RF MEMS Neste generasjons teknologi for elektroniske systemer RF MEMS basiser DEL 2 første del av denne artikkelserien så vi på teknologi for prosessering og pakking av RF MEMS er. Denne gangen dreier det seg om design av basiser. Ved hjelp av RF MEMS teknologien har framstilling av en ny klasse er og kretser blitt mulig. Et eksempel kan være RF MEMS svitsjer som har ekstra lave innskuddstap, høy linearitet, stor isolasjon, høy Q-verdi, lite volum og lavt effektforbruk. Vi skal her vise eksempler på en del viktige er som enten kan brukes isolert eller integreres i større design. Av Anton M. Bøifot, Geir Uri Jensen og Ulrik Hanke, SNTEF KT første del av denne artikkelserien så vi på teknologi for prosessering og pakking av RF MEMS er. Denne gangen dreier det seg om design av basiser. Ved hjelp av RF MEMS teknologien har framstilling av en ny klasse er og kretser blitt mulig. Et eksempel kan være RF MEMS svitsjer som har ekstra lave innskuddstap, høy linearitet, stor isolasjon, høy Q-verdi, lite volum og lavt effektforbruk. Vi skal her vise eksempler på en del viktige er som enten kan brukes isolert eller integreres i større design. filtre og BAW (Bulk Acoustic Wave) filtre med undergruppen FBAR (Film Bulk Acoustic Resonator) filtre. Akustiske filtre benyttes for frekvenser opp til 10 GHz, men har også et potensiale for noe høyere frekvenser. Metoder for aktivering En aktiv RF MEMS har to funksjonelle deler, en mekanisk aktuerende del og en som utfører ønsket RF-funksjon. De vanligste metodene for å konvertere elektrisk energi til Det kan være naturlig å dele RF MEMS ene inn i fire grupper: Aktive er. Denne gruppen omfatter strukturer som er mekanisk bevegelige. Eksempler er svitsjer, varaktorer, bevegelige antennestrukturer og justerbare spoler. Fritt-svingende mikromekaniske resonatorer og filtre representerer en undergruppe av aktive er. Disse utnytter mekaniske vibrasjoner av miniatyriserte svingeelementer. Bevegelsene kan utgjøre noen tidels Ångstrøm (10-10 m). Det er demonstrert Q- verdier opp til 8000-10000, men frekvensen er begrenset til 200-300 MHz. Passive er. Dette er ubevegelige strukturer. Gruppen omfatter er som transmisjonslinjer, høy-q resonatorer, filtre, ubevegelige antennestrukturer, kondensatorer og spoler. Akustiske resonatorer representerer en undergruppe av passive er. Det er demonstrert Q-verdier på 2000-3000. Slike resonatorer benyttes i SAW (Surface Acoustic Wave) EG Components Norway AS Hovfaret 17B, 0275 Oslo Tlf: 23 25 46 00 Faks: 23 25 46 01 www.egcomponents.no ELEKTRONKK 1 2005 31
EL0501 - tirsdag kveld 18-01-05 23:05 Side 32 ønskede mekaniske bevegelser er utnyttelse av elektrostatiske krefter, magnetostatiske krefter, varmeeffekter eller piezoelektrisitet. Elektrostatisk aktivering er den mest utbredte. denne metoden brukes elektrostatiske krefter fra en påtrykt spenning mellom en elektrode og den varierbare strukturen til å bevege denne. Fordelene med elektrostatisk aktivering er at metoden har nær null effektforbruk, små areal på elektrodene, relativt tynne lag i den mekaniske strukturen, kort svitsjetid (ned mot 1µs) og mulighet for å forspenne elektrodene ved hjelp av linjer med høy resistans. Spenningen som trengs for å aktivere strukturen er imidlertid relativt høy, som regel i området 20-80 V. praksis må man i mange tilfeller benytte en eller annen form for oppkonvertering av batterispenningen. Utnyttelse av varmeeffekter eller magnetiske krefter krever betydelige strømmengder under selve aktiveringen. Ved varmeeffekter utnyttes enten