تكنولوژی سوئیچ های RF MEMS

چكیده

این مقاله آخرین پیشرفت ها در زمینه ی سوئیچ های RF MEMS را ارائه كرده است و همچنین كاربردهای بالقوه ی این سوئیچ ها در سیستم های تجاری و دفاعی را مورد بررسی قرار داده است. این به نظر می رسد كه وسایل دارای RF MEMS كارایی قابل توجهی را در زمینه ی فركانس های میكروویو فراهم می آورند اما مسائل مربوط به قابلیت اطمینان و هزینه های بالای بسته بندی، از جمله مسائل محدود كننده ی استفاده از این وسایل است. با وجود این مسائل، این تكنولوژی نسبت به وسایل سوئیچینگ سیلیكونی و GaAs دارای مزیت است . از این رو، این تكنولوژی در آینده، كاربردهای زیادی در ماهواره ها، و كاربردهای پایگاهی و دفاعی دارد (مخصوصا در فركانس های میكروویو).

طرفداران و مخالفان سوئیچ های RF MEMS

سوئیچ های MEMS میكروماشین های سطحی هستند كه از حركت مكانیكی برای ایجاد یك مدار كوتاه یا مدار باز در خط انتقال RF استفاده می كنند (شكل 1). سوئیچ های RF MEMS سوئیچ های میكرومكانیكی ویژه ای هستند كه برای كار در فركانس های RF تا فركانس های موج در حد میلی متر( 1/0 تا 100 GHz)، ساخته شده اند. مزیت های سوئیچ های MEMS نسبت به دیودهای PIN یا سوئیچ های FET عبارتند از:
مصرف بسیار اندك برق: تحریك الكترواستاتیك این وسایل نیازمند ولتاژی در گستره ی 30 تا 80 ولت است اما این بخش ها جریانی ایجاد نمی كنند. این مسئله منجربه استفاده ی اندك این وسایل از انرژی برق است. به عبارت دیگر، سوئیچ های مغناطیسی یا گرمایی جریان قابل توجهی را مصرف می كنند، مگر آنكه به گونه ای ساخته شوند كه با اعمال یك نیروی اندك به حالت پایین تبدیل شوند.
ایزولاسیون بسیار بالا: سوئیچ های RF MEMS با اتصال الكتریكی فلزی، با استفاده از فواصل هوایی ساخته می شوند و بنابراین، دارای خازن های حالت خاموش پایینی هستند (2-4 fF). این مسئله موجب می شود تا ایزولاسیون استثنایی در فركانس های 1/0 تا 60 GHz ایجاد شود. همچنین سوئیچ های خازنی با نسبت خازنی 60-160، ایزولاسیون خوبی را در گستره ی 8 تا 100 GHz ایجاد می كند.
میزان اتلاف بسیار اندك: سوئیچ های RF MEMS با اتصال فلزی و سوئیچ های خازنی تا فركانس 100 GHz، دارای اتلاف 1/0 دسی بل است.

