio del Radar Shuttle, SRL" en 1994 y en la Misión topográfica Radar Shuttle en 2000.

Vista en 3D de "Eistla Regio", en Venus, producida por el SAR de la sonda Magallanes
Los Venera 15 y 16 fueron seguidos más tarde por la Magallanes (misión espacial), que cartografió la superficie de Venus durante varios años con un radar de apertura sintéetica.
EL radar de apertura sintética fue usado primero por la NASA en el Lab JPL, satélite oceanográfico Seasat en 1978 (esta misión también transportaba un altímetro y un difusómetro); más tarde desarrollado más extensamente en el radar de imágenes espaciales (SIR), con las misiones del "space shuttle" en 1981, 1984, 1994. La misión Cassini a Saturno usó SAR para cartear la superficie de la luna mayor Titán, cuya superficie está parcialmente oculta a la inspección directa óptica por calina atmosférica.
El "Proyecto BuscaMinas" ([1]) se diseñó para determinar si regiones con terreno minado podían ser controladas con un SAR de ultra anchos de banda, montado en un globo aerostático. Los ensayos iniciales son prometedores; el radar es capaz de detectar minas plásticas enterradas.
SAR se ha usado en radioastronomía por muchos años simulando un radiotelescopio gigante combinando observaciones de múltiples localidades usando antenas móviles.


Integrated RF-MEMS Technology for Reconfigurable RF Transceivers

1. Introduction

Various types of wireless communication services are provided around the world through mobile phone networks, wireless local area networks, and RFID (radio frequency identification) systems. With the globalization and diversification of wireless communications, many wireless standards have been established over a wide range of frequencies to provide such services. To make various services available everywhere, we need small low-power RF transceivers capable of multiband operation.
As shown in Fig. 1, currently available RF transceivers consist of several LSI chips and numerous off-chip passive components. Increasing the number of available communication bands will increase the number of components and make RF transceivers larger. It will also increase power consumption and shorten battery life. Reconfigurable RF circuits, which can change circuit configurations according to the wireless standards to be used, would enable multiband operation without increasing the size and power consumption. However, the performance of conventional switches and tunable passive devices needed for such reconfiguration is insufficient. RF-MEMS (radio frequency microelectromechanical systems) technology is attracting interest for the fabrication of high-performance RF devices for reconfigurable RF circuits [1], and several types of RF-MEMS devices, such as switches, variable capacitors (varactors), inductors and filters, have been developed. One problem with conventional RF MEMS devices is that they have been developed as discrete components, and using many RF-MEMS devices increases the size of RF transceivers. Another problem is related to packaging. RF-MEMS devices have movable parts that can be easily damaged or destroyed during packaging processes, such as wafer dicing.

Fig. 1. Trends and issues in RF transceivers.
To solve these problems, we have developed integrated RF-MEMS technology for the integration and protection of RF-MEMS devices. For integration, an adaptable multilayer structure and its fabrication process enable fabrication of various types of RF-MEMS devices on the same substrate. For protection, a wafer-level encapsulation process forms small thin capsules to protect RF-MEMS devices.
This paper first explains the concept of our technology. Next, it describes the structure and fabrication process for the devices. Finally, it presents experimental results.

2. Integrated RF MEMS technology

The aim of integrated RF-MEMS technology is to integrate various types of RF-MEMS devices and RF circuits to develop single-chip reconfigurable RF transceivers [2]. The circuit diagram of an RF receiver using RF-MEMS devices is shown in Fig. 2(a). The RF receiver is composed of antennas, RF front-end circuits, an analog-to-digital converter, a baseband processor, and a control circuit. RF-MEMS devices, such as switches, filters, varactors, and inductors, are integrated with the RF front-end circuits. These devices provide reconfigurability and enable multiband operation. For example, switches having low insertion loss and high isolation can reconfigure a circuit according to the communication band, and varactors with wide-range tunability provide wideband oscillators. The integration of RF-MEMS devices and a control circuit also enables on-chip testing and compensation of the devices. This reduces the variation in device characteristics and improves productivity while eliminating the need for extra LSI (large-scale integration) chips.