varme til å redusere magnetisering og derved frigjøre en struktur fra en permanent magnet, eller varmeutvidelseseffekter til å aktivere en svitsj, mens den aktiverte strukturen gjerne holdes på plass i on -posisjon v.h.a. elektrostatiske krefter. Ved magnetisk aktivering er det ofte en strøm i en spole som kopler en mekanisk struktur til en permanent magnet. Begge aktiveringsmetodene klarer seg med spenninger på 3-5 V, noe som er en stor fordel i forhold til elektrostatisk aktivering. Både svitsjetiden og arealbruken er imidlertid betydelig større. Sammen med effektforbruket gjør dette disse aktiveringsmetodene mindre attraktive i mange sammenhenger. Også piezoelektrisk aktivering kan utnytte spenninger ned mot 3-5 V. tillegg er effektbruken nær null. Denne metoden har imidlertid relativt lang Eksempler på planare spoler. For å redusere uønsket kopling og tap framstilles spolene slik at et offerlag eller deler av substratet rundt ledningsføringen fjernes. Derved bedres Q-verdien, og resonansfrekvensen heves. Kilde: KAST og University of Michigan. Kapasitiv svitsj i shuntkonfigurasjon. Linjen er koplanar, og ved aktivering vil broen kortslutte RFsignalet. Effektiv kapasitans bestemmes av felles kontaktareal mellom signallinjen og broen samt dielektrikumets egenskaper. svitsjetid og trenger stort areal. Fabrikasjonsmessig er de også mer kompliserte enn flere av alternativene. Grunnet lav spenning og lavt effektforbruk har imidlertid piezoelektrisk aktivering stort potensiale som aktiveringsprinsipp. RF MEMS svitsjer RF MEMS svitsjer kan deles inn i to hovedgrupper. Den ene gruppen består av svitsjer med ohmsk kontakt mellom elektrodene. Disse svitsjene er gjerne kalt DC-kontakt svitsjer eller kanskje oftest metall-til-metall svitsjer. Den andre gruppen består av kapasitive svitsjer. Disse har et dielektrisk lag mellom elektrodene, slik at koplingen av signalet blir rent kapasitiv. Begge gruppene kan ytterligere bli delt inn i to konfigurasjonsklasser, en bestående av svitsjer i serie med signallinjen og en av svitsjer i shunt med linjen. Metall-til-metall svitsjer har den fordelen at det i prinsippet kun er resistiv kontakt mellom elektrodene. praksis kan de designes for bruk fra DC og opp til over 100 GHz. Som regel er det slike svitsjer som velges for COMLAB Accredited Testing and Certification EMC, Radio and Telecommunications NEMKO COMLAB TESTLABORATORUM FOR EMC, RADO- OG TELEKOMMUNKASJONSUTSTYR Nemko Comlab er et ledende testlaboratorium for radio- og telekommunikasjonsutstyr, lokalisert på Kjeller utenfor Oslo. Laboratoriet er oppnevnt som Notified Body etter kriteriene i EMC- og R&TTE-direktivene. Som en del av Nemko Group tilbyr vi verdensomspennende markedstilgang for dine produkter. Våre test- og sertifiseringstjenester dekker de fleste produkter og standarder innen radio- og telekommunikasjon, inkludert: xdsl 2.4 GHz WLAN, WDCT DECT SRD EMC SAR Bluetooth GOST/OST for Russland FCC part 15 (USA) TA/EA/S-968 (USA) Produktstandarder for Canada og Australia tillegg kan vi også tilby TCF review og notifikasjoner for EU-land. Nemko Comlab kan også være behjelpelig i utviklingsfasen ved å tilby omfattende pretester, enten det dreier seg om enkelttester eller fullstendige godkjenningstester. ngeniørene ved Nemko Comlab følger standardiseringsarbeidet i ETS og CENELEC, og er således oppdatert på de siste utviklingene innen disse områdene. Postboks 96, N-2027 Kjeller, http://www.comlab.no, telefon: 64 84 57 00, telefaks: 64 84 57 05, e-post: post@comlab.no 32 ELEKTRONKK 1 2005
