IMT-2000 3GPP-주파수 마이크로 전자기계 시스템

Radio-frequency microelectromechanical system
바이오 MEMS는 바이오 MEMS를 참조하고, MEMS 가속도계는 가속도계를 참조한다. MEMS 디스플레이에 대해서는 간섭계 모듈레이터 디스플레이를 참조하십시오. MEMS 자이로스코프는 자이로스코프를 참조하십시오. MEMS 마이크는 마이크를 참조하십시오. MEMS 압력 센서의 경우 가속도계를 참조하십시오. MOEMS의 경우 마이크로옵토 전자기계 시스템을 참조하십시오.
그림 1: (a) CPW 라인에 션트 방식으로 연결된 정전식 고정 빔 RF MEMS 스위치. (b) 마이크로스트립 라인에 직렬로 연결된 오미크 캔틸레버 RF MEMS 스위치.

무선주파수 마이크로기계시스템(RF MEMS)은 무선주파수(RF) 기능을 제공하는 밀리미터 이하의 움직이는 부품으로 구성된 전자부품을 가진 마이크로 전자기계 시스템이다.[1] RF 기능은 다양한 RF 기술을 사용하여 구현할 수 있다. RF MEMS 기술 이외에도 III-V 복합 반도체(GaAs, GaN, InP, InSb), 페라이트, 페로전기, 실리콘 기반 반도체(RF CMOS, SiC, SiGe)와 진공관 기술을 RF 설계자가 이용할 수 있다. 각각의 RF 기술은 비용, 주파수, 이득, 대규모 통합, 수명, 선형성, 소음 수치, 포장, 전력 처리, 전력 소비량, 신뢰성, 견고성, 크기, 공급 전압, 스위칭 시간 및 중량 간에 뚜렷한 절충을 제공한다.

구성 요소들

소형 폼팩터와 저상 노이즈가 있는 CMOS 통합형 RF MEMS 공진기와 자생 오실레이터, RF MEMS 튜닝형 인덕터, RF MEMS 스위치, 스위치 콘덴서, 바락터 등 다양한 종류의 RF MEMS 구성품이 있다.

스위치, 스위치 캐패시터 및 바락터

이 기사에서 논의된 구성 요소는 RF MEMS 스위치, 스위치 캐패시터 및 바락터를 기반으로 한다. 이러한 구성 요소는 FET 및 HEMT 스위치(공통 게이트 구성의 FET 및 HEMT 트랜지스터)와 PIN 다이오드 대신 사용할 수 있다. RF MEMS 스위치, 스위치형 캐패시터 및 바락터는 작동 방식(정전기, 전기 열, 자기장, 압전)에 따라, 편향 축(측면, 수직), 회로 구성(직렬, 분로), 클램프 구성(칸틸레버, 고정형 빔) 또는 접촉 인터페이스(용량, 옴미)에 의해 분류된다. 정전기적으로 작용하는 RF MEMS 구성품은 낮은 삽입 손실과 높은 격리, 선형성, 전력 처리 및 Q 계수를 제공하며, 전력을 소비하지 않지만 높은 제어 전압과 헤르메틱 단일 칩 포장(박막 캡핑, LCP 또는 LTCC 포장) 또는 웨이퍼 레벨 포장(애노딕 또는 유리 프리트 웨이퍼 본딩)이 필요하다.

RF MEMS 스위치는 IBM 연구실, 산호세, CA,[2][3] 휴즈 연구실, 말리부, CA,[4] 노스이스트 대학교가 Analog Devices, Boston, MA,[5] Raytheon, Dallas, TX,[6][7] 그리고 Rockwell Science, Sunch Oaks, CA와 협력하여 개척했다.[8] 그림 1(a)와 같이 용량성 고정형 빔 RF MEMS 스위치는 본질적으로 움직이는 상단 전극이 있는 마이크로 기계식 콘덴서, 즉 빔이다. 일반적으로 송신선과 분로 연결되며, X-대역 W-밴드(77GHz, 94GHz) RF MEMS 부품에 사용된다. 그림 1(b)과 같이 옴니크 칸틸레버 RF MEMS 스위치는 업스테이트에서는 용량성이지만 다운스테이트에서는 옴니크 접점을 만든다. 일반적으로 송신선과 직렬로 연결되어 있으며, DC에서 Ka-band 컴포넌트에 사용된다.