خطی بودن و محصولات مدولاسیون داخلی

سوئیچ های MEMS وسایل با میزان خطی بودن بالایی هستند و بنابراین، محصولات مدولاسیون داخلی آنها در هنگام عملیات های سوئیچینگ و تنظیم كننده، بسیار اندك است. كارایی آنها كه بین 30-50 dB است، بهتر از سوئیچ های PIN و FET است.
پتانسیل مناسب برای كاهش قیمت:‌ سوئیچ های RF MEMS با استفاده از روش های میكرومكانیكی ساخته می شوند و می توان آنها را از كوارتز، پیركس، LTCC، سیلیكون با مقاومت بالا یا زیرلایه های GaAs ساخت.
سوئیچ های RF MEMS همچنین دارای مسائل مربوط به خود هستند. این مسائل عبارتند از:
سرعت های نسبتا پایین:‌ سرعت سوئیچینگ بیشتر سوئیچ های الكترواستاتیك تولید شده از MEMS ها ، برابر با 2 تا 40 میكروثانیه است. این در حالی است كه این عدد برای سوئیچ های گرمایی یا مغناطیسی برابر با 200-3,000 میكروثانیه است. سیستم های راداری و ارتباطی خاص، نیازمند سوئیچ های سریع تری هستند.
وسایل با ولتاژ یا جریان بالا: سوئیچ های MEMS الكترواستاتیك نیازمند ولتاژهایی در حد 30 تا 80 ولت هستند بنابراین، این وسایل در هنگامی كه در سیستم های ارتباطاتی قابل حمل مورد استفاده قرار می گیرند، نیازمند یك چیپ تبدیل ولتاژ هستند. سوئیچ های گرمایی و مغناطیسی می توانند با استفاده از یك ولتاژ بین 2 تا 5 ولت، بكار انداخته شوند اما نیازمند جریان 10 تا 100 میلی آمپر هستند.
توان مورد استفاده: بیشتر سوئیچ های MEMS نمی توانند در توان های بیشتر از 200 mW استفاده شوند، اگرچه برخی از سوئیچ های دارای توان بالاتر (تا 500 mW) هستند. سوئیچ های MEMS كه دارای توان 1-10 میلی وات و قابلیت اطمینان بالا باشند، امروزه وجود ندارند.
قابلیت اطمینان: قابلیت اطمینان سوئیچ های MEMS تقریبا 1/0 تا 40 میلیارد سیكل است. به هر حال، بسیاری از سیستم ها نیازمند سوئیچ هایی هستند كه دارای 20 تا 200 میلیارد سیكل باشند. همچنین قابلیت اطمینان طولانی مدت (سال) هنوز هم حاصل نشده است. این مسئله هم اكنون فهمیده شده است كه سوئیچ های خازنی (شکل 2) با بدار شدن دی الكتریك محدود می شوند. این در حالی است كه سوئیچ های با اتصال های فلزی به خاطر مشكلات ایجاد شده در سطح مشترك بین فلزات، مشكل پیدا می كنند (این مشكل تحت نیروهای تماسی پایین، بیشتر نمود دارد.
این مسئله مهم است كه بدانید، قابلیت اطمینان و مسائل ایجاد شده در زمینه ی بسته بندی، فاكتورهای محدود كننده برای توسعه ی سوئیچ های RF MEMS است. هم اكنون نیز این مسائل با سرمایه گذاری های هنگفت در حال بررسی و تحقیق می باشند. DARPA دو برنامه در سال های 2002 و 2003 برای بررسی و آدرس دهی این مشكلات، انجام داده است. این پروژه ها، برنامه بهبود RF MEMS و برنامه ی HERMIT نامیده می شوند. این انتظار وجود دارد كه برخی از این مشكلات در چند سال اخیر قابل حل باشند.
بسته بندی: سوئیچ های MEMS نیاز دارند تا در اتمسفر خنثی (اتمسفر آرگون، نیتروژن یا ... ) و با میزان رطوبت اندك بسته بندی شوند. با این كار، آب بندی مناسب در این قطعات انجام می شود. هزینه ی این بسته بندی ها، هم اكنون به نسبت بالاست و روش های بسته بندی نیز به خودی خود ممكن است دارای اثر معكوس بر روی سوئیچ MEMS داشته باشند. مونتاژكاری درمقیاس میكرو (شكل 3)، و وسایل آنالوگ، دارای اثرات استثنایی در زمینه ی بسته بندی سوئیچ های RF MEMS هستند. بسته بندی با استفاده از مونتاژكاری درمقیاس میكرو، بر اساس پرس طلا به طلا در دمای 250 درجه ی سانتیگراد، پایه گذاری شده است در حالی كه بسته بندی وسایل آنالوگ بر اساس آب بندی شیشه به شیشه و در دمای 450 درجه ی سانتیگراد انجام می شود. سایر شركت هایی كه در زمینه ی بسته بندی سوئیچ ها فعالیت دارند، عبارتند از Teravicta و Omron.
هزینه : در حالی كه سوئیچ های MEMS دارای پتانسیل كاهش هزینه ی ساخت هستند، باید به هزینه های تولید آنها، هزینه ی بسته بندی و استفاده از چیپ های درایو با ولتاژ بالا را نیز اضافه كرد. بنابراین، رویارویی و رقابت این سوئیچ ها با سوئیچ های ساخته شده با روش های دیگر، بسیار سخت است. و به همین دلیل است كه پروفسور Rebeiz اعتقاد دارد كه سوئیچ های RF MEMS اولین بار در صنایع دفاعی و كاربردهای تجاری با ارزش بالا و گوشی های تلفن، كاربرد خواهند یافت.