EL0501 - tirsdag kveld 18-01-05 23:06 Side 33 frekvenser fra 6-8 GHz og nedover. Det ligger i sakens natur at man ikke automatisk oppnår DC-blokade med disse svitsjene, noe som kan være uheldig for en del typer anvendelser. Hovedproblemet med slike svitsjer er imidlertid at elektrodene kan feste seg til hverandre. Det er derfor viktig at fabrikasjonsteknologien er moden og designet vel fundert både med hensyn til mekanisk utforming og valg av materialer. Metalltil-metall svitsjer har relativ lav effektkapasitet, opp til de siste 2-3 år begrenset til noen 100 mw. den senere tid er det imidlertid rapportert om svitsjer med effektkapasitet på over 1 W. Denne typen svitsjer vil typisk ha kortere levetid enn kapasitive svitsjer ved samme effektpådrag, noe som har sammenheng med den direkte kontakten metall mot metall. Kapasitive svitsjer tåler mer effekt enn metall-til-metall svitsjer. Det har vært vanlig å hevde at øvre effektgrense er ca. 1 W, men det er nå publisert arbeider som viser at det er mulig å framstille svitsjer som har en kapasitet på over 10 W. På grunn av den kapasitive koplingen vil signalet se relativt stor impedans ved lavere mikrobølgefrekvenser. Eksempler på ulike metall-til-metall seriesvitsjer. a) viser en bredsideplassert svitsj med anker på en side av linjen, b) en bredsideplassert svitsj med anker på begge sider av linjen og c) en svitsj med ankeret integrert i RF-linjen. Kilde: EEE Microwave Magazin, s. 61, des. 2001. praksis brukes slike svitsjer sjelden under 6-8 GHz. Et av de største problemene med kapasitive svitsjer er akkumulering av ladning på overflaten av dielektrikumet. Denne ladningen skaper elektrostatiske krefter som påvirker aktiveringen av svitsjen. Både når det gjelde metall-til-metall svitsjer og kapasitive svitsjer legges det for tiden ned enorme ressurser i laboratorier verden over for å løse de resterende prosesstekniske utfordringene. Levetiden for begge typer svitsjer ved optimalt effektpådrag er foreløpig begrenset til ca. 10 milliarder svitsjeoperasjoner. Fordelene med RF MEMS svitsjer framfor svitsjer basert på PN dioder eller FET transistorer er først og fremst lavere innskuddstap, høyere linearitet, større isolasjon og lavere effektforbruk. Variable kondensatorer Utviklingen av RF MEMS variable kondensatorer har ikke fulgt riktig samme tempo som RF MEMS svitsjer. www.jfknudtzen.no En sikker kobling! For reflow- eller selektiv lodding. Printklemmer: Kan monteres med standard pick & place utstyr. Med eller uten skrufeste mot plugg. Loddeflens eller skrufeste mot kretskort. Kan benyttes til blyfri lodding (LCP). Vibrasjonssikker opptil 5G! Be om vareprøver og datablad! Plugger: Skru, fjær eller DC utførelse. Med eller uten skrufeste. Kan leveres ferdig merket. Opsjon med intern lask. Tlf.: 66 98 33 50 Fax.: 66 98 09 55 ELEKTRONKK 1 2005 33
Tilbud til Elektronikk s lesere Messereiser 2005 CeBit 2005, Hannover 10.-16. mars Verdenssenter for kontor-, informasjons- og telekommunikasjonsteknikk Tur 1: Tur 2: Tur 3: Hannover Messe, 11.