전기기계적 관점에서 보면, 구성부품은 정전기력에 의해 작동되는 감쇠된 질량 스프링 시스템처럼 작용한다. 스프링 상수는 빔의 치수와 영의 계량, 잔존 응력, 빔 물질의 포아송 비율의 함수다. 정전력은 정전압과 바이어스 전압의 함수다. 스프링 상수에 대한 지식은 빔을 당기는 데 필요한 바이어스 전압인 풀인 전압의 수동 계산을 허용하는 반면 스프링 상수와 질량에 대한 지식은 전환 시간의 수동 계산을 허용한다.

RF의 관점에서 보면, 구성 요소는 무시할 수 있는 저항과 인덕턴스를 가진 직렬 RLC 회로처럼 동작한다. 업스테이트 및 다운스테이트 캐패시턴스는 밀리미터파 회로 설계를 위한 기능 값인 50fF와 1.2pF의 순서로 되어 있다. 스위치는 일반적으로 캐패시턴스 비율이 30 이상인 반면, 스위치 커패시터와 바락터는 캐패시턴스 비율이 약 1.2 대 10이다. 적재된 Q 계수는 X-, Ku-, Ka-band에서 20에서 50 사이이다.[9]

RF MEMS 스위칭 캐패시터는 캐패시턴스 비율이 낮은 용량성 고정형 빔 스위치다. RF MEMS 바락터는 풀인 전압 이하로 편향된 용량성 고정형 빔 스위치다. RF MEMS 스위치의 다른 예로는 축간격 흔들림 모터를 기반으로 한 옴미크 캔틸레버 스위치와 용량성 단극 N 던지기(SPNT) 스위치가 있다.[10]

바이어싱

RF MEMS 구성 요소는 유전체 충전을 방지하고 장치의[11] 수명을 늘리기 위해 그림 2와 같이 양극성 NRZ 드라이브 전압을 사용하여 정전기적으로 편향되어 있다. 유전 전하가 빔에 영구적인 정전력을 발휘한다. DC 구동 전압 대신 양극 NRZ 구동 전압을 사용하면 유전 충전이 방지되는 반면, 빔에 가해지는 정전기력은 유지된다. 정전기력은 DC 구동 전압에 따라 2차적으로 변화하기 때문이다. 정전기적 바이어싱은 전류가 흐르지 않는다는 것을 의미하며, RF choke 대신 높은 저항성 바이어스 라인을 사용할 수 있다.

그림 2: 용량성 고정형 빔 RF MEMS 스위치, 교환식 캐패시터 또는 변압기의 정전식 바이어싱.

포장

RF MEMS 부품은 깨지기 쉬우며, 밀폐된 공동 밀봉이 가능한 웨이퍼 레벨 포장 또는 단일 칩 포장이 필요하다. 움직임을 허용하려면 공동이 필요한 반면, 빔의 물방울과 기타 오염물질에 의해 작용하는 반 데르 발스 힘에 의해 스프링력이 취소되는 것을 방지하기 위해서는 공동이 필요하다. RF MEMS 스위치, 스위치 커패시터 및 바락터는 웨이퍼 레벨 포장을 사용하여 패키징할 수 있다. 대형 일체형 RF MEMS 필터, 위상 시프터, 튜닝 가능한 매칭 네트워크에는 단일 칩 패키징이 필요하다.

웨이퍼 레벨 포장은 그림 3(a)와 같이 웨이퍼 다이싱 전에 구현되며 양극성, 금속 확산, 금속 광택제, 유리 프릿트, 폴리머 접착제, 실리콘 융접 웨이퍼 본딩에 기초한다. 웨이퍼 레벨 포장 기법의 선택은 웨이퍼 보우 및 잔류 응력을 최소화하기 위해 RF MEMS 구성 요소의 재료 레이어와 기판의 재료 레이어의 열팽창 계수 사이의 균형과 정렬 및 박리성 요구 조건의 균형을 바탕으로 한다. 웨이퍼 레벨 포장 기법의 장점은 칩 크기, 밀도, 처리 온도, 정렬 오류에 대한 내성 및 표면 거칠기 등이다. 양극과 실리콘 융접 본딩은 중간층이 필요 없지만 표면 거칠기는 용납하지 않는다. 전도성 중간층(전도성 분할 링)과의 본딩 기법에 기초한 웨이퍼 레벨 포장 기법은 RF MEMS 구성 요소의 대역폭과 절연을 제한한다. 가장 일반적인 웨이퍼 레벨 포장 기법은 양극과 유리 프릿 웨이퍼 본딩을 기반으로 한다. 수직 상호 연결로 강화된 웨이퍼 레벨 포장 기법은 3차원 통합의 기회를 제공한다.

