مترجم: حبیب الله علیخانی
منبع:راسخون




 
واژه ی سیستم های میكروالكترومكانیكی با فركانس رادیویی (FR MEMs) به اجزای الكترونیكی اطلاق می شود كه با حركت كردن یك بخش میلی متری، عملكرد RF پدید می آید. عملكرد RF با استفاده از تكنیك های مختلف RF می تواند اجام شود. علاوه بر تكنولوژی RF MEMS، نیمه رساناهای تولید شده از تركیبات گروه III-V (مانند GaAs، GaN، InP و InSb) فریت ها، فروالكتریك ها، نیمه رسانای بر پایه ی سیلیكون (RF CMOS، SiC و SiGe) و تكنولوژی تیوب تحت خلأ برای طراحان RF موجود می باشد. هر تكنولوژی RF ، هزینه های اندك، فركانس مناسب، عمر مفید، شكل نویز، بسته بندی، میزان مصرف توان، قابلیت اطمینان، مناسبی را فراهم می آورد.

اجزا

انواع مختلفی از RF MEMS وجود دارد: تشدیدگرهای RF MEMS مجتمع CMOS و نوسانگرهای خود یدكی (self-sustained) با فاكتور شكل و نویز فازی كوچك، القاگرهای RF MEMS قابل تنظیم، سوئیچ های RF MEMS، خازن ها و وراكتورهای با سوئیچ RF MEMS.
سوئیچ های RF MEMS، خازن ها و وراكتورهای با سوئیچ RF MEMS
اجزای مورد بحث در این مقاله بر اساس سوئیچ های RF MEMS، خازن ها و وراكتورهای با سوئیچ RF MEMS ساخته شده اند. این اجزا می تواند به جای سوئیچ های FET و HEMT و دیودهای PIN، مورد استفاده قرار گیرند (ترانزیستورهای FET و HEMT پیكربندی های درگاهی متداول هستند). سوئیچ های RF MEMS ، خازن های و وراكتورهای سوئیچ دار، بسته به روش تحریك (تحریك الكترواستاتیك، الكتروترمال، مگنتواستاتیك، پیزواستاتیك)، محور شكست (افقی یا عمودی)، پیكربندی مدار (سری یا شنت)، با پیكربندی گیره (كانتیلیور، میله ی ثابت-ثابت) یا سطح مشترك تماس (خازنی، اهمی)، طبقه بندی می شوند. اجزای RF MEMS تحریك شده با روش الكترواستاتیكی دارای اتلاف درج پایینی (low insetion) دارد و ایزولاسیون آن بالاست. همچنین این اجزا دارای خطی بودن، فاكتور Q و مصرف توان مناسبی است و توان زیادی مصرف نمی كنند اما این اجزا نیازمند ولتاژ كنترل بالا و بسته بندی هماتیك تك چیپه یا بسته بندی ویفری است.
سوئیچ های RF MEMS اولین بار بوسیله ی آزمایشگاه تحقیقاتی IBM، آزمایشگاه تحقیقاتی Hughes و برخی از آزمایشگاه های تحقیقاتی، ساخته شده است. یك سوئچ RF MEMS با میله ی ثابت-ثابت در شكل 1a نشان داده شده است، یك خازن میكرویی است كه الكترود بالایی آن متحرك است. این الكترود میله نامیده می شود. عموما این بخش به حالت شنت به خط انتقال متصل شده است. این بخش در باندهای X و w ( 77GHZ و 94GHZ) RF MEMS استفاده می شود. یك سوئیچ RF MEMS كانتیلیور اهمی در شكل 1b نشان داده شده است. این قطعه در حالت بالا، یك خازن است اما درحالت پایین، عملكرد اهمی دارد. این قطعه عموما در حالت سری به خط انتقال وصل می شود و به آن برق DC وصل می شود.
از جنبه ی الكترومكانیكی، رفتار اجزا شبیه یك سیستم فنر و وزنه است كه بوسیله ی نیروی الكترواستاتیك تحریك می شود. ثابت فنر تابعی از ابعاد میله، مدول یانگ، تنش باقیمانده و نسبت پواسون میله ی مورد استفاده، است. نیروی الكترواستاتیك تابعی از ولتاژ بایاس و ظرفیت می باشد. با دانستن ثابت فنر، امكان محاسبه ی دستی ولتاژ بازداشتن (pull-in) را به ما می دهد. این ولتاژ، ولتاژ بایاس مورد نیاز برای متوقف كردن میله ضروری است. این در حالی است كه با داشتن ثابت فنر و جرم متصل به آن، امكان محاسبه ی دستی زمان سوئیچینگ، وجود دارد.
از جنبه ی RF، رفتاراجزا مشابه رفتار یك مدار RLC سری با میزان مقاومت و ضریب القای ناچیز است. حالت های بالا و پایین خازنی در حد 50 fF و 1.2 pF است كه مقادیر اصلی برای طراحی مدار با موج میلیمتری است. این سوئیچ ها معمولا دارای نسبت خازنی 30 یا بالاتر هستند در حالی كه خازن ها یا وراكتورهای سوئیچی، دارای نسبت خازنی برابر با 2/1 تا 10 می باشند. فاكتور Q اعمال شده در باند X، Ku و Ka بین 20 تا 50 است.
خازن های با سوئیچ RF MEMS، خازن هایی هستند كه دارای میله ی ثابت- ثابت هستند كه با نسبت خازنی پایین، سوئیچ می كند. وراكتورهای RF MEMS، دارای میله ی ثابت- ثابت خازنی هستند كه ولتاژ بایاس اعمال شده به آنها زیر ولتاژ بازداشت است. سایر مثال ها از سوئیچ های RF MEMS ، سوئیچ های با میله ای ثابت- ثابت اهمی و سوئیچ های تابشی با N قطب منفرد خازنی است كه بر پایه ی موتورهای لنگ محوری كار می كنند.