-15. april Verdens største industrimesse med 7.500 utstillere Årets fagområder er: nterkama Fabrikk automasjon ndustriell programvare og engineering Overflatebehandling Mikro teknologi Underleveranser Energi Forskning og teknologi Verktøy og vedlikeholdsutstyr Tur 1: Tur 2: Utreise torsdag 10. mars fra Gardermoen med retur lørdag 12. mars. Utreise lørdag 12. mars fra Gardermoen med retur mandag 14. mars. Utreise mandag 14. mars fra Gardermoen med retur onsdag 16. mars. Priser fra kr. 6.950,- Utreise søndag 10. april fra Gardermoen med retur tirsdag 12. april. Utreise tirsdag 12. april fra Gardermoen med retur fredag 15. april. Les mer www.mercur-reiser.no Vennligst kontakt oss og be om program! Telefon 38 12 33 80, Telefax 38 12 33 99 post@mercur-reiser.no 34 ELEKTRONKK 1 2005 Dette kan dels forklares med at oppnåelig Q-verdi for kondensatorer på silisiumsubstrat er noe begrenset, dels med det faktum at det er spolen og ikke kondensatoren som er den begrensende faktor i planare oscillatorer, og dels med at prosesstekniske forhold vanskeliggjør stor relativ variasjon av kapasitansen. Det virker imidlertid som om det har foregått et lite gjennombrudd i løpet av 2003/2004, og flere lovende arbeider er blitt publisert. Generelt sett er det tre faktorer som bestemmer kapasitansen til en kondensator. Det er arealet til elektrodene, avstanden mellom elektrodene, samt type dielektrikum som benyttes. Basert på dette kan RF MEMS variable kondensatorer deles inn i fire hovedteknologier. Den første omfatter parallell-plate kondensatorer. slike kondensatorer kan elektrodene enten være bevegelige eller faste. Hvis bevegelige elektroder anvendes, forankres den ene via ulike fjærsystemer til ett eller flere forankringspunkter. Ved å sette opp et elektrostatisk felt mellom elektrodene, vil den genererte elektrostatiske kraften bevege den ene elektroden et visst stykke nærmere den andre og derved øke kapasitansen. Det er også mulig å anvende enten piezoelektriske effekter eller varmeutvidelse for å bevege elektroden. Hvis faste elektroder benyttes, er det mulig å variere kapasitansen ved å bevege posisjonen til dielektrikumet parallelt med elektrodene. Alternativt kan man benytte dielektrika med materialegenskaper som er justerbare med spenningen. Typiske verdier for parallell-plate kondensatorer ligger i området 0,1-10 pf. Oppnåelig relativ variasjon for en enkelt har for inntil noen få år siden vært maksimum 1:2. de siste par år er det imidlertid publisert en del arbeider hvor man har oppnådd relative variasjoner i området 1:5 til 1:7. Parallell-plate kondensatorer kan anvendes ved frekvenser langt opp i millimeterbølgeområdet. Den andre hovedteknologien omfatter interdigitale kondensatorer. Slike kondensatorer består i hovedsak av fingerlignende strukturer som sitter på tversgående armer. Fingrene tilhørende en arm stikker inn mellom fingrene tilhørende naboarmen uten at disse berøres. Størrelsen av det overlappende arealet mellom fingrene bestemmer kapasitansen. Ved å bevege armene mot og fra hverandre kan kapasitansen justeres. praksis kan man ha veldig mange fingre, og betydelige forbedringer av relativ variasjon i forhold til parallell-plate kondensatorer er mulig. Også når det gjelder interdigitale kondensatorer kan kapasitansen varieres ved å variere permittiviteten i stedet for elektrodene. Typiske verdier for oppnåelig kapasitans er noen 10- talls pf, men selve operasjonsfrekvensen er begrenset oppad til noen få GHz. Maksimum Q- verdi for begge teknologiene ligger i området 200-400. Den tredje hovedteknologien for design av variable kondensatorer består i å bygge opp banker med ubevegelige kondensatorer, gjerne varierende i størrelse med potenser av 2. En eller flere av kondensatorene koples så inn i transmisjonsveien ved hjelp av RF MEMS svitsjer. På denne måten kan man oppnå meget store relative variasjoner med relativt små diskrete step. Også slike varaktorer har en begrenset operasjonsfrekvens på noen få GHz. Denne typen varaktorer kalles svitsjede kondensatorer. Den fjerde