بحث مفصل در زمینه ی سوئیچ های MEMS

مكانیزم های تحریك: نیروهای تحریك كننده كه برای ایجاد حركت مكانیكی مورد نیاز است، می تواند با استفاده از طراحی های االكترواستاتیك، مگنتواستاتیك، پیزوالكتریك یا گرمایی، بدست آید. امروزه، تنها سوئیچ های نوع الكترواستاتیك كه در فركانس های 1/0 تا 100 GHz كار می كنند، دارای قابلیت اطمینان بالایی در برق RF هستند. در واقع این ابزارها قابلیت تحمل سیكل هایی تا 50 میلیارد را دارا می باشند. این تعداد سیكل به روش تولید بستگی دارد. سایر سوئیچ هایی كه كارایی بالا ارائه می كنند، سوئیچ های Microlab Latching با برانگیزش مغناطیسی و سوئیچ های گرمایی است كه به طور مجزا در كالیفرنیا تولید شده اند.
زمان سوئیچینگ:: سوئیچ های الكترواستاتیك می توانند با اندازه ی كوچك، تولید شوند و زمان سوئیچ آنها نیز سریع (2 تا 30 میكروثانیه) است در حالی كه سوئیچ های برانگیخته شده به صورت گرمایی یا مغناطیسی، نیازمند زمانی در حد 100الی 2000 میكروثانیه می باشند. یك سوئیچ با اتصال فلزی بوسیله ی LETI تولید شده است كه از برانگیزش گرمایی استفاده می كند اما توقف آن به صورت الكترواستاتیك است، بنابراین، این وسیله نیازمند انرژی سوئیچ بسیار اندك است و توان مورد استفاده بوسیله ی آن نیز تقریبا صفر است. به هر حال زمان سوئیچ آن بسیار آهسته است (300 میكروثانیه). سوئیچ های LETI برای بیش از 100 میلیارد سیكل، مورد بررسی قرار گرفته است.
نوع اتصال: دو نوع اتصال مختلف در سوئیچ های RF MEMS وجود دارد، یك اتصال خازنی و یك اتصال فلز به فلز (یا DC ). اتصال خازنی با نسبت خازنی میان حالت بالا (مدار باز) و حالت پایین (مداربسته)، تشخیص و شناسایی می شوند و این نسبت معمولا بین 80 تا 160 است (بسته به طراحی). خازن حالت پایین، معمولا خازنی 2- 3 پیكوفارادی است و برای كاربردهای با فركانس 8-100 GHz مناسب هستند. عموما، امكان تولید خازن های حالت پایین با استفاده از لایه های اكسیدی یا نیتریدی مشكل است و این عملكرد فركانس پایین وسیله را تحت تأثیر قرار می دهد. به عبارت دیگر، سوئیچ های با اتصال DC كه دارای خازن حالت بالای كوچكی هستند، در فركانس های بین 01/0 تا 40 GHz كار می كنند و در برخی موارد، تا فركانس 60 GHz نیز كار می كنند. در حالت پایین (مدار كوتاه)، سوئیچ با تماس DC یك مقاومت سری با مقاومتی برابر با 5/0 تا 2 اهم تبدیل می شود (بسته به اتصال مورد استفاده).
پیكربندی های جریان و زیرلایه: مشابه همه ی وسایل دارای دو ترمینال، سوئیچ ها می توانند به صورت سری یا به صورت شنتی به خط انتقال وصل شود. به طور نمونه وار، سوئیچ های خازنی به صورت پیكربندی شنتی متصل می شوند در حالی كه سوئیچ های با اتصال DC در حالت سری قرار می گیرند. دلیل این مسئله این است كه ایزولاسیون خوب با استفاده از نسبت امپدانس محدود شده در مدارهای شنتی نسبت به مدارهای سری، آسانتر بدست می آید، همچنین سوئیچ های MEMS قادر است تا هم بر روی خطوط میكرواسكریپت و هم خطوط CPW زیرلایه های شیشه ای، سیلیكونی و GaAs ی به كار گرفته شود و در این پیكربندی ها تا فركانس 100 GHz قابل استفاده می باشد. برای كاربردهای با اتلاف پایین در فركانس های میكروویو، این مهم است كه از زیرلایه های با مقاومت بالا استفاده كنیم.