بایاس

اجزای RF MEMS به صورت الكترواستاتیك بایاس می شوند. این كار با استفاده از ولتاژ درایو NRZ دو قطبی انجام می شود (شكل 2). برای جلوگیری از باردارشدن دی الكتریك و افزایش عمر مفید وسیله، بار دی الكتریك یك نیروی الكترواستاتیك بر میله وارد می كند. استفاده از ولتاژ درایو NRZ دو قطبی به جای ولتاژ درایو DC، از باردار شدن دی الكتریك جلوگیری می شود در حالی كه نیروی الكترواستاتیك اعمال شده بر روی میله، حفظ می گردد زیرا نیروی الكترواستاتیك به طور درجه ی دوم، با ولتاژ درایو DC، تغییر می كند. بایاس الكترواستاتیك اعمال شده، هیچ جریانی ایجاد نمی كند و اجازه می دهد خطوط بایاس با مقاومت بالا به جای چوك RF استفاده شود.

بسته بندی

اجزای RF MEMS ترد هستند و سطوح ویفری باید به خوبی بسته بندی شوند و به خوب اب بندی شود. یك حفره نیازمند است تا اجازه دهد این قطعه حركت كند، در حالی كه باید به نحو خوبی آب بندی شود تا از خنثی شدن نیروی فنر بوسیله ی قطرات آب یا آلودگی های ایجاد شده بر روی میله، جلوگیری شود. سوئیچ های RF MEMS، خازن ها و وراكتورهای داراس سوئیچ می تواند با استفاده از ویفرها بسته بندی شوند. الیاف RF MEMS مونولیتیك بزرگ، فیلترهای RF MEMS، شیفترهای فازی و شبكه های ایجاد تطابق قابل تنظیم، نیازمند بسته بندی های تك چیپی است.
بسته بندی های در سطح ویفر، قبل از ویفر نزدیك تر، قرار گرفته اند (شكل ویفر نزدیك تر، قرار گرفته اند (شكل 3a) و از فلزات یوتكتیكی آندی، فریت های شیشه ای، چسب های پلیمری و اتصال های ویفری نفوذی- سیلیكونی، تشكیل شده اند. انتخاب یك روش بسته بندی درسطح ویفر، بر اساس تعادل ضرایب انبساط حرارتی لایه های مواد، انجام می شود تا با انتخاب صحیح مواد، از ایجاد تنش های باقیمانده، جلوگیری شود. مسئله ی مهم در این بسته بندی ها، انداه ی آنها، دمای فرایندی، مقاومت به در برابر خطاهای انطباق و زبری سطحی است. روش های بسته بندی در سطح ویفر، بر اساس تكنیك های ایجاد اتصال میان لایه های رسانای واسط، پایه گذاری شده اند كه پهنای باند و ایزولاسیون جزء RF MEMS را محدود می كنند. متداول ترین روش بسته بندی در سطح ویفر، بر اساس اتصال ویفرهای فریت- شیشه ای، پایه گذاری شده اند. تكنیك های بسته بندی در سطح ویفر، با ایجاد اتصالات داخلی عمودی بوجود می آیند و با استفاده از آنها فرصت برای تجمیع سه بعدی فراهم می آید.
بسته بندی های تك چیپه، همانگونه كه در شكل 3b مشاهده می شود، بعد از برید شدن ویفر، انجام می شود. این كار با استفاده از سرامیك های پیش ساخته یا بسته بندی های آلی (مانند بسته بندی های LCP تولید شده با روش قالب گیری تزریقی یا بسته بندی های LTCC) انجام می شود. بسته بندی های پیش ساخته، نیازمند عایق بندی مناسب حفرات از طریق روش های متراكم سازی، پوشش كاری، لحیم كاری یا جوشكاری، هستند. مسئله ی تعیین كننده در تكنیك های بسته بندی تك چیپه، اندازه ی چیپ و دمای فرایندی آنهاست.