hovedteknologien består av banker med kapasitive svitsjer av lik eller ulik størrelse som koples inn i transmisjonsveien. Her utnyttes kapasitansen i på -tilstand til enkelt-svitsjene som bidrag til kondensatorens resulterende kapasitans. Spoler Spoler med høy Q-verdi er essensielle er for mange passive og aktive RF- og mikrobølgekretser. De kan bl.a. redusere fasestøy og effektforbruk til oscillatorer og forsterkere. nntil de siste 2-3 år har praktisk anvendelige RF MEMS spoler i utgangspunktet bestått av ubevegelige strukturer. For å høyne Q-verdien og operasjonsfrekvensen har flere teknikker vært anvendt. Den enkleste er å benytte et ekstra tykt metall-lag for ledningsføringen til den planare strukturen og isolere denne fra substratet ved å avsette
Justerbar interdigital RF MEMS kondensator. Figuren illustrerer fingerstrukturer som kan beveges i forhold til hverandre. Kilde: Rockwell Science Center et tykt lag med isolator som har lav dielektrisitetskonstant på substratet. Det tykke metall-laget reduserer de resistive tapene, mens isolatoren reduserer koplingseffektene. På denne måten blir både Q-verdien og resonansfrekvensen hevet. En annen metode for å bedre egenskapene til RF MEMS spoler er å konstruere 3-dimensjonale solenoider. Solenoidene er da delvis frittliggende i inert gass eller vakuum. Det magnetiske feltet blir konsentrert inne i spolen og ikke i substratet, noe som hever resonansfrekvensen og bedrer Q-verdien. For å minske den kapasitive koplingen for planare spoler kan substratet under spolen etses bort. Dette reduserer de parasittiske effektene og hever resonansfrekvensen. Også Q- verdien blir merkbart forbedret med denne metoden. En fjerde metode for å bedre Q- verdien er å utnytte selvmontasje ved lodding (se artikkel 1). Ved denne metoden heves spolen over substratet slik at det blir etablert et område av gass eller vakuum i nærområdet til spolen. Dette høyner resonansfrekvensen og bedrer Q-verdien på tilsvarende måte som ved etsing av substratet. løpet av de siste år er det publisert arbeider som viser at det også er mulig å framstille justerbare RF MEMS spoler. Slike spoler kan grovt sett deles inn i tre grupper. Den første består av faste spoler hvor det er omgivelsenes effektive magnetiserbarhet (permeabilitet) som justeres. Dette gjøres enten ved å forskyve en kjerne fram og tilbake inne i magnetfeltet eller ved å variere et eksternt magnetisk felt. Den andre gruppen justerbare spoler består av spoler hvor de geometriske dimensjonene kan varieres. Her kan man utnytte både elektrostatiske krefter og varmeeffekter. Den siste gruppen består av seksjoner med spoler som kan koples ut og inn ved hjelp av RF MEMS svitsjer. Transmisjonslinjer For å redusere tapene langs transmisjonslinjene benyttes ofte ulike metoder for å fjerne deler av substratet eller midlertidige lag under signallinjene, på lignende måte som for spoler. Dette kan gjøres på mange måter. En vanlig anvendt metode er å plassere signallinjen, enten mikrostripe eller koplanar, på en tynn membran. Nærområdet til membranen framstilles da på en slik måte at feltlinjene blir konsentrert i inert gass eventuelt vakuum. Dette reduserer tapene. For videre studier: [1] V. K. Varadan, K. Vinoy, K. Jose: «RF MEMS and their Applications», SBN 0-470-84308-X, J. Wiley & Sons, 2003. [2] G. M. Rebeiz: «RF MEMS Theory, Design, and Technology», SBN 0-471-20169-3, J. Wiley & Sons, 2003. [3]. Bahl, P. Bhartia: «Microwave Solid State Circuit Design», SBN 0-471-20755-1, J. Wiley & Sons, 2003. ELEKTRONKK 1 2005 35