Fig. 2. Concept of integrated RF-MEMS technology.
The configuration for integrated RF MEMS technology is conceptually illustrated in Fig. 2(b). Several types of RF-MEMS devices are simultaneously formed on top of an LSI and connected to the circuits. This configuration reduces the volume consumed by discrete packaging of the devices and allows the use of a lot of devices without increasing the number of off-chip components. RF-MEMS devices with movable parts, such as switches, are protected by a device-scale capsule to prevent their destruction during packaging. The protective capsule allows the use of conventional LSI packaging technology.
This technology will lead to the fusion of RF-MEMS and circuit technologies and to the development of single-chip reconfigurable RF transceivers.

3. Device structure

The device structure for integrating different types of RF-MEMS devices is illustrated in Fig. 3. The devices are formed in multiple layers and protected by a capsule. The stacking of multiple layers forms various thicknesses and gaps, providing adaptability for integration. Because each layer is fabricated by the same process at the same time, several types of devices can be formed simultaneously.

Fig. 3. Cross-sectional schematic of the integrated RF-MEMS devices.
Each capsule is composed of walls, a roof, and a sealing film. The walls and roof are formed at the same time as the devices, and the etching holes in the roof are sealed with thin film by using a selective sealing technique (see section 4).
For compatibility with LSI fabrication, the devices use electrostatic actuation. Applying a voltage between electrodes displaces the movable electrode so that it moves towards the fixed electrode. This enables various electromechanical functions, such as signal switching, capacitance tuning, and frequency filtering. The electrostatic actuation can be implemented without using special materials, such as piezoelectric material, which would make it difficult for the process to be compatible with LSI fabrication.
The device structure enables the fabrication of integrated, protected RF-MEMS devices on an LSI.

4. Fabrication process

The fabrication process for the device structure is based on seamless integration technology [3]. The process flow for a switch in a capsule is shown in Fig. 4. First, the lower structures of the switch, such as lower interconnections, are formed on the substrate by Au electroplating (Fig. 4(a)). Next, the lower structures are planarized with photosensitive polyimide (Fig. 4(b)). The polyimide is a sacrificial layer and is removed later. Then, other parts of the switch and the capsule are formed by repeating the electroplating and planarization (Figs. 4(c) and (d)). This stacking process simplifies the fabrication of the multilayer structure. At this point, the sacrificial layers are removed by dry ashing through etching holes in the roof (Fig. 4(e)). Finally, the etchings holes are sealed with photosensitive polyimide by transferring the sealing film onto the roof. This film transfer is accomplished by using spin-coating film transfer and hot pressing (STP), a technology that we developed ourselves (Figs. 4(f) and (g)) [4]-[6]. The encapsulation protects the integrated RF-MEMS devices without damaging them.

Fig. 4. Fabrication process for integrated RF-MEMS devices.

5. Experimental results

We fabricated the integrated RF-MEMS devices shown in Fig. 5. The images were taken before encapsulation to show the devices. Different kinds of RF-MEMS devices, such as switches, varactors, inductors, and filters, were fabricated on the same substrate by stacking multiple layers. The devices are about 200 µm × 200 µm in size, and the thicknesses and gaps range from less than 0.5 µm to over 10 µm. The multilayer structure enables this wide range of thicknesses and gaps.

Fig. 5. SEM photographs of the fabricated RF-MEMS devices.
The integrated RF-MEMS devices were encapsulated using STP technology. Figure 6 shows SEM photographs of (a) a capsule covering a switch and (b) the inside of the capsule, where a switch was properly encapsulated. Figure 6(c) shows a magnified view of the beam of the switch and the roof of the capsule. It is clear that the etching holes in the roof were sealed with the film. These images show that the encapsulation of RF-MEMS devices was successful.

Fig. 6. SEM photographs of an RF-MEMS switch in a capsule.
The electrical characteristics of integrated RF-MEMS devices were measured. DC-measurement results for a switch are shown in Fig. 7. A voltage of more than 16 V applied between the top and bottom electrodes activated the switch, and low resistance of 1.5 Ω was obtained. The switch was turned on and off and it operated repeatedly.