فرایند ساخت یك RF MEMS بر اساس تكنیك های ماشین كاری میكرویی پایه گذاری شده اند و به ما اجازه می دهند تا مقاومت های تولید شده از لایه های نازك SiCr، یا TaN (TFR)، خازن های فلز- هوا- فلز (MAM)، خازن های فلز- عایق- فلز (MIM) و اجزای RF MEMS را با هم مجتمع كنیم.
این فرایند تولید RF MEMS ها می تواند بر روی ویفرهای مختلفی انجام شود. مثلا بر روی ویفرهای تركیبات نیمه رسانای گروه III-V، كوارتز، LCP، یاقوت كبود، ویفرهای سیلیكونی پسیو شده و ... این كار قابل انجام است. همانگونه كه در شكل 4 نشان داده شده است، اجزای می توانند در اتاق های تمیز دارای كلاس 100 و با استفاده از مراحل 6 تا 8 لیتوگرافی نوری، تولید شوند. این در حالی است كه فرایند تولید RFIC یا MMIC ها نیازمند مراحل 3 تا 25 لیتوگرافی نوری است.
همانگونه كه در شكل 4 نشان داده شده است، مراحل مورد نیاز برای ساخت میكرویی عبارتند از:
رسوب دهی خطوط بایاس (شكل 4، مرحله ی 1)
رسوب دهی لایه ی الكترودها (شكل 4 مرحله ی 2)
رسوب دهی لایه ی دی الكتریك (شكل 4 مرحله ی 3)
رسوب دهی بخش ایجاد كننده ی فاصله (شكل 4 مرحله ی 5)
ایجاد الگوی میله، آزاد سازی و خشك كردن نقطه ی بحرانی (شكل 4 مرحله ی 6).
به استثنای جداسازی بخش ایجاد كننده ی فاصله كه نیازمند خشك كردن نقطه ی بحرانی است، مراحل تولید مشابه تولید CMOS است. فرایندهای تولید RF MEMS مشابه فرایند تولید MMIC ها و فرولكتریك های PZT یا BST نیست و نیازمند لیتوگرافی با استفاده از باریكه ی الكترونی، MBE یا MOCVD نیست.

قابلیت اطمینان

تخریب سطح مشترك تماس یكی از موضوعات مهم درقابلیت اطمینان به سوئیچ های RF MEMS كانتیلیوری اهمی است، در حالی كه در مورد سوئیچ های RF MEMS خازنی دارای میله ی ثابت- ثابت، باردار شدن دی الكتریك محل اتصال میله (شكل 5a)، رطوبت وارد شده به داخل محل اتصال میله (شكل 5b) از جمله مشكلات مطرح شده در بحث قابلیت اطمینان است. در واقع چسبندگی موجب می شود تا قابلیت حركات آسان میله بواسطه ی ولتاژ اعمال شده، كاهش یابد. یك فشار تماسی بالا این اطمینان را حاصل می كند كه تماس اهم اندكی وجود دارد. سوئیچ های RF MEMS خازنی دارای میله ی ثابت- ثابت و سوئیچ های RF MEMS كانتیلیور اهمی موجود در بازار دارای عمر مفیدی بیش از 100میلیارد سیكل (در توان های ورودی 100 mW) هستند. موضوعات مطرح شده در زمینه ی قابلیت اطمینان به این سوئیچ ها، به اعمال ولتاژهای بالا به این بخش ها مربوط می شود.

