RF MEMS para Conectividade Ubíqua Sem Fio: Parte 1

RF MEMS para
Conectividade Ubíqua
Sem Fio:
Parte 1 - Fabricação
Héctor J. De Los Santos,
Georg Fischer, Harrie A.C. Tilmans,
and Joost T.M. van Beek
aplicação da tecnologia de sistemas
micro eletromecânicos (MEMS) em
sistemas de radiofreqüência (RF)/
micro ondas está prestes a revolucionar
a comunicação sem fio [1]. Realmente,
o fato de que os MEMS de RF (RFMEMS) permitem dispositivos passivos superiores, tais
como chaves, capacitores chaveados (dois estados),
capacitores sintonizáveis (varactors), indutores, linhas
de transmissão e ressonadores, fazem que esta
tecnologia seja a principal candidata a permitir a grande
quantidade de aparelhos com comunicação sem fio
operando nas esferas doméstica, móvel, e espacial [2],
tais como telefones, estações bases e satélites. As
propriedades mais importantes destes sistemas são
baixo consumo de potência e reconfigurabilidade. É
por esta razão que os RF-MEMS são tidos como a
tecnologia chave que permitirá a ubiqüidade da
conectividade sem fio. Neste contexto, o objetivo deste
artigo é expor o impacto e o status da aplicação RFMEMS como capacitores chaveados, varactors, e
chaves em três elementos deste paradigma,
particularmente, telefones, estações base e satélites. Em
particular, serão apresentadas questões como motivação/justificativa em nível de sistema para RF-MEMS,
requisitos dos dispositivos, fabricação em alto volume,
empacotamento, confiabilidade e desempenho no
estado da arte.
A primeira parte deste artigo é focalizada nas
técnicas de fabricação (micro usinagem de superfície e
A
Héctor J. De Los Santos ([email protected]) is with NanoMEMS Research, LLC Irvine, CA 92604 USA.
Georg Fischer is with Lucent-Bell Labs Europe Nuremberg, Germany. Harrie A.C. Tilmans is with Inter-University Microelectronics Center
(IMEC) Leuven, Belgium. Joost T.M. van Beek is with Philips Research Laboratories Eindhoven, The Netherlands.
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IEEE microwave magazine
1527-3342/04/$20.00©2004 IEEE
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de volume) e suas limitações, comparando os princípios
físicos principais de atuação nos quais os dispositivos
RF-MEMS estão baseados e no empacotamento no nível
de dispositivo. A segunda parte, que seguirá diretamente
a este artigo, focalizará no progresso e no impacto dos
dispositivos RF-MEMS em sistemas sem fio, em particular, em telefones, estações base e aplicações espaciais.
Fundamentos da Tecnologia de RF-MEMS
Os RF-MEMS estão baseados em duas técnicas
principais para conformarem a terceira dimensão,
nominalmente, micro usinagem de superfície e micro
usinagem de volume.
Na micro usinagem de superfície, Figura 2(a), um
material de filme fino é adicionado ou removido seletivamente da lâmina. Os filmes que são eventualmente
removidos são chamados de materiais sacrificiais, enquanto que os que permanecem na lâmina são chamados
de materiais estruturais. Por exemplo, um braço pode ser
criada em uma lâmina de silício através da deposição de
SiO2 como camada sacrificial, depositando polissilício
como camada estrutural, definindo a configuração do
braço na camada de polissilício, e finalmente dissolvendo
a camada sacrificial sob ela. Este último passo é chamado
liberação uma vez que a sua finalidade é resultar em uma
Fabricação
A tecnologia de fabricação de RF-MEMS está baseada
nas técnicas bem estabelecidas de fabricação de circuitos
integrados (CI). De fato, isto pode ser entendido tendo-se
como referência o processo de fabricação de CI bidimensional (2D) convencional [1], Figura 1, o qual é baseado
na fotolitografia e ataque químico e baseado nas seguintes etapas.
1) A lâmina é recoberta com
uma camada de proteção
(tipicamente SiO2 para um
substrato de silício).
(a)
2) A superfície é recoberta
Fotorresiste(FR)
com um material poliméSiO2
rico sensível à luz, chamaSi
do de fotorresiste (FR).
3) Uma fotomáscara, placa de
vidro quadrada com emulsão fotográfica ou um filme
metálico depositado de um
lado, é colocada sobre a lâmina e o FR é exposto atraMáscara
(b)
vés da máscara, à uma luz
ultravioleta (UV) de alta inSiO2
tensidade nas regiões onde
Si
a máscara é transparente.