Fig. 7. Measured DC characteristics of a fabricated RF-MEMS switch.
These results confirm that different types of RF-MEMS devices with encapsulation can be fabricated on the same substrate.

6. Conclusion

We have developed elemental techniques for integrated RF-MEMS technology. The multilayer structure and its fabrication process enabled us to fabricate different types of RF-MEMS devices on the same plane. An STP-based encapsulation technique has also been developed to protect the devices. Several types of protected RF-MEMS devices were fabricated, and the operation of a switch was demonstrated. These techniques will pave the way for the development of reconfigurable RF transceivers with integrated RF-MEMS devices.

Emmanuel Rodriguez
17208374
CRF
Fuente: https://www.ntt-review.jp/archive/ntttechnical.php?contents=ntr200710sp4.html



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Taking a Closer Look at RF-MEMS Switch Specifications


In a perfect world, an RF design engineer would like to see a switch with a variety of near ideal specifications. These would include low insertion loss, high isolation, extreme linearity, long term reliability, a wide frequency bandwidth, high power handling capability, low actuation voltage, very low cost, small size and a fast switch time. For real world RF design, variances on ideal specifications can be tolerated for many applications. In general, an insertion loss much less than 1 dB, isolation much greater than 20 dB and linearity with IP3 much greater than 60 dBm will meet many current day RF applications. Throw in a frequency bandwidth of between 0.4 and 6 GHz, power handling capability much greater than a watt, an actuation voltage of 2.7 volts and a switch time less than 5 microseconds, and the RF switch could be used for almost any wireless application.

Ideally cost, size and reliability of a switch would also be minimized to the point of being inconsequential. So the designer looks forward to switches that cost much less than a dime, have a size well below 0.5 square millimeters and will last at least three years for typical consumer operating conditions.

Although semiconductor RF switches can be optimized to come close to the ideal for certain specifications, this requires sacrifices in other performance areas. Alternatives to RF-MEMS Switches such as PIN Diodes and Solid State Switches have good high frequency passing capabilities. But PIN Diodes suffer from an increase in resistance (skin effect) above the X-band range (8-10 GHz) as well as higher current consumption due to individual bias requirements for each Diode. While less expensive than PIN Diodes, Solid State FET Switches have unique problems with insertion loss and isolation at frequencies above 6 GHz unless the switch is designed as an absorptive or T-switch.

And their limitations don't stop there. Other problems include their frequency limitations above the 1 GHz range, where their insertion loss and isolation tend to breakdown. Another problem is their non-linear switching behavior and related signal to noise issues.


Overcoming RF-MEMS Actuation Voltages

Actuation voltage has been an issue with RF-MEMS, traditionally, because of the nature of the technology and the types of microstructure used. RF-MEMS have in the past required an actuation voltage of anywhere between 20 volts and 120 volts, which is far too high to be practical in many portable applications without the use of voltage multiplier or charge pump circuits. On the other hand, PIN diodes and FETs have been generally available with switch voltages in the same order as CMOS circuits (anywhere between 1.5 Volts and 5 Volts) – without the need for any extra circuitry.

In order to overcome the actuation voltage issue with RF-MEMS, designers have come up with different mechanical switch schemes that show it is possible to reduce the actuation voltage to levels below 10 Volts. Furthermore since electrostatic driven MEMS devices do not require significant current to actuate them, the higher voltage generation problem is simplified. Requisite voltages can be provided by a very simple and low cost 'charge pump' circuit (the charge pump circuits, which can be integrated into the chip, are used to convert the 3 Volt CMOS supplies to the 20 plus volts needed to actuate the micro electro mechanical relay). Such a circuit is usually very small and low cost since high power and current is not required.

There are other options as a result of new low-cost MEMs packaging techniques. The new packaging enables the MEMS devices to be built on top of the low-cost silicon used to perform control logic and voltage generation functions.
Figure: WiSpry Illustrates One MEMS Fabrication Process that Layers the
Mechanical Switch On Top of the Actual RF Silicon Circuitry










Source: WiSpry, Inc.