كاربردها

تشدیدگرهای RF MEMS در فیلترها و اسیلاتورهای مرجع، مورد استفاده قرار می گیرند. سوئیچ های RF MEMS، خازن ها و وراكتورهای سوئیچی نیز در آرایه های روبش كننده ی الكترونیكی (شیفترهای فازی) و رادیوهای با نرم افزار تعریف شده (آنتن های با قابلیت كانفیگ مجدد، فیلترهای قابل تنظیم میان گذر) كاربرد دارند.

آنتن ها

قابلیت پیكربندی مجدد الگوهای پلاریزاسیونی و تابشی و قابلیت تنظیم فركانس، معمولا با استفاده از اجزای نیمه رسانای تولیدی از عناصر گروه های III-V ، مانند سوئیچ های SPST یا دیودهای وراكتور، قابل حصول است. به هر حال، این اجزا می توانند به سهولت با سوئیچ های RF MEMS و وراكتورهای جایگزین شوند. مزیت استفاده از این بخشها، اتلاف كمتر و فاكتور Q بالا می باشد. علاوه بر این، اجزای RF MEMS می تواند به صورت مونولیتیك بر روی زیرلایه های دی الكتریكی با اتلاف كم (مانند شیشه های بروسیلیكاتی، فیوزد سیلیكا، یا (LCP، ایجاد شوند، در حالی كه نیمه رساناهای گروه III-V و زیرلایه های سیلیونی پسیو شده، عموما دارای اتلاف بیشتری هستند و ثابت دی الكتریك بالاتری دارند. میزان تانژانت و دی الكتریك پایین، از جمله موارد ضروری برای افزایش بازده و پهنای باند آنتن است.
اولین كارها در این زمینه، منجر به تولید آنتن های فراكتالی با قابلیت تنظیم فركانس با استفاد از RF MEMS است كه در گستره ی فركانس 1/0 تا 6 گیگا هرتز كار می كنند. دراین بخش ها،‌ سوئیچ های RF MEMS بر روی آنتن های سلف مانند Sierpinski gasket تجمیع یافته اند و با این كار، فركانس های رزونانس آنتن افزایش یافته است. این فركانس در گستره ی 14 GHZ تا 25 GHz بوده است. آنتن فنری RF MEMS با قابلیت پیكربندی (دارای فركانس 6 تا 10 GHz و دارای فركانس بین 6 تا 7GHz) بر اساس سوئیچ های مدل Packaged Radant MEMs SPST-RMSW 100 ساخته می شوند. گوشی تلفن samsung Omina W اولین گوشی هوشمندی است كه از آنتن های RF MEMS استفاده كرده است.

فیلترها

فیلترهای پالاینده، می تواند برای افزایش میزان عدم پذیرش فركانس های خارج از باند، مورد استفاده قرار گیرند. بروز این مسئله در آنتن های موجب كاهش انتخاب پذیری مناسب می شود. عدم پذیرش فركانس های خارج از باند (out-of –band rejection) گستره ی دینامیك مورد نیاز برای LNA را تسهیل می كند و همچنین مخلوط شدن نور سطح مشترك را نیز آسان می كند. فیلترهای پالاینده ی RF آف چیپ بر اساس موج های اكوستیك بالك (BAW) و كریستال های سرامیكی، SAW و كوارتزی، كار می كنند.
فیلترهای پالاینده ی RF قابل تنظیم، دارای اندازه ای به نسبت كوچك نسبت به بانك های فیلتری پالاینده سوئیچی RFهستند. آنها می توانند با استفاده از وراكتورهای تولیدی از نیمه رساناهای گروه های III-V، فروالكتریك های BST یا PZT ، رزوناتورها و سوئیچ های RF MEMS ، خازن های و وراكتورهای سوئیچی و فیلترهای پالاینده ی با فركانس پایین، ساخته شوند. فاكتور Q ی تشدیدگرهای RF MEMS در حد 100 تا 1000 برابر سوئیچ های RF MEMS، خازن های سوئیجی و وراكتور است. از این رو، این اجزا توانایی طراحی فیلترهای قابل تنظیم را به ما می دهد. و همچنین به طراح اجازه ی سبك و سنگین كردن در مورد اتلاف، خطی بودن، میزان مصرف انرژی، اندازه و زمان سوئیچ را می دهد.