O fotorresiste é revelado por
FR Positivo
FR Negativo
meio de processo similar ao da
revelação de filmes fotográficos
podendo ser positivo ou negativo, resultando respectivamente
nos seguintes resultados.
1) Quando a luz UV expõe um
(c)
FR positivo, ela enfraquece o
SiO2
SiO2
polímero de maneira que
quando a imagem é revelada,
Si
Si
o FR exposto é removido,
transferindo então a imagem
positiva da máscara para a
camada de FR.
2) Quando a luz UV expõe um
FR negativo, ela reforça as o
(d)
polímero de maneira que
SiO2
SiO2
quando a imagem é revelada,
o FR que não é exposto ao
Si
Si
UV é removido, transferindo a imagem negativa da
máscara para a camada de FR.
Figura 1. Diagrama simplificado da seqüência de fabricação de circuitos integrados.
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Figura 2. (a) Braço fabricado por micro usinagem de superfície. (b) cavidade fabricada por micro usinagem de volume.
mesma lâmina com a eletrônica, torna
possível a produção de sistemas altamente funcionais com novos níveis de
desempenho não obtidos de outra maAlumínio
Silício monocristalino
EDP, TMAH, XeF2
neira, em particular, quando está relaAlumínio
Fotorresiste
Plasma de oxigênio
cionado com o peso e o tamanho do
sistema, consumo de potência, e custo.
Cobre ou Níquel
Cromo
HF
Estruturas MEMS 3-D em questão póPolyimida
Alumínio
Al etch (ácido fosfórico,
dem ser ativadas através de uma varieacético e nítrico)
dade de mecanismos de atuação, tais
quais os derivados de forças eletrosPolissilício
Dióxido de silício
HF
táticas, eletrotérmica, piezelétricas, e
Fotorresiste
Alumínio
Al etch (ácido fosfórico,
eletrodinâmicas. Entretanto, no âmago,
acético e nítrico)
do ponto de vista de sistema ou em
nível funcional, e independente do meDióxido de silício
Polissilício
XeF2
canismo de atuação empregado, conNitreto de silício ou
Polissilício não dopado
KOH ou TMAH
tém dois pares de eletrodos, especiPolissilício dopado com boro
ficamente, um par através do qual uma
polarização DC é aplicada para resultar em um
estrutura mecânica móvel auto sustentada. Os materiais
movimento, e outro par, os eletrodos ou contatos de
empregados tipicamente na micro usinagem de superfície
chaveamento, através do qual o sinal de RF a ser atuado
estão listados na Tabela 1 [3].
existe. Quando estes dois pares são isolados entre si, a
Quando um líquido é utilizado para dissolver a
configuração é chamada de relê. Por outro lado, se o
camada sacrificial, entretanto, deve ser assegurado que as
sinal dc e o RF partilham as mesmas linhas de controle, a
forças de mola da estrutura mecânica superem a tensão
configuração é chamada de chave. Do ponto de vista de
superficial do líquido. De outra maneira, a liberação da
circuito, relês podem ser classificados como dispositivos
estrutura não ocorrerá apropriadamente, e a estrutura
de quatro terminais e as chaves como dispositivos de dois
terminará presa ao substrato ou a estruturas vizinhas.
terminais. Entretanto, é possível, quando os terminais de
Este fenômeno de adesão pode também ocorrer a
polarização e o de RF compartilham um terra comum,
operação de dispositivos atuados eletrostaticamente,
obter relês de três terminais.
neste caso ele pode ser resultado do “pull-in” discutido
Da perspectiva do projeto de circuitos, a natureza da
abaixo [1],[3]-[5].
estrutura
do dispositivo, ou seja, se é um relê ou uma
Na micro usinagem de volume, estruturas mecânicas
chave,
é
muito
importante. Isto porque, embora o relê
são criadas internamente à lâmina, Figura 2(b), pela
possua
uma
isolação
intrínseca entre os terminais de
remoção seletiva do material do substrato através de
polarização e de RF, a chave não possui. Portanto, quantécnicas de corrosão úmida ou seca, explorando as taxas
do uma configuração de chave é empregada, deve ser
de corrosão anisotrópica dos diferentes planos
utilizada uma maneira de desacoplar a polarização do
cristalográficos da lâmina.
sinal de RF, por exemplo, através de um T de
A aplicação de MEMS no contexto de sistemas
polarização. Estes conceitos podem ser visualizados
integrados é muito atrativa, pois ao integrar estruturas
examinando-se a as estruturas RF-MEMS fundamentais
mecânicas tridimensionais (3-D) livremente móveis na
de chaves e relês, mostradas na Figura 3.