RF-MEMS Switching Times Issues

Switching time can be critical for a number of RF applications such as wireless transmit/receive (T/R) switches in GSM cellular phones. For some time this was considered "THE" application for MEMS and so the switching time became the key technical spec that was driving development and research. There are advances on the horizon that could make even this requirement possible. Driving the switch in both directions would certainly improve the speeds but proves difficult in practice. There is also a physical limit to how fast a micro mechanical device can be moved. Its more likely that MEMS will initially find its way into the compelling multi-mode spaces that are rapidly evolving than solve the T/R switching function. Overall, it remains difficult for RF-MEMS to compete with PIN diodes, SOI and GaAs in regards to switching time. These devices have switching times in the 1 nanosecond range, easily 1000 times faster than RF-MEMS switches that now have switching times from 1 to 300 microseconds


RF-MEMS 50 GHz Plus Bandwidths Enable a New World of Applications

The wide bandwidth of RF-MEMS makes them a very strong candidate to replace GaAs MESFETS now used in multi-band and multi-antenna cellular phones. One of the reasons is the bandwidth. One can expect an RF-MEMS switch to have a bandwidth that ranges from DC to beyond 60 GHz. It is not uncommon to see high-end RF-MEMS bandwidths on the order of 100 GHz.

A look at other specifications builds even more of a case for the use of multiband and multimode RF MEMS devices. A typical GaAs MESFET will provide an insertion loss on the order of 0.4 dB and isolation levels in the range of 24 dB. RF-MEMS switches, in general, will have on-resistances 3 to 4 times lower than FETs, translating into losses three or four times lower. With on-resistance levels in the range of 0.5 ohms to 1 ohms, a MEMS switch can offer insertion loss less than 0.1 dB and isolation greater than 40 dB. The advantage of the packaged GaAs SPDT switch is a cost that is less than a quarter . This cost advantage is however eroded  when one considers the advantages of a RF-MEMs based system. A RF-MEMS solution will eliminate filters and reduce the component count of the filters used. This adds up to lower power, smaller footprints and associated lower system costs for batteries and packaging.


RF-MEMS Power Handling Capability Climbing Upward


As far as power handling capacity goes, RF-MEMS devices compare favorably to PIN Diodes and FET switches. The typical power handling capabilities of PIN and FET solutions run in the 35 dBm (from 1W to 10 W) range, while a well designed RF-MEMS Switch can pass up to 43 dBm of continuous power and up to 45 dBm in quick pulses.

One of the reasons is package design and the size of a physical MEMS contact head rather than any intrinsic technology limit. Additionally though, the design of the actual MEMS device strongly affects the power handling capability. Careful thermal and electrical design is critical to achieve reliable operation at powers greater than 100 mW. Direct metallic contact switches, while having the greatest bandwidth, concentrate the current through miniscule electrical contacts. For high power operation, these contacts must be closely coupled to a good heat sink. On the other hand, capacitive contact switches spread the current over a larger area and thus can handle more RF power in the closed state for a given thermal design (without the need for a good heat sink).  Capacitive MEMS switches are still however limited in the open mode by the forces generated by the RF fields. At sufficient power levels, the capacitive switch will be "self-actuated" by the RF signal. The smaller contact area of metallic contact switches works in their favor leading to much higher self-actuation powers.

The capacitive circuits such as the switch actuators in an electro-static RF-MEMS switch are strictly voltage driven and so their power consumption requirements are very low. Driving high currents into such a switch can result in permanent damage due to the heat and resulting stresses on the RF-MEMS actuator.

Overall, the power handling of MEMS devices can be quite high, but  MEMs power capacity depends on the device size and other design material options. The advantages of MEMS are that the dissipation is less due to the low insertion loss and that highly thermally conductive materials are available.

The key obstacle to even higher power handling for MEMs is simply the small size. The heat must be spread quickly away from the tiny device. For solid-state devices the current is spread throughout a larger device, leading to easier heat dissipation problems near the device junctions. However, the larger total power dissipation of solid-state devices requires higher-performance packaging for equivalent power handling. PIN diodes can have very low RF dissipation but they are also conducting DC current for their switching. The heat generated by the DC current lowers their RF power handling capability.


