Los condensadores variables son un elemento indispensable en la mayoría de las aplicaciones actuales de sistemas wireless, especialmente en osciladores controlados por tensión (VCO) y filtros sintonizables. También hay otras aplicaciones interesantes aunque no tan extendidas como las anteriores, como pueden ser circuitos desfasadotes o circuitos de adaptación de impedancias ajustables. La tendencia de los sistemas de comunicación actuales requiere cada vez más volumen de información transmitida con menor tiempo, haciendo necesarios VCOs con ruido de fase muy pequeño y filtros muy selectivos [1], [2]. En consecuencia, los condensadores variables que forman parte de estos circuitos requieren un factor de calidad (Q) elevado. Además, en sistemas wireless, uno de los mayores retos es la capacidad de miniaturización y, en consecuencia, de integración de la circuitería. Dispositivos como los elementos de sintonía de los VCOs, los de selección de canal o selección de banda con Q elevado presentan dificultades de integración ya que tanto los inductores como las uniones p-n con buen factor de calidad no son realizables en procesos estándares de polisilicio. Aquí reside el interés en el desarrollo de condensadores variables de Q elevado con tecnología MEMS y con posibilidad de integración on-chip. Los condensadores variables micromecanizados presentan dos ventajas principales respecto los varactores [3]. La primera es la ya mencionada posibilidad de integración on-chip manteniendo factor de calidad elevado – sobretodo si se hace con procesos íntegramente de metal–. La segunda es que presentan una excelente linealidad, ya que no responden a frecuencias por encima de la frecuencia de resonancia mecánica del dispositivo. Las principales desventajas son el margen de actuación reducido y la dificultad de encapsulado –problema común a todos los dispositivos MEMS–.El presente articulo expone una descripción de tres condensadores variables con tecnología MEMS representativos de los dispositivos que se han diseñado utilizando el proceso de micromecanizado de superfície PolyMUMPS™. En la sección II se describe el principio de actuación de los condensadores y la descripción del proceso tecnológico de fabricación. En la sección III se presenta un condensador de 0.6 pF. A partir de las ventajas e inconvenientes de este dispositivo, en las secciones IV y V se presentan dos condensadores que aportan alternativas y soluciones: un condensador con suspensión anti-stress y un condensador con margen de actuación ampliado.
DISEÑO DE LOS CONDENSADORES VARIABLES MEMS.
Principio de actuación
El mecanismo de actuación de los condensadores es electrostático. Aplicando una tensión entre dos placas paralelas o electrodos, el superior móvil y el inferior fijo, aparece una fuerza electrostática entre ambos que provoca el acercamiento y, en consecuencia, una variación de la capacidad. Esta fuerza electrostática es contrarrestada por la fuerza mecánica de las suspensiones de la placa móvil, que se opone al movimiento y que es modelada por la ley de Hooke. Cuando el gap ha disminuido una tercera parte del gap inicial la fuerza mecánica no podrá contrarrestar la electrostática produciendose un colapse de los dos electrodos –y por lo tanto un cortocircuito–. Esta situación ocurre cuando la tensión aplicada es la que se conoce como tensión de pull-in.
Proceso de fabricación.
Los condensadores han estado fabricados con el proceso de micromecanizado superficial PolyMUMPS™. Este proceso ofrece 3 capas de polisilicio (Poly0, Poly1,Poly2) y una capa de oro que se puede depositar encima de la capa Poly2. Entre las capas de polisilicio hay 2 capas sacrificiales de óxido.
La liberación de las estructuras móviles se hace mediante un atacado químico de HF de las capas sacrificiales, seguido de un secado supercrítico de CO2 . El proceso PolyMUMPS™ está pensado para ser un proceso de micromecanizado de propósito general, ofreciendo múltiples runs cada año y facilidad de acceso –esta es la razón principal de su utilización–, pero no está específicamente pensado para aplicaciones de RF. En consecuencia, tiene algunos aspectos que limitan el comportamiento de los dispositivos diseñados. Un primer aspecto es el sustrato, formado por silicio de baja resistividad, con una capa aislante de nitruro de silicio de 0.6 μm encima. Esta configuración limita la frecuencia de funcionamiento debido al acoplo capacitivo a través del sustrato. El segundo aspecto es la disponibilidad de una sola capa metálica. De esta forma sólo una de las placas del condensador será metálica, siendo este el mayor factor limitante del Q de los dispositivos diseñados.
CONDENSADOR VARIABLE DE 0.6 pF
En la figura 1 se puede observar la planta, perspectiva y sección vertical del condensador diseñado de 2 placas paralelas y de capacidad nominal 0.6 pF. El acceso es mediante pads elevados (con aire el central y con óxido los laterales), dispuestos de forma que permitan un acceso coplanar con un pitch de 150 μm. El condensador tiene unas dimensiones de 210 x 230 μm, y la placa móvil (formada por Poly2 y metal) está suspendida con suspensiones de tipo 'T', proporcionando una constante de elasticidad total de 85 N/m. El procedimiento básico de diseño de estos dispositivos empieza con la decisión del tamaño del área de los electrodos para conseguir la capacidad deseada; este paso se ha realizado mediante cálculo analítico y ajustado con ADS/Momentum™, para tener en cuenta las capacidades de bordes, que son importantes.
Hermes Quiroz.comunicaciones de radiofrecuencia. crf
No hay comentarios:
Publicar un comentario