La aplicación de la tecnología de sistemas microelectro-mecánicos (MEMS) está a punto derevolucionar las comunicaciones inalámbricas[1]. El hecho de que RF MEMS haga posible larealización de dispositivos pasivos superiores,tales como interruptores, condensadores conmutables (dedos estados), condensadores contínuamente variables, inductores, líneas de transmisión y resonadores, hace de esta tecnología un candidato primordial para la realización de un sin número de enseres inalámbricos operantes en las esferas del hogar / terrestre, móvil, y del espacio [2], tales como microteléfonos, estaciones base, y satélites. Las propiedades esenciales con las que estos sistemas son dotados son las de bajo consumo de potencia y reconfigurabilidad. Es por estas razones que se cree que RF MEMS ha de ser la tecnología clave para la realización de conectividad inalámbrica universal. En este contexto, el objetivo de este articulo es exponer el impacto y estado corriente de la aplicación de RF MEMS para realizar condensadores conmutables, condensadores variables e interruptores, particularmente en los tres elementos de este paradigma, a saber, microteléfonos, estaciones base, y satélites. En particular, se abordan asuntos tales como la justificación que motiva el uso de RF MEMS en el ámbito de sistemas inalámbricos, los requerimientos de los dispositivos impactados, la manufactura de grandes cantidades, el empaque, y su funcionamiento y confiabilidad.
La primera parte de este articulo se enfoca en las técnicas de fabricación (micromaquinado de superficie y de substrato) y sus limitaciones, comparando los mecanismos de activación mediante el uso de los cuales se pueden confeccionar dispositivos RF MEMS, y el empaque a nivel de dispositivo. La segunda parte se enfoca en desglosar el progreso e impacto de RF MEMS en sistemas inalámbricos, en particular, en microteléfonos, estaciones base, y aplicaciones para el espacio.
Fundamentos de la Tecnología RF MEMS
Fabricación
La tecnología de fabricación RF MEMS se basa en la disciplina, muy bien establecida, de la fabricación de circuitos integrados (CIs). De hecho, RF MEMS se puede entender a la luz del proceso convencional bi-dimensional de los CIs, el cual esta basado en fotolitográfica y engravado químico, y el cual consiste de los siguientes pasos fundamentales.
1) Se cubre el substrato con una barrera (usualmente SiO2
para un substrato de silicio). 2) Se cubre la superficie con un material polimérico sensitivo a la luz, llamado "photoresist" (PR).
3) Una foto-mascara (un plato de vidrio, uno de cuyos lados contiene un patrón de una emulsión o película metálica, se coloca sobre el substrato y el PR es expuesto a través de esta mascara a luz Ultravioleta (UV) de alta intensidad dondequiera que la mascara sea transparente. El PR es desarrollado mediante un proceso similar al utilizado para revelar películas fotográficas y puede ser de naturaleza positiva o negativa, obteniéndose uno de dos resultados:
1) Cuando los rayos UV interaccionan con un PR positivo, se debilita el polímero, de manera que cuando la imagen es desarrollada el PR expuesto a los rayos UV se disuelve transfiriendo así la imagen positiva de la mascara a la capa de PR.