Power Consumption in the Microwatts and NanoJoules

RF-MEMS offer extremely low-power for the static condition (when the switch is closed or open), the dynamic switching condition (the power required to actually switch the relay) and RF signal transmission modes (when an RF signal passes through the actual switch).

For RF-MEMS devices, power consumption during switching is a function of the actuation approach. For electrostatic operation, the drive terminals are a capacitor. Thus there is virtually no static power consumption in the off-state. During a switching operation, charge must be moved onto or off of the capacitor. The dissipation in this operation is set by the resistances of the control lines, which can be very low. If the actuator capacitance is 1 pF and the actuation voltage is 10V, the stored energy in the actuator for the charged state is 50 pico-joules and 25 pico-joules is dissipated per switching event. If the switch is toggled at a 10 KHz rate, the dissipation would be less than a microwatt.


Finally, DC Power is seen across the switch contact points and can run in the 5 to 20Watt range.


Near Perfect Linearity in RF MEMS Leads to Near Zero Harmonic Distortion

Linearity is another key selling point of MEMs devices. Semiconductor devices are voltage controlled non-linearly current sources and hence their resistances and capacitances are easily modulated by the RF voltages. Because the I-V curves of electromechanical switches are much more linear over the switch voltage range than semiconductor devices and because their capacitances are not modulated by the RF voltage, they introduce far lower harmonics than semiconductor based switches do. This results in near perfect linearity – specified on the order of 70 dBm at the third intercept point, resulting in negligible Total Harmonic Distortion (THD) at operating power levels.

Emmanuel  Rodriguez C.I. 17208374
Asignatura: CRF
Fuente: http://www.perfectdisplay.com/feature_articles/rfmems/rf_mems_files/rf_mems_page_2.htm


Roberto Jesus Rojas
CI:14908981.
Asignatura:CRF.
Fuente: Wikipedia.

Pantalla de radar

Los sistemas modernos de radar usan algún tipo de pantalla de barrido de trama para producir una imagen tipo carta geográfica. En el pasado, especialmente en sus primeras etapas, tales displays eran difíciles de producir por un número de razones.

Osciloscopios

Todas las primeras pantallas de radar se construían usando osciloscopios adaptados con varias entradas. En un sentido general, los osciloscopios son tubo de rayos catódicos con tres "canales" de entrada, que son acoplados a fuentes de voltaje variable. Los voltajes se amplificaban y se enviaban dentro de uno de los magnetos de deflexión, o canales de "intensidad", que controlan la brillantez de los puntos en la pantalla. Todos esos canales también se equipaban con una fuente de voltaje sesgado (bias) que permitía poner el punto cero al setear. Variando los voltajes dentro de los canales, el haz catódico se podía mover alrededor, apareciendo como un punto en el display.
Los displays de radar usaban la salida de sus receptores de radio como uno de los canales. En los primeros displays esta salida era generalmente enviada tanto a los canales X o Y en orden a desplazar el punto en la pantalla para indicar un retorno. Más radares modernos usaban una antena rotativa para cubrir un gran área dl cielo, y en esos casos los canales X e Y se movían por electrónica esclava al movimiento mecánico de la antena. Las secciones debajo muestran los diferentes medios para que esas señales se acoplaran a los canales.

 
Osciloscopio acoplado a dos fuentes de voltaje con dos ondas sinusoidales, produciendo un patrón circular en la pantalla