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Neste artigo, nós focalizaremos no progresso e
impacto de três tipos de dispositivos RF-MEMS
fabricados com técnicas de micro usinagem de superfície
em sistemas sem fio, especificamente, capacitores
chaveados (CC), varactors (capacitores variáveis/sintonizáveis) e chaves ôhmicas. A seguir, será apresentada
uma comparação entre os vários mecanismos de atuação
empregados em dispositivos RF-MEMS.
Atuação
Dispositivos RF-MEMS, como chaves, capacitores
sintonizáveis e ressonados mecânicos, possuem partes
móveis que são colocadas em movimento através de um
microatuador. Um dispositivo de chaveamento RFMEMS, por exemplo, têm apenas dois estados estáveis,
como chaves de RF semicondutoras. O chaveamento entre
os dois estados é conseguido através de deslocamento
mecânico de uma estrutura livremente móvel, chamada
armadura. O deslocamento é induzido por um microa-
tuador para o qual diversos mecanismos de atuação
existem, incluindo eletrostático, termoelétrico, piezoelétrico e eletromagnético [6]. O princípio de operação destes
quatro mecanismos é mostrado nas Figuras 4, 6, 7 e 8,
respectivamente, e ilustrado por um dispositivo de
chaveamento RF-MEMS do tipo braço flexível. As seções
seguintes tratam de cada mecanismo de atuação.
A maioria dos dispositivos de RF-MEMS usam
atuação eletrostática [7], [8], ilustrada na Figura 4(a) para
um dispositivo de chaveamento RF-MEMS. Atuação
eletrostática é baseada na força de Coulomb atrativa Fel
existente entre cargas opostas. A força atrativa
eletrostática entre duas placas paralelas através das quais
uma voltagem V é aplicada é dada por:
=
=
(1)
Figura 3. Configuração e polarização de estruturas de chaveamento e relê. (a) chave capacitiva de curto atuada
eletrostaticamente (configuração lateral) implementada em uma linha de transmissão CPW. (b) relê ôhmico serial atuado
eletrostaticamente implementado com um braço flexível (configuração lateral). (c) chave de curto capacitiva de três terminais
autuada eletrostaticamente (em configuração lateral). (d) chave capacitiva serial atuada eletrostaticamente implementada em uma
linha de transmissão CPW (configuração linear). (e) circuito de polarização de uma chave de curto. (f) circuito de polarização de
uma chave serial.
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onde Q (= CV, com C = ε0A/d a capacitância) é a carga nas
placas do capacitor, A é a área das placas, d a distância
entre as placas, e ε0 a permissividade do meio. A força é
inversamente proporcional ao quadrado do espaçamento
entre as placas, como mostrado na equação (1). Esta
relação não-linear acarreta instabilidade quando a
voltagem ultrapassa a chamada voltagem de pull-in (ou
snap-down) VPI. Em outras palavras, pull-in é a voltagem
na qual o controle de um dispositivo atuado
eletrostaticamente, uma haste por exemplo, é perdido
devido a perda de equilíbrio entre as forças eletrostáticas e
elásticas. Este fenômeno fica aparente a partir do exame
da equação de equilíbrio entre as forças eletrostáticas e
elásticas cuja solução dá o deslocamento de uma placa
móvel de um capacitor paralelo, x(V), Figura 4(b).
Esta equação é dada por
maneira que (2) é eventualmente satisfeita. Para este ajuste
em x ocorrer, o valor de V deve ser tal que o valor inicial
de (2) é positivo. Neste caso, (2) tem raízes reais (físicas),
x(V) > 0. A voltagem que delimita este regime é a qual a
diferença entre as forças elásticas e eletrostáticas, contidas
em (2) é mínima. Seu valor pode ser encontrado
calculando a derivada de (2) e igualando-a a zero, isto é,
−
(
)
= 0.
(3)
Com a resolução simultânea das equações (2) e (3),
obtêm-se
=
≫
(4a)
e
−
(
)
=0
e implica que, começando em V = 0+, x se auto ajusta de
(2)
=
,
(4b)
onde VPI denota a voltagem de pull-in e x PI a distância na
Figura 4. (a) Mecanismo de atuação eletrostática ilustrado em um micro-relê. (b) diagrama de força ilustrado por um modelo
simplificado paroximado de um atuador eletrostático. (c) deslocamento normalizado contra voltagem aplicada normalizada à
voltagem de “pull-in” [3]
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qual ocorre o pull-in. A Figura 4c mostra um gráfico do
deslocamento normalizado contra a voltagem aplicada,
normalizada para a voltagem de pull-in, indicando que, em
pull-in, o deslocamento torna-se imaginário e que o grau
de curvatura da voltagem aplicada não controla mais o
deslocamento.