مدارهای با سوئیچ های RF MEMS

پاسخ الكتریكی تقریبا ایده آل سوئیچ های RF MEMS به بسیاری از طراحان اجازه می دهد تا مدارهای با فركانس 1/0 تا 120 GHz ایجاد شود. در 4 سال گذشته، این كاربردها بر روی جایگزینی شیفترهای فازی GaAs تمركز دارد. این شیفترهای فازی از آرایه های فازی دارای هزاران واحد، تشكیل شده است. یك مقایسه میان شیفترهای فازی GaAs و شیفترهای فازی MEMS در جدول 1 نشان داده شده است. این نشان داده شده است كه سوئیچ های MEMS دارای مزیت های كاربردی بهتری در كاربردهای باند Ka و باند W هستند.
شكل 4 یك شیفتر فازی RF MEMS را نشان می دهد كه در دانشگاه میشیگان، تولید شده اند. این شیفتر بر اساس سوئیچ های با اتصال فلزی ساخته شده اند و نشان دهنده ی كوچك سازی یك واحد CLC است. شیفترهای فازی در فركانس 10 GHz (با خطای 3 درجه) دارای ایجاد اتلاف متوسطی برابر با 4/1 دسی بل هستند و این مقدار در فركانس 6-16 GHz و در پورت های ورودی و خروجی، به 13- دسی بل می رسد.
امروزه این شیفترهای فازی به دلیل استفاده از RF MEMS كوچك تر شده اند و پاسخ آنها نیز استثنایی است. شكل 5 یك فیلتر قابل تنظیم 5 قطبی (فركانسی بین 885 تا 986 MHz) را نشان می دهد كه با استفاده از خازن های MEMS تولید شده است.
در این مورد، شركت Raytheon Systems این سوئیچ های خازنی را با استفاده از اتصال خازن های ثابت فلز- عایق- فلز، ایجاد كرده اند. این فیلتر از 18 سوئیچ استفاده می كند و باید گفت كه این مدار، مدار بسیار پیچیده ای است. پاسخ اندازه گیری شده در این سیستم تقریبا ایده آل است و قابلیت تنظیم فركانس نیز استثنایی است. این سیستم بسیار خطی است و اتلاف در آن در حد 6 dB است.
شكل 6 یك شیفتر فازی 3 بیتی باند W را نشان می دهد كه در دانشگاه میشیگان و با استفاده از سوئیچ های خازنی MEMS تولید شده است. این شیفتر دارای بالاترین فركانسی است كه تاكنون با استفاده از MEMS ها ساخته شده اند و دارای اتلافی درحد 7/2 تا 9/2 dB در فركانس 77-94 GHz است (خطای فازی مربوطه برابر با مثبت و منهای 3 درجه است). این نیتجه 8 dB بهتر از طراحی های انجام شده با GaAs است.
سایر مدارها كه به دلیل محدودیت نشان داده نشده اند، سوئیچ های SP4T با باند وسیع، سوئیچ های سری/ شنت با ایزولاسیون بالا، سوئیچ های با انتقال دو طرفه و یك گستره ی كلی در شیفترهای فازی (از 8 تا 120 GHz) است. همچنین فیلترهای قابل تنظیم دارای گستره ی فركانس بین 23 GHz تا 200 MHz ، بوسیله ی گروه های مختلفی توسعه یافته اند. عموما، مدارات دارای RF MEMS در بیشتر فركانس های RF و ارتباطی، نسبت به مدارات دارای دیود های PIN و FET های GaAs، بهتر كار می كنند.

آینده

اكنون این به خوبی واضح است كه ما سوئیچ های RF MEMS را به خوبی شناخته ایم (هم از نقطه نظر الكتریكی و هم مكانیكی). ما می توانیم مدارات پیچیده را با استفاده از سوئیچ های MEMS یا وراكتورها طراحی كنیم و ما می توانیم به دقت كارایی آنها را تا فركانس 120 GHz پیش بینی كنیم. آنها هنوز هم در زمینه ی تجاری و دفاعی مورد قبول واقع نشده اند. علت این مسئله نیاز به اعمال فرایندهای خاص برای بسته بندی و وجود قابلیت اطمینان متوسط به این قطعات است. هم اكنون تلاش وسیعی در زمینه ی حل مشكلات موجود در زمینه ی سوئیچ ها و وراكتورهای RF MEMS انجام شده است. از این رو، نویسنده عقیده دارد كه سوئیچ ها و وراكتورهای RF MEMS درآینده نقش مهمی در سیستم های دفاعی و تجاری ایفا می كنند.