2) Cuando la luz UV interacciona con el PR negativo, se fortalece el PR, de manera que cuando la imagen es desarrollada el PR no expuesto a la luz UV se disuelve, transfiriendo así la imagen negativa de la mascara a la capa de PR. La tecnología de fabricación RF MEMS esta basada en dos técnicas principales para moldear la tercera dimensión, a saber,
micromaquinado de superficie y micromaquinado de substrato. En el micromaquinado de superficie, Figura 2(a), películas delgadas de materiales son selectivamente añadidas, y eliminadas del substrato. Los materiales de la película que eventualmente serán eliminados se denominan materiales de sacrificio, mientras que los que finalmente permanecen se denominan materiales estructurales. Por ejemplo, una viga voladiza se puede crear sobre un substrato de silicio mediante el deposito de SiO2 como capa de sacrificio, depositando polisilicio como capa estructural, definiendo el patrón o geometría de la viga en la capa de polisilicio, y finalmente disolviendo la capa de sacrificio debajo de esta. Este ultimo paso es llamado liberación ya que tiene como objetivo el liberar las estructuras mecánicas de modo que se puedan mover. Cuando un químico para engravado liquido es utilizadopara disolver la capa de sacrificio, sin embargo, uno debe asegurarse de que las fuerzas de resorte de las estructuras mecánicas superan las fuerzas de tensión de superficie del químico liquido. Si no es así, la liberación no ocurrirá completamente y las estructuras terminaran pegadas o al substrato o a otras estructuras adyacentes. Este fenómeno de adhesión puede también ocurrir durante la operación de dispositivos operados mediante fuerzas electrostáticas, en cuyo caso puede ser el resultado de un tirón violento ("pullin"). En el micromaquinado de substrato, estructuras mecánicas son creadas dentro de los confines del substrato,mediante la eliminación selectiva de material del substrato por técnicas de engravamiento / corrosión liquidas y secas, explotando así las razones anisotrópicas de corrosión de los diferentes planos cristalográficos en el substrato. La aplicación de MEMS en el contexto de sistemas integrados es de gran interés porque mediante la integración tri-dimensional (3-D) de estructuras mecánicas móviles en el mismo substrato que los circuitos electrónicos, se hace posible el producir sistemas altamente funcionales capaces de alcanzar niveles de funcionamiento imposibles de obtener de otra manera, particularmente en el ámbito de tamaño, consumo de potencia, y costo. Las estructuras MEM 3-D en cuestión, pueden activarse mediante una variedad de mecanismos, tales como los que se derivan de fuerzas electrostáticas, electro térmico, piezoeléctricas, electromagnéticas, y electrodinámicas. Sin embargo, en el fondo, desde un punto de vista a nivel de sistema o funcional, e independientemente del mecanismo de activación, estas estructuras poseen dos pares de electrodos. A través del primero, se aplica una polarización d.c. para causar movimiento y un segundo par, los electrodos de conmutación o contactos, con el que existe la señal de radiofrecuencia (RF) manipulada. Cuando los dos pares están aislados uno del otro, la configuración se denomina relevador ("relay"). Por otro lado, si el d.c. y la señal RF comparten las mismas líneas de control, la configuración se denomina interruptor. Desde el punto de vista de un circuito, los relevadores pueden clasificarse como dispositivos de 4 terminales y los interruptores como dispositivos de 2 terminales. Sin embargo, es posible, cuando los conjuntos de terminales de polarización y RF comparten un potencial de referencia ("ground") en común, el tener un relevador de 3 terminales. Desde una perspectiva de diseño de circuitos, la naturaleza de la estructura de un dispositivo, sea este un relevador o un interruptor, es de mucha importancia. Esto es así porque, mientras que un relevador posee una aislamiento intrínseco entre los terminales de polarización y RF, un interruptor no. Por tanto, cuando se emplea la configuración de interruptor, es necesario emplear un modo de desacoplar las señales de polarización y RF, por ejemplo, hay que utilizar una T de polarización ("Bias-Tee"). Estos conceptos pueden visualizarse examinando las estructuras fundamentales para relevadores e interruptores RF MEMS. En este articulo nos enfocamos en discutir el progreso e impacto sobre los sistemas inalámbricos de tres tipos de dispositivos RF MEMS de micromaquinado de superficie, a saber, condensadores conmutables (CC), condensadores contínuamente variables, e interruptores óhmicos. En lo que sigue, presentamos una comparación entre los distintos mecanismos de activación explotados en la confección de dispositivos RF MEMS. Roberto Jesus Rojas
CI: 149089891
Asignatura: CAF
Fuente de información: www.STADTAUS.com
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