A-scope

La pantalla original de radar era A-scope, que desplegaba el rango de blancos a lo largo de una escala.
Para dibujar en el A-scop, se usaba un generador de voltaje en ondas de hojas de sierra, acoplado al eje X de modo de accionar el osciloscopio a través de la pantalla a una velocidad fijada. El arranque del movimiento se dispara con la coincidencia con el arranque de un pulso de radar, y la velocidad del movimiento se ajustaba para alcanzar el lejano fin (típicamente del lado derecho) del display al finalizar el tiempo de retorno máximo del pulso.
La señal recibida amplificada se enviaba dentro del eje Y del osciloscopio, significando que cualquier señal retornada desplazaba el haz de salida, dibujando un "blip" (o un "pip"). La posición del blip a lo largo del eje X del display indicaba el rango del blanco, y generalmente se medía contra una escala debajo del display. El tamaño del blip daba alguna indicación del número y tamaño de los blancos. Esos displays también se referían como los R-scope', por rango scope.
Otra versión del A-scope se usaba en los primeros radares estadounidenses y alemanes, el J-scope. Eran similares en concepto al A-scope, pero eran circulares y señalaban el rango como un ángulo alrededor de la cara del display. No estaba enteramente claro que ventaja daba ese arreglo. Una versión electromecánica del display del J-scope se hizo común en pescadores con el medidor de profundidad hasta recientemente.
El HR-scope fue un A-scope modificado usado en algunos radares, en especial versiones del sistema sistema preventivo radárico de Gran Bretaña, 2ª Guerra Mundial. Se desplegaba el retorno de dos antenas en el mismo display, con las antenas desplazadas verticalmente. Comparando la fuerza de los dos "blips", podía estimarse la elevación con cierto grado de seguridad. El nombre refiere al acrónimo en inglés "height-range": "rango de alturas".
Una versión similarmente modificada del display A-scope fue comúnmente usada para radares de búsqueda en terreno, notablemente en radares ASV: acrónimo inglés para nave aire-superficie. En este caso dos antenas receptoras se usaban en frenta de un reflector común, punteado ligeramente a izq. y der. del centro de la aeronave. Se recibía de ambos, usando dos antenas en corte lobular (en:lobe switching), y enviando a los lados izq. y der. del A-scope verticalmente orientado, y midiendo antes el rango. Sin embargo, el desplazamiento del blanco a los lados de la aeronave podría resultar en que el retorno fuera más fuerte en un lado más que en el otror, causando un "blip" en el lado más fuerte. Esyo permitía al operador de radar indicar fácilmente dirección de intercepción del blanco. Estos tipos de displays eran nombrados como ASV-scopes, aunque el nombr no fuera universal.

B-Scope

Un B-scope da representaciones en 2-D "arriba-abajo" del espacio, con el eje vertical típicamente representando el rango, y el eje horizontal el acimut (ángulo). El B-scope desplegado en los radares aéreos en los 1950s-1960, hacía mecánicamente el escaneado de lado a lado, y a veces de arriba-abajo. El B-scope representaba una "lámina" del espacio aéreo enfrente de la aeronave, por los ángulos de "tracking" del radar. El punto se marcaba en el eje Y de manera similar al A-scope horizontal, con distancias del display que indicaban más grandes rangos. Esa señal se mezclaba con el voltaje variante, que era generado con un aparato mecánico que dependía de la ubicación de la antena. Lo que resultaba era esencialmente un A-scope cuyas líneas de rango rotaban hacia un punto cero en la base del display. La señal de radio se enviaba a un canal de intensidad, produciendo un punto brillante en el display que indicaba returnos.
Un E-scope es esencialmente un B-scope desarrollando rango vs. elevación, más que rango vs. acimut. Son idénticos operando al B-scope, el nombre simplemente indica "elevación". Los E-scopes se usan típicamente con "radares de encuentro en altura", que son similares a los radares clásicos, pero puesto a escanear verticalmente en vez de horizontalmente, llamándoselos "radares nodulares" por el movimiento de su antena. El tubo de pantalla era generalmente rotado 90º para ajustarlo al eje de elevación vertical, de tal modo de dar más obvia correlación entre el display y el "mundo real". Esos displays eran referidos como indicador de rango de altura, o RHI, pero para evitar toda confusión como B-scope.
E H-scope es otra modificación del concepto B-scope, aunque desplegaba elevación tan bien como acimut y rango. La información de elevación se presentaba por dibujo de un segundo "blip", desde el indicador de blancos a una corta distancia, la pendiente de la línea entre los dos indicadores de blips y la elevación relativa al radar. Por ej., si el blip se desplazaba directamente a la derecha, indicaba que el blanco iba en la misma elevación como el radar. La compensación se creaba dividiendo la señal de radio en dos, y retardando una ligeramente, para que apareciera desplazada en el display. El ángulo se ajustaba retardando el tiempo de la señal via un retardo, y la longitud del retardo se controlaba variando el voltaje con la posición vertical de la antena. Esa suerte de display de elevación se podía agregar a la mayoría de cualquiera de los otros displays, y se los referenciaba como display "doble dot".

