44 RF MEMS Circuits -conocimientos.com.ve: Condensadores variables de RF con tecnología MEMS

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. 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.

El mecanismo de actuación de los condendadores eslectrostático. Aplicando una tensión entre dos placasparalelas o electrodos, el superior móvil y el inferior fijo,parece una fuerza electrostática entre ambos que provoca elcercamiento y, en consecuencia, una variación de laapacidad. Esta fuerza electrostática es contrarrestada por lauerza mecánica de las suspensiones de la placa móvil, quee opone al movimiento y que es modelada por la ley deHooke. Cuando el gap ha disminuido una tercera parte delgap inicial la fuerza mecánica no podrá contrarrestar lalectrostática produciendose un colapse de los doslectrodos –y por lo tanto un cortocircuito–. Esta situaciónocurre cuando la tensión aplicada es la que se conoce comoensión de pull-in:

donde W y w són las longitudes de los lados de los electrodos,ε0 la permitividad del vacio,g0 el gap inicial entre electrodos y k la constante de elasticidad mecánica de las suspensiones del electrodo móvil, que depende del material utilizado y sus dimensiones. En consecuencia, los condensadores diseñados tendrán que trabajar por debajo de la tensión de pull-in, siendo éste el factor limitante del margen de variación de los condensadores variables micromecanizados, que en la práctica es inferior al límite teórico de 1.5:1.

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 tabla I detalla las capas que componen este proceso, así como sus parámetros más importantes.

La liberación de las estructuras móviles se hace mediante un atacado químico de HF de las capas sacrificiales, seguido de un secado supercrítico de 2 CO . 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, ormado 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. A continuación, se escoge la tensión de pull-in –el condensador funcionará entre 0 V y esta tensión– , y mediante (1) se calcula la constante de elasticidad total k de las suspensiones. Finalmente se calcula el número y dimensiones de las suspensiones para cumplir las especificaciones anteriores.

La figura 2 muestra la gráfica del desplazamiento del electrodo superior simulado con CoventorWare™ y la capacidad en función de la tensión aplicada al condensador. Se aprecia que la tensión de pull-in es aproximadamente de 11 V y una variación de capacidad entre los valores 0.57 pF inicial y 0.767 pF final. Se deduce una variación teórica máxima aproximada de 1.35:1.

Mediante ADS/Momentum™ se ha simulado el dispositivo completo. En la figura 3 se muestra el parámetro 11 S , que permite deducir el factor de calidad Q del condensador variable de 0.6 pF, que es de 132 @ 1 GHz y 65.5 @ 2 GHz.

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 4.

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 7 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.