Abaixando a voltagem após pull-in ocorrer, a haste se
solta a uma voltagem (muito) menor chamada voltagem de
pull-out VPO. Assim, um atuador eletrostático possui
histerese. A voltagem de pull-out é dada aproximadamente
por
=
≫
,
(5)
desenvolvidos. Em particular, a separação dos eletrodos de
sinal e controle (assim chamado duplo-espaçamento) com
respectivos espaçamentos eletrodo-placa superior d2 e d1
obedecendo a relação d1 ≤ d2/3, figura 5, resultou em faixa
de sintonia (FS) expandida do valor teórico de 50% para
mais de 400% [4]. Uma implementação mais recente de
um varator de espaçamento duplo pir Rijks et.al.,
demonstrou uma FS de 1600% [5].
Um acionamento eletrostático oferece consumo de
energia extremamente baixo, no qual força motriz é
consumida apenas durante chaveamento (comparado à
etapa de inversão digital). Outras vantagens do uso da
atuação eletrostática é a relativa simplicidade da
tecnologia de fabricação, o alto grau de compatibilidade
com uma linha de CI’s, facilidade de integração com
linhas de transmissão planares e microstrip, e rápida
resposta (da ordem de microsegundos). A maior
desvantagem do acionamento eletrostático é a alta
voltagem de acionamento (12-60 V) associada à atuadores
com grande espaçamento necessários em chaves RFMEMS. Neste caso, é difícil combinar baixa voltagem de
atuação, com um bom isolamento de uma chave tipo serial
(ou, alternativamente, baixa perda por inserção em uma
chave tipo curto) e um dispositivo robusto que é
extremamente resistente a impacto e vibração. Por outro
lado, para altas freqüências (> 100MHZ) ressonadores
mecânicos necessitam de pequenos espaçamentos para a
obtenção de elevados fatores de acoplamento eletromecânico, ou, igualmente, uma pequena resistência de
movimento. Perceba, entretanto que ressonadores
mecânicos de alta freqüência são bastante rígidos, o que
por sua vez implica em uma alta voltagem de polarização
para obtenção de elevados fatores de acoplamento.
Claramente, um compromisso no desenho deve ser feito.
No caso da fonte de alimentação ser limitada, 3-5V como
e são, respectivamente, a permissividade e espessura
do dielétrico cobrindo o eletrodo inferior. No caso da
ausência de dielétrico,
= 1 and
deve ser substituído
por dR e d0 por (d0 - dR), onde dR denota o espaçamento de
repouso após o fechamento. As expressões para as
voltagens de pull-in e pull-out são exatas para um sistema
aproximado mola-massa. Para um desenho típico de chave
RF-MEMS, com d0 = 2.5 µm, dε = 0.2 µm, = 7, k = 10
N/m e A = 100 x 100 µm2, temos VPI ~ 23V e VPO ~ 0.7V.
Devemos mencionar que a força eletrostática Fel não
aumenta indefinidamente com o aumento da voltagem,
mas é limitada pelo colapso do espaçamento de ar. O
campo de colapso para espaçamento micrométricos é cerca
de 3.108 V/m, acarretando em uma força máxima de ~4
mN para um eletrodo de 100x100 µm2. Para a obtenção de
um campo de colapso através de um espaçamento de 1
µm, uma voltagem relativamente alta de 300V é
necessária. Níveis de voltagens mais práticos ao redor de
10V resultam em uma força de ~0.004 mN, isto é, três
ordens de grandeza menores que a força máxima. Como
micro-relês com contatos de Au de baixa qualidade
requerem forças de contato de
pelo menos 500-100 µN para
a obtenção de baixa e estável
resistência de contato, a
atuação
eletrostática
é
considerada
não
muito
atrativa a menos que a área de
atuação seja muito grande (>
1x1 mm2) e/ou alta voltagem
de atuação (>100V) sejam
permitidas.
A importância do pull-in
não pode ser super enfatizada,
pois atribui limitação no
desempenho de um capacitor
sintonizável do tipo placasparalelas. Como o pull-in
ocorre à 1/3 do espaçamento,
a faixa de sintonia é limitada a
150% (correspondendo à um a
relação máxima de 2:1). Um
número de métodos para
Figura 5. Vista em corte de um Varactor MEMS [4]. Vctl denota a atuação ou a tensão de
evitar o pull-in têm sido
controle.