그림 3(b)와 같이 단일 칩 패키지는 웨이퍼 다이싱 후 LCP 사출 성형 패키지 또는 LTCC 패키지와 같은 조립식 세라믹 또는 유기 패키지를 사용하여 구현된다. 조립식 패키지는 막힘, 탈피, 납땜 또는 용접을 통해 밀폐된 공동 밀봉이 필요하다. 단일 칩 패키징 기법의 장점은 칩 크기, 피복성, 처리 온도 등이다.

그림 3: (a) 웨이퍼 레벨 포장. (b) 옴니크 캔틸레버 RF MEMS 스위치의 단일 칩 포장.

미세조립

RF MEMS 제작 프로세스는 표면 마이크로마칭 기법을 기반으로 하며, SiCr 또는 TaN 박막 저항기(TFR), MAM(Metal-Air-Metal) 캐패시터, MIM(Metal-Insulator-Metal) 캐패시터 및 RF MEMS 구성품을 통합할 수 있다. RF MEMS 제작 프로세스는 다양한 웨이퍼에서 실현될 수 있다: III-V 복합 반절연, 붕소실리케이트 유리, 융접 실리카(쿼츠), LCP, 사파이어 및 퍼실리콘 웨이퍼. 그림 4와 같이 RF MEMS 구성요소는 5μm 접점 정렬 오류가 있는 6~8개의 광학 석판화 단계를 사용하여 클래스 100 클린룸에서 제작할 수 있는 반면, 최첨단 MMIC 및 RFIC 제작 공정은 13~25개의 석판화 단계가 필요하다.

그림 4: RF MEMS 스위치, 교환식 캐패시터 또는 변압기 제작 프로세스

그림 4에 요약된 바와 같이, 필수적인 미세조립 단계는 다음과 같다.

  • 바이어스 라인 증착(그림 4, 1단계)
  • 전극 층의 퇴적 (그림 4, 2단계)
  • 유전층 침적(그림 4, 3단계)
  • 희생 스페이서의 증착(그림 4, 단계 4)
  • 시드 레이어의 증착 및 후속 전기 도금(그림 4, 5단계)
  • 빔 패터닝, 해제 및 임계점 건조(그림 4, 6단계)

임계점 건조가 필요한 희생 스페이서의 탈거를 제외하고 제작 단계는 CMOS 제작 프로세스 단계와 유사하다. RF MEMS 제작 프로세스는 BST 또는 PZT 강전 및 MMIC 제작 프로세스와 달리 전자 빔 리토그래피, MBE 또는 MOCVD가 필요하지 않다.

신뢰성.

접점 인터페이스 성능 저하로 인해 옴 캔틸레버 RF MEMS 스위치에 신뢰성 문제가 발생하는 반면,[12] 그림 5(a)와 같이 유전체 충전 빔 스텐션과 그림 5(b)와 같이 습도 유도 빔 스텐션은 용량성 고정 빔 RF MEMS 스위치에 신뢰성 문제가 발생한다. 스텐션이란 주행 전압을 제거한 후 빔이 해제되지 않는 것을 말한다. 접촉 압력이 높으면 저음 접촉이 보장되거나 유전 충전 유도 빔의 탄력이 완화된다. 상용화된 옴미크 캔틸레버 RF MEMS 스위치와 용량성 고정형 빔 RF MEMS 스위치는 RF 입력 전력 100mW에서 1,000억 사이클을 초과하는 수명을 입증했다.[13][14] 고출력 작동과 관련된 신뢰성 문제는 제한장치 섹션에서 논의된다.