شیفترهای فازی

آرایه های فرعی پسیو كه بر اساس شیفترهای فازی RF MEMS ساخته می شوند، ممكن است برای كم كردن مقدار مدول T/R در آرایه های روبشی الكترونیكی فعال، مورد استفاده قرار گیرد. این بیان با یك مثال در شكل 6 نشان داده شده است. فرض كنید یك آرایه ی فرعی پسیو یك از هشت، برای انتقال و دریافت مورد استفاده قرار گیرد (با ویژگی های ، BW=2GHz، ، f=38GHz). اتلاف پایین (75/6 ps/dB) و توان مورد استفاده ی مناسب (500 mW) شیفترهای فازی تولید شده بر پایه ی RF MEMS ، اجازه می دهند تا EIRP برابر با 40 W و نسبت برابر با 0.036 1/K پدید آید. EIRP همچنین به عنوان یك محصول از توان- دیافراگمی است كه محصولی از بازده انتقال ()است و توان انتقال() خارج قسمت بازده دریافتی و دمای نویز آنتن است. میزان EIRP و بالا، پیشنیاز تشخیص دراز مدت می باشد. EIRP و تابعی از تعداد المان های آنتن در هر زیرآرایه و زاویه ی روبش ماكزیمم است. تعداد المان های آنتن در هر زیر آرایه باید به گونه ای انتخاب شود كه EIRP یا محصول ، بهینه باشد (شكل 7 و 8). معادله ی گستره ی راداری می تواند برای محاسبه ی ماكزیمم گستره ای كه در آن اهداف می توانند با استفاده از 10 dB از SNR در ورودی دریافت كننده، تشخیص داده شوند.

كه در اینجا، ثابت بولتزمن، λ طول موج فاصله ی آزاد، و σ برابر RCS هدف است. مقادیر این گستره در جدول 1 برای اهداف زیر اورده شده است: یك كره با شعاع 10 سانتیمتر، یك بازتابنده ی دو سطحی با اندازه ی سطح 10 سانتیمتر و یك جت جنگنده .
شیفترهای RF MEMS قابلیت استفاده در آرایه های روبش كننده ی الكترونیكی پسیو و با زاویه ی پهن مانند آرایه های لنز، آرایه های انعكاسی، آرایه های فرعی و شبكه های شكل دهنده ی باریكه ها با EIRP و G_r/Tبالا را دارا می باشند. استفاده های اولیه از آرایه های روبشی الكترونیكی در حالت پسیو، عبارتند از آرایه های پهنای X پیوسته (CTS) ایجاد شده بوسیله ی منابع خطی سنتز شده با استفاده از شیفترهای فازی RF MEMS ( ساخته شده با سوئیچ های RF MEMS كانتیلیور اهمی، یك آرایه از لنزهای دو بعدی باند X و سوئیچ های RF MEMS كانتیلیور اهمی 25000 و یك شبكه ی فرم دهنده ی با باند W می باشد.
استفاده از شیفترهای فازی TTD (تأخیر زمان واقعی) به جای استفاده از شیفترهای فازی تولید شده از RF MEMS رادار UWB اجازه می دهد تا شكل موجی با رزولیشن بالا ایجاد كند و از كج شدن باریكه یا روبش فركانس، جلوگیری كند. شیفترهای فازی TTD با استفاده از قانون خطی سوئیچینگ یا قانون خط بار توزیع شده، طراحی می شوند. شیفترهای فازی TTD كه با استفاده از قانون خطی سوئیچینگ، تولید شده اند، از لحاظ زمان تأخیر نسبت به NF دسیبل، نسبت به شیفترهای فازی TTD كه با استفاده از قانون خط بار توزیع شده تولید شده اند، بهتر عمل می كنند. این مسئله مخصوصا در فركانس های بالاتر از باند X رخ می دهد. اما این شیفترها ذاتا دیجیتالند و نیازمند سوئیچ های SPNT با رزولیشن بالا می باشند. به هر حال، شیفترهای فازی TTD كه با استفاده از قانون خط بار توزیع شده تولید شده اند، می توانند به صورت دیجیتال و آنالوگ كار كنند و فاكتورهای شكلی كوچكتری دارند كه این مسئله در سطح آرایه های فرعی، مهم می باشد. شیفترهای فازی آنالوگ از طریق خط بایاس منفرد، بایاس می شوند در حالی كه شیفترهای فازی دیجیتال چند بیتی، نیازمند باس موازی با رویه های مسیریابی پیچیده در سطح آرایه ی فرعی، هستند.

/ج