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no caso de telefones portáteis, geradores de alta tensão no
circuito integrado, tais como circuitos multiplicadores de
voltagem DC tipo Dickson seriam acrescentados. Isto é
feito monoliticamente, “above-IC-processing” por
exemplo, ou de forma híbrida, como recentemente
demonstrado pela Motorola [10].
Atuação e deteção piezelétrica são baseadas efeito
piezoelétrico inverso e direto, respectivamente [11]. Um
material piezoelétrico proporciona sua própria polarização
interna, devido ou à ausência de centro de simetria em
material mono-cristalinos (por exemplo, nitreto de
alumínio – AlN – ou óxido de zinco – ZnO) ou à uma
polarização permanente no caso de materiais ferroelétricos
como a família dos titanatos zirconatos de chumbo
(PZT).O inverso do efeito piezoelétrico é manisfestado
como uma deformação mecânica no material submetido à
um campo elétrico. Ao aplicar-se uma voltagem V, a
camada piezoelétrica, que é fixa no topo de um braço,
como na Figura 6, um momento equivalente de flexão
MPE será induzido na ponta. O momento de flexão causa
o braço a flexionar como uma deflexão de δ = MPEl2/2EI,
onde EI é a rigidez flexional equivalente do braço e l é o
comprimento do braço. No caso de uma camada
piezoelétrica muito mais fina que o braço, e ignorando o
efeito mecânico do eletrodo, uma expressão simples para o
momento de flexão piezoelétrica pode ser expressada
como [12]:
≈
ℎ
(ℎ ≪ ℎ ),
(6)
onde d31 é o coeficiente piezoelétrico da camada, Ep é o
módulo de Young da camada piezoelétrica, b é a largura
do braço,e hs e hp são as espessuras do braço e da camada
peizoelétrica, respectivamente. A expressão acima indica
que materiais com elevado coeficientes piezoelétricos são
vantajosos para uso em atuadores piezoelétricos. Valores
típicos para coeficientes d31 variam de ~3 pC/N para AlN,
~5 pC/N para ZnO, e ~100 pC/N para materiais PZT.
Contrário da atuação eletrostática, a atuação piezoelétrica
não apresenta instabilidade mecânica, pull-in ou snapdown não ocorrem em atuadores piezoelétricos, por
exemplo. Ao contrário, o atuador se fecha de maneira
linear. A voltagem de limiar necessária para fechar o
espaçamento, isto é, flexão da ponta igual ao espaçamento
( = ), é dada aproximadamente por
Figura 6. Micro relê com mecanismo de atuação piezoelétrica
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≈
ℎ ≪ℎ
,
(7)
onde a equação (6) é usada para o momento de flexão, e
um braço prismático com seção retangular (b x hs, onde b
é a largura do braço) é assumido. Para um atuador usando
AlN como material piezoelétrico (Ep,AlN = 320GPa),
alumínio como material do braço (Es,Al = 70 GPa),
espaçamento d0 = 2.5 µm, e uma razão hs/l = 0.01, a
voltagem de limiar é aproximadamente 6V. Substituindo
AlN por PZT (Ep,PZT = 70GPa), a voltagem de limiar cai
para menos de 1V. Em outras palavras, baixas voltagens
de atuação combinadas com grande espaçamentos são
possíveis, particularmente com a utilização de materiais
piezoelétricos com alto coeficiente piezoelétrico. Usando
mecânica básica, uma expressão para a força de contato Fc
(=3MPE/2l-3d0EI/l3) pode ser obtida. Para o exemplo
acima, a força de contato realizável para um atuador
baseado em AlN é aproximadamente 3 µN para uma
voltagem de 15V assumindo um braço com b=50µm. Para
um atuador baseado em PZT, com as mesmas dimensões,
a força de contato é aproximadamente 10µN para uma
voltagem de 5V.
Atuadores piezelétricos, em geral, possuem resposta
rápida com consumo de energia razoável, mas o principal
obstáculo é a tecnologia complexa. A última é o principal
motivo pelo qual a atuação piezoelétrica não é muito
usada. Apenas poucos exemplos de dispositivos de
chaveamento piezoelétricos [13], capacitores sintonizáveis
[14] e ressonados mecânicos [15] são conhecidos.