그림 5: (a) [하단] 유전체 충전 유도 빔 스텐션. (b) [상단] 습도 유도 빔 스텐션.

적용들

RF MEMS 공진기는 필터와 기준 오실레이터에 적용된다.[15] RF MEMS 스위치, 스위치형 캐패시터 및 바락터는 전자 스캔(하위) 아레이와 소프트웨어 정의 라디오(재구성 가능한 안테나, 튜닝 가능한 대역-통과 필터)에 적용된다.[16]

안테나

양극화 및 방사선 패턴 재구성성, 주파수 튜닝성은 대개 SPST 스위치나 바레이터 다이오드와 같은 III-V 반도체 구성요소를 통합하여 달성된다. 그러나 RF MEMS 기술이 제공하는 낮은 삽입 손실과 높은 Q 계수를 활용하기 위해 이러한 구성 요소를 RF MEMS 스위치와 바락터로 쉽게 교체할 수 있다. 또한 RF MEMS 구성요소는 붕소실리케이트 유리, 용융 실리카 또는 LCP와 [17]같은 저손실 유전체 기질에 단일하게 통합될 수 있는 반면, III-V 복합 반절연 및 패시브 실리콘 기질은 일반적으로 로시어이고 유전체 상수가 더 높다. 안테나의 효율과 대역폭을 위해서는 낮은 손실 접선과 낮은 유전 상수가 중요하다.

그 선행 기술은 0.1–6 GHz주파수 range,[18]에 대한 RFMEMS주파수 조정할 수 있는 프랙털 안테나 및 RFMEMS는self-similar 시에르 핀스키 가스켓 안테나 공진 주파수의 수를 늘릴 수 있는 전환의 실제 통합, 8GHz14GHz와 25GHz,[19][20]에 RFMEMS방사 패턴의 범위 변경 가능한 spi을 포함한다.ral 안테나 6에서 10GHz,[21]에 대해서는 RFMEMS방사 패턴 변경 가능한 나선형 안테나에 대한 6–7 GHz주파수 대역에 기반한 포장 Radant MEMSSPST-RMSW100 switches,[22] RFMEMS다중 대역 시에르 핀스키 프랙털 안테나, 다시와 함께 통합 RFMEMS스위치 작동에서 다른 밴드에서 2.4에서 18GHz,[23]고2-bit Ka-band RFMEMS주파수.튜닝 slot [24]안테나

삼성 옴니아 W는 RF MEMS 안테나를 탑재한 최초의 스마트폰이다.[25]

필터

안테나가 충분한 선택성을 제공하지 못하는 경우 RF 대역 통과 필터를 사용하여 대역 외 제거를 증가시킬 수 있다. 대역 외 제거는 간섭을 고려하여 LNA와 믹서의 동적 범위 요구사항을 완화한다. 일괄 벌크 음향파(BAW), 세라믹, SAW, 쿼츠 크리스탈 및 FBAR 공명기에 기초한 오프칩 RF 대역 통과 필터는 송신선 공명기에 기반한 분산 RF 대역 통과 필터, 손실 접선이 낮은 기판에 인쇄되거나 도파관 공동에 기반한 RF 대역 통과 필터를 대체했다.

조정 가능한 RF 대역 통과 필터는 스위치 방식 RF 대역 통과 필터 뱅크에 비해 상당한 크기 감소를 제공한다. 그것들은 III-V 반도체 바락터, BST 또는 PZT 강전기와 RF MEMS 공명기와 스위치, 교환형 콘덴서와 바락터, YIG 페라이트 등을 사용하여 구현될 수 있다. RF MEMS 공진기는 고품질 공진기와 저손실 대역 통과 필터의 온칩 통합 가능성을 제공한다. RF MEMS 공명기의 Q 계수는 100-1000이다.[15] 교환식 캐패시터 및 변압기 기술인 RF MEMS 스위치는 튜닝 가능한 필터 설계자에게 삽입 손실, 선형성, 전력 소비량, 전력 처리, 크기 및 스위칭 시간 사이의 강력한 절충을 제공한다.[26]