C-Scope

Los displays C-scope mostraban una vista a "ojodebuey" de acimut vs. elevación. El "blip" se desplegaba indicando la dirección del blanco al eje central del radar, o más comúnmente, a la aeronave o arma si la portaba. Se los conocía como "indicadores de movimiento spot", tal movimiento acompañaba al blip del blanco. El rango típicamente se desplegaba separadamente en esos casos, con frecuencia como un número al lado del display.
Muy idéntico era al C-scope es el G-scope, que sobrepone una representación gráfica del rango al blanco. Se representaba con una línea horizontal que "crecía" desde el indicador de blanco "blip", para formar un diagrama tipo ala. Las alas crecía en longitud a más cortas distancias indicando que el blanco estaba más cerca. Un indicador de rango "dispare ahora" se suministaba también, consistiendo en dos líneas verticales cortas centradas en la mitad del display. Para hacer una intercepción, el piloto guía su nave hasta que el blip se centra, y luego se aproxima hasta que las "alas" llenan el área entre los marcadores de rango. Ese display recreaba un sistema comúnmente usado en visores, donde el piloto miraba el blanco a través de una "cruz" de hilos, disparando, cuando el blanco llenaba el área central. Este sistema permitía al piloto estimar el rango al blanco. En ese caso, sin embargo, el rango se medía directamente con el radar, y el display realizaba una mímica del sistema óptico para coordinar los dos sistemas.

Plan Position Indicator, PPI

El display del PPI provee una imagen 2-D del espacio aéreo alrededor del sitio de radar. La distancia al centro del display indica rango, y el ángulo alrededor del display es el acimut al blanco. La posición de la antena de radar es típicamente indicada por una línea extendiéndose del centro hacia la periferia del display, que rota a lo largo con la antena, en tiempo real. El display de PPI es lo que normalmente la gnte piensa de un display de radar en general, y fue universalmente usado en el control del tráfico aéreo hasta la introducción del display de gráfico rasterizado en los 1990s.

Los displays de PPI actuales son bastante similares a los A-scopes en operación. Como con la mayoría de los displays de radar en 2D, la salida del receptor de radio se acoplaba al canal de intensidad par producir un brillante punto indicador de retornos. En el A-scope un generador de voltaje en diente de sierra se acoplaba al movimiento del eje X con un punto aue atravesaba la pantalla, y en el PPI la salida de dos de tales generadores se usan para rotar la línea alrededor de la pantalla. Algunos sistemas tempranos eran mecánicos, físicamente giraban con magnetos de deflección, pero la electrónica necesaria para hacer esto en "estado sólido" no es particularmente complejo, por lo que se usó desde principios de los 1940s.

Escaneador Beta Scope

El especializado "escaneador Beta Scope" fue usado para los sistemas de radar de aproximación de precisión. Se desplegan dos líneas en el mismo display, la superior muestra la aproximación vertical (sistema de aterrizaje instrumental, "ILS"), y el inferior la aproximación horizontal. Un marcador indica el punto deseado de aterrizaje en la pista, y con frecuencia las líneas se angulan hacia la mitad de la pantalla para mostrar esa ubicación. Un solo "blip" es también prsentado, sobreimpuesto en ambas líneas, y las señales se generan de antenas separadas. La desviación de la línea central de la aproximación puede verse y fácilmente ser asumida por el piloto.

 


Un escaneador Beta. Las líneas largas corriendo en diagonal a través de la pantalla representan el medio de la pendiente, las barras verticales son marcadores de distancia, y las líneas punteadas (justo visibles) representan la "máxima distancia de seguridad" que una aeronave puede perderse. La distancia entre esos marcadores y la línea central decrece estrechamente al punto de aterrizaje