Atuação eletrotérmica é baseada na expansão térmica,
devido à elevação de temperatura, como resultado de
geração de calor por uma corrente I em um resistor [16],
[17]. Se o resistor R é localizado na parte de cima do
braço, como na Figura 7, uma onda térmica propagando
atenuadamente na direção da espessura é resultante. Isto,
por sua vez, cria um momento flexional MTh, que é usado
para atuar o braço. Uma aproximação “grosseira” do
momento flexional térmico para o braço do atuador da
Figura 7 é dado por [17]:
≈
R,
(8)
onde α é o coeficiente de expansão térmica do material do
braço, l é o comprimento do braço, EY é o modulo de
Figura 7. Micro relê com mecanismo de atuação eletrotérmica
Dezembro 2004
Young do material do braço, λ é a condutividade
térmicado material do braço, e I2R é a potência dissipada
no resistor. Similar à atuadores piezoelétricos, pull-in ou
snap-down não ocorrem.
Em um ressonador mecânico, para evitar a duplicação
de freqüência, uma voltagem ou corrente de polarização dc
é sobreposta ao sinal de acionamento ac. Devido à
irreversível conversão de energia elétrica em calor no
transdutor térmico, deteção de movimento dever ser feita
por outros métodos. Possíveis métodos que podem ser
combinados com o acionamento eletrotérmico são a
deteção capacitiva e piezoresistiva.
Vantagens do acionamento eletrotérmico são a baixa
voltagem de acionamento e a simplicidade de construção
associado a um fluxo de processo simplificado. Obstáculos
são a lenta resposta (da ordem de centenas de
microsegundos) e alto consumo de energia (dissipação de
calor e corrente elétrica contínua no estado acionado).
Estas são as razões pelas quais relativamente poucos
exemplos de chaves, capacitores sintonizáveis ou
ressonados termoelétricos existem. Para evitar o consumo
continuo de energia (dreno de corrente) do chave no
down-state, outros métodos, tais como travamento
eletrostático,
podem
ser
implementados
como
demonstrado na chave desenvolvida pelo LETI [18].
O atuador eletromagnético (também chamado de
atuador de resistência variável), mostrado na Figura 8, é o
correspondente do atuador eletrostático. O atuador
mostrado consiste em uma junção, braços móveis e uma
bobina motriz com N voltas. Uma corrente I na bobina cria
um fluxo magnético Φ na junção e espaçamento. A junção
e parte do braço (ou o braço inteiro) consistem de um
material altamente permeável (µr → ∞) e são separados
por um espaço geralmente preenchido de ar.
Conjuntamente, eles definem um circuito magnético
através do qual o fluxo magnético Φ flui. A relutância
total, definida como a razão entre a força magnetomotriz
(FMM) NI e o fluxo passando pelo circuito magnético, é
aproximadamente igual à relutância Rm do espaço de ar,
dado por Rm=d/µ0A. Portanto, o valor do fluxo é
controlado pelo espaçamento. A força magnética
distribuída induzida no espaçamento proporciona a força
de atuação Fm, que para um espaçamento paralelo é dada
por
=
=
(
)
→∞ ,
=
→∞ ,
(10a)
e
=
(
)
,
(10b)
onde d0 simboliza o espaçamento para fluxo zero, k é a
rigidez efetiva do braço e dR o espaçamento de repouso
depois do fechamento. Para uma chave desenhada com
d0=2.5µm, dR=0.2 µm, k=10N/m, A=100x100 µm2, e
N=100 voltas, segue-se que IPI =0.6 mA e IPO ~0.1 mA.
Estes são valores de corrente plenamente aceitáveis,
comparados com a voltagem de pull-in um tanto altas
A aplicação da tecnologia MEMS aos
sistemas de RF/microondas é a
fronteira revolucionaria das
comunicações sem fio.
para uma chave similar acionada eletrostaticamente.
Chamamos a atenção que a força magnética Fm não
aumenta indefinidamente mas é limitada pela saturação do
fluxo no material da junção, Φ sat=Bsat.Ac, onde Ac é a
menor seção na direção do fluxo na junção. Níveis de
saturação da indução magnética Bsat estão tipicamente na
faixa de 0.5 a 1T para materiais ferromagnéticos como o
permalloy (Ni80Fe20), proporcionando forças na faixa de
1-4mN para uma área A=Ac=100 x 100 µm2, conseguidas
com níveis de corrente entre 4-8 mA em uma bobina com
N = 100 voltas e espaçamento de 1 µm. Em outras
palavras, a força máxima obtida por um atuador
eletromagnético, com níveis de corrente aceitáveis na
faixa de mA, é três ordens de grandeza maior que a força
obtida em atuadores eletrostáticos com níveis de voltagem
aceitáveis na faixa abaixo de 10V.
(9)
onde A é área da junção junto ao espaço de ar, d é o
espaçamento de ar e µ0 é a permeabilidade do espaço livre.
Note a correspondência com a força eletrostática dada por
(1). A FMM NI substitui a força eletromotriz (FEM) V.
Também neste caso, devido à não-linearidade entre Fm e a
distância d, instabilidade ocorre quando a FMM excede a
assim chamada pull-in FMM NIPI. Ao baixar a corrente,
depois da ocorrência de pull-in, o braço solta-se à uma
FMM (bem) mais baixa chamada de FMM de pull-out
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NIPO. Dessa maneira, um atuador eletromagnético possui
histerese,
Figura 8. Mecanismo de acionamento eletromagnético
ilustrado em um micro-relê
IEEE microwave magazine 43
Outro tipo de atuador magnético explora a força de
Lorentz agindo em um fio com corrente elétrica colocado
em um campo magnético. Este tipo de acionamento é
chamado de acionamento eletrodinâmico, nome dado pela
história aos atuadores de voz do tipo bobina, melhores
conhecidos como alto-falantes. O princípio de operação do
atuador eletrodinâmico é mostrado na figura 9(a), e uma
implementação específica em um atuador tipo braço é
mostrado na Figura 9(b). A força de Lorentz FL, agindo na
corrente I é dada por
fio de 100 µm de comprimento, carrega uma corrente de 1
mA quando colocado em um campo de 1T. Para a
obtenção de forças de 100 µN, como necessárias para
contatos Au-Au, uma corrente elétrica um tanto alta de 1A
é necessária. É digno de notar que, contrária à atuação
eletromagnética (como na Figura 8), instabilidade não
ocorre para o acionamento eletrodinâmico. Deteção do
movimento do braço baseia-se na mudança de
acoplamento do fluxo do circuito de corrente quando o
braço se movimenta, induzindo, portanto, uma voltagem
induzida, produzindo um sinal de deteção [6].
=
,
(11)
Como tanto o acionamento eletromagnético ou eletrodinâmico essencialmente baseia-se em corrente motriz, a
onde l é a seção transversal do fio colocado no campo
voltagem pode ser bem baixa. Isto torna o acionamento
magnético. A expressão acima prediz que uma força de
eletromagnético atraente, como demonstrado por alguns
Lorentz relativamente pequena de 0.1 µN agindo em um
exemplos de micro-relês movidos eletromagneticamente
[19], [20]. Os obstáculos, entretanto, são o consumo contínuo de
energia (dreno de corrente) quando
do estado acionado, e a tecnologia
de fabricação mais complexa (bobina integrada, materiais ferromagnéticos, por exemplo). Para diminuir o problema do consumo de
energia, travamento magnético,
usando um imã permanente, foi
implementado
em
um
relê
Figura 9. Ilustração do acionamento eletrodinâmico. (a) princípio mostrando um fio
desenvolvido pela Mafusion [20].
carregando uma corrente e em um campo magnético, experimentando a força de Lorentz
FL. (b) implementação em um micro-relê
Entretanto, isto com sacrifício de
Figura 10. Empacotamento a nível zero: (a) usando uma cápsula de filme fino; a foto SEM mostra um ressonador MEM
selado, mostrado após a remoção proposital da cápsula de filme fino [23]. (b) usando uma cápsula com circuito colado.
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de uma tecnologia de fabricação e empacotamento mais
complexas.
Empacotamento
Dispositivos MEMS, ao contrário de CI’s, possuem partes
móveis frágeis que precisam sem empacotadas em um
ambiente limpo e estável. O encapsulamento de
dispositivos MEMS é possível utilizando encapsulamento
cerâmico nível-um ou metálico, mas o custo é alto e a
tecnologia complexa. Por exemplo, não é possível usar o
corte de wafers padrão, pois isso destruiria MEMS
móveis. Isto significa que o encapsulamento deve ser efetuado preferencialmente durante o processamento dos
wafers, antes da divisão dos chips individuais. Esta etapa
de encapsulamento é conhecida como encapsulamento
nível-zero e cria um invólucro no wafer (ou uma cavidade
selada) em volta do dispositivo MEMS que funciona como
uma primeira camada de proteção. Existem duas
abordagens gerais, aqui referidas como “fechamento por
filmes finos” (thin-film capping) e “fechamento de
pastilha” (chip-capping), ilustradas na Figura 10(a) e (b),
respectivamente [21].
Em ambos os casos, além do custo baixo, o
encapsulamento deve satisfazer alguns requerimentos
técnicos específicos para aplicações, tais como:
 contra manuseio e ambiente hostil durante a
montagem e a operação
 barreira/blindagem
contra
campos
elétricos,
magnéticos e eletromagnéticos (luz)
 alta resistência (ao corte, à deformação e hidrostática)
 ambiente da cavidade controlado (pressão e
composição gasosa)
 selagem da cavidade (quase) hermética
 alimentação elétrica DC, RF, e de microondas de
baixa perda
 impacto mínimo nas características de rendimento
dos dispositivos
 processo de baixa temperatura (ex., < 350°C)
 boa troca de calor (dissipação térmica)
 stress térmico mínimo devido ao descasamento do
coeficiente de expansão térmica (CTE)
 fácil integração com processos MEMS front-end.
Encapsulamento por filmes finos exige
microusinagem superficial e tem sido
implementado em diversos dispositivos
MEMS tais como transdutores de
pressão [22], ressonadores MEM [23], e
acelerômetros [24].
Na preparação do encapsulamento por filmes finos
planeja-se um acesso ou um canal na parede da cavidade
[ver Figura 10(a)]. O elemento corrosivo da camada
sacrifical, por ex., uma solução tampão HF se for utilizado
oxido de silício como a camada sacrifical, entra por este
canal. Após a remoção da camada sacrifical, o canal é
selado utilizando, por exemplo, uma camada conforme de
nitreto por deposição de vapor químico em baixa pressão
(LPCVD) [23], uma camada de oxido através deposição de
vapor químico por plasma (PECVD) [24], ou deposição de
metal [25]. Até esta data, não existem na literatura
exemplos de fechamento por filmes finos para chaves
metálicas RF-MEMS ou capacitores sintonizáveis. Em
parte, isto é devido ao fato que os RF-MEMS metálicos
Figura 11. Chave RF-MEMS encapsulada em nível-zero utilizando BCB (empacotamento Tampa-wafer)[29].
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Figura 12. Implementações possíveis para ligação de RF em uma chave RF-MEMS com um encapsulamento nível-zero. (a)
Alimentação de RF horizontal planar, (b) Alimantação de RF horizontal enterrada. (c) RF via substrato. (d) RF via Tampa.
Figura 13. Encapsulamento nível-zero com Linha CPW (25/100/25µm, 2,3mm de comprimento, 3 µm de espessura em Cu)
implementando uma alimentação de RF horizontal [34]. (a) Vista lateral e de topo. (b) S21 medido em substrato AF45 fechado com
uma tampa de LRSi (1-10 Ωcm, h= 85 µm) e tampa de HRSi (>4000 Ωcm) com a altura da cavidade variável.
fabricados hoje utilizam alumínio ou ouro e, portanto, não
podem ser expostos às altas temperaturas (>400°C) usadas
para os processos de deposição e selagem das tampas de
filmes finos. Alem do mais, selagem em pressão reduzida
(como, por exemplo, para nitretos LPCVD) não é desejada
em quanto as chaves e os capacitores devem funcionar em
pressão “padrão” num ambiente inerte para um
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desempenho confiável sem instabilidade dos contatos ou
tempos estendidos de estabelecimento (devidos à ausência
de damping). Do ponto de vista do orçamento térmico, o
encapsulamento metálico por filmes finos é uma
possibilidade, mas o método descrito em [25] conduz a um
encapsulamento em vácuo.
Por outro lado, o fechamento de pastilha possui a van-
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tagem de grande flexibilidade em temperaturas de
processo e controle ambiental. No fechamento por
pastilha, é pratica comum soldar uma pastilha de
fechamento diretamente no wafer de dispositivos MEMS,
como é ilustrado na Figura 10(b). O anel de adesão e
vedação possui tipicamente 50-300µm de largura. A
adesão deve ser efetuada em temperaturas suficientemente
baixas (geralmente abaixo de 350°C) para que a
metalização e outros materiais do dispositivo RF-MEMS
não sejam afetados. As técnicas de adesão que podem ser
utilizadas para este propósito incluem adesão por solda,
adesão por termocompressão ouro-ouro, e adesão
utilizando vidros de baixa temperatura (“frita” de vidro),
selagens epóxi ou adesivos poliméricos. A adesão
caracteriza-se pela sua resistência (corte e deformação) e
pela hermeticidade da selagem. O desempenho do
dispositivo pode ser