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Condensadores variables de RF con tecnología MEMS

INTRODUCCIÓN

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 desfasadores 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.

CONDENSADOR VARIABLE CON SUSPENSIÓN ANTI-STRESS.

El proceso de fabricación requiere la deposición del polisilicio a alta temperatura. Durante el enfriamiento hasta temperatura ambiente, las estructuras desarrollan un stress residual debido a la expansión térmica del polisilicio. Además, en la placa superior, formada por polisilicio y metal, con coeficientes de expansión térmicos muy distintos, este efecto es más notorio. La consecuencia de este fenómeno es el doblado de las estructuras suspendidas durante su proceso de liberación –pudiendo llegar a romper e inutilizar el dispositivo–, además de provocar un incremento en las tensiones de actuación. Por esta razón se han diseñado suspensiones que permitan la absorción de parte de este stress residual, permitiendo ligero movimiento en el plano X-Y durante la liberación de las estructuras suspendidas. Un ejemplo de estas suspensiones se puede observar en el condensador de 230 x 230 µm de la figura

Imágen del condensador con suspensión circular anti-stress.

Se deduce de la figura 5 que éste condensador se actua en un margen de tensiones entre 0 y 1.9 V, variando su capacidad entre 0.62 y 0.88 pF, con un margen de variación de aproximadamente 1.42:1.

El fenómeno conocido como stiction puede aparecer en los dos condensadores vistos hasta el momento: esto supone que las placas pueden estar en contacto permanente debido a microfuerzas aparecidas por diversas causas, principalmente durante el proceso de liberación de las estructuras suspendidas. Dos factores son importantes para evitar este fenómeno –a parte del método de liberación y secado–: la creación de estructuras con gap elevado y el diseño de suspensiones con constante de elasticidad elevada para así ofrecer mayor resistencia a este fenómeno.

CONDENSADOR VARIABLE CON MARGEN DE VARIACIÓN AMPLIADO.

Con la idea principal de conseguir dispositivos que mejoren el margen muy pequeño de variación de los dispositivos anteriores, se ha diseñado un condensador con margen de variación ampliado [4], que se muestra en la figura 6. Se puede observar en su sección vertical que consiste en separar las funciones de polarización y RF de la placa inferior. La tensión de actuación se aplica entre la placa móvil superior (conectada a masa) y un electrodo de Poly0 situado sobre el sustrato, entre las que hay una separación de 2.75 µm. Esto significa que la placa móvil podría desplazarse teóricamente 0.91 µm antes de colapsar. El electrodo de RF se ha intercalado entre los dos anteriores, dejando un gap de 0.75 µm con la placa superior móvil. De esta forma la capacidad variable se forma entre la placa móvil superior y el electrodo intermedio, pudiendo llegar a tener desplazamiento teórico en la totalidad del gap del condensador sin llegar a colapsar. El área del condensador de RF es de 400 x 200 µm. El dispositivo tiene un márgen de variación teórico entre su capacidad nominal de 0.95 pF y ∞ , aunque a la práctica esta variación será mucho menor, ya que la placa móvil superior, al ser actuada, no se comportará como un bloque rígido bajando de forma uniforme, sinó que su parte central bajará de foma más apreciable que sus extremos, que es por donde está anclada mediante las suspensiones

Las suspensiones del dispositivo se se han diseñado con una constante de elasticidad mecánica que permita tener un márgen de actuación razonable, entre 0 y 14 V. En la figura se muestra el desplazamiento de la placa móvil simulada con CoventorWare™ y la capacidad en función de la tensión aplicada. Se puede observar en la gráfica del desplazamiento que la placa móvil no colapsa durante el recorrido, al contrario que en las figuras 2 y 5, donde se alcanza la situación de colapse de pull-in, limitando el márgen de variación del condensador.