위상 시프터

그림 6: EIRP x Gr/T
그림 7: EIRP 대 패시브 서브 어레이의 안테나 요소 수

RF MEMS 위상 시프터를 기반으로 하는 패시브 하위선을 사용하여 액티브 전자 스캔 어레이의 T/R 모듈 양을 줄일 수 있다. 이 문구는 그림 6의 예와 함께 설명된다. 1대 8 패시브 서브 어레이가 수신뿐만 아니라 송신에도 사용된다고 가정하고, f = 38GHz, Grt = 10dBi, BW = 2GHz, Pt = 4W. RF MEMS 위상 시프터의 낮은 손실(6.75ps/dB)과 양호한 전력 처리(500mW)는 40W의 EIRP와 0.036 1/K의 Gr/T를 허용한다. EIRP는 송전 게인 G와t 송전 전력의 산물이며, Pt. Gr/T는 수신 게인과 안테나 소음 온도의 지수다. 장거리 탐지를 위해서는 높은 EIRP와 Gr/T가 필수다. EIRP와 Gr/T는 서브 어레이당 안테나 요소 수와 최대 스캐닝 각도의 함수다. 그림 7과 그림 8과 같이 EIRP 또는 EIRP x Gr/T 제품을 최적화하기 위해 서브 어레이당 안테나 요소 수를 선택해야 한다. 레이더 범위 방정식은 수신기의 입력에서 10dB의 SNR로 표적을 탐지할 수 있는 최대 범위를 계산하는 데 사용할 수 있다.

여기서 k는B 볼츠만 상수, λ은 자유공간 파장, σ은 대상의 RCS이다. 범위 값은 표 1에 표 1에 반경 a, a, 10 cm( sphere = π2 a), 면 크기의 2면 코너 반사기, a, 10 cm(σ = 12 a4/ 12), 차량 후면2( car = 20 m2), 비침습 전투기( = = 4002 m)의 표로 표시된다.

표 1: 최대 탐지 가능 범위
(SNR = 10dB)
RCS(m2) 범위(m)
구 0.0314 10
리어 오브 카 20 51
분면 모서리 반사기 60.9 67
전투기 400 107
그림 8: EIRP x Gr/T 대 패시브 서브 어레이의 안테나 요소 수

RF MEMS 위상 시프터는 높은 EIRP 및 높은 Gr/T를 통해 렌즈 어레이, 반사 어레이, 하위 어레이 및 개폐 빔 형성 네트워크와 같은 광각 수동형 전자 스캔 어레이를 가능하게 한다. 수동적 전자적으로 스캔한 배열 및 배열에 있는 선행 기술, 선원 165-bitreflect-type RFMEMS단계 변형자들 저항의 캔틸레버 RFMEMS에 따라 합성에 의한 X-밴드 연속 가로 스텁(CTS)배열의 먹이 switches,[27][28] X-밴드 2D렌즈 배열parallel-plate waveguides과 25,000옴 cantil을 구성되는 것을 포함한다.지금까지 RF MEMS 스위치 [29]및 RF MEMS SP4T 스위치 및 Rotman 렌즈 초점 평면 스캐너 기반의 W밴드 스위치 빔포밍 네트워크.[30]

RF MEMS 위상 시프터 대신 실시간 지연 TTD 위상 시프터를 사용하면 연관된 고해상도 UWB 레이더 파형을 사용할 수 있으며 빔 사팔뜨기 또는 주파수 스캔을 피할 수 있다. TTD 위상 시프터는 스위치 라인 원칙[8][31][32] 또는 분산 로드 라인 원칙을 사용하여 설계된다.[33][34][35][36][37][38] 스위칭 라인 TTD 위상 시프터는 특히 X-밴드까지의 주파수에서 데시벨 NF당 시간 지연 측면에서 분산 로드 라인 TTD 위상 시프터를 능가하지만 본질적으로 디지털화되어 있어 저손실 및 고절연 SPNT 스위치가 필요하다. 그러나 분산된 로드 라인 TTD 위상 시프터는 하위 어레이 수준에서 중요한 더 작은 폼 팩터로 또는 유사하거나 디지털 방식으로 실현될 수 있다. 아날로그 위상 시프터는 단일 바이어스 라인을 통해 편향된 반면, 멀티비트 디지털 위상 시프터는 서브 어레이 레벨에서 복잡한 라우팅 체계와 함께 병렬 버스가 필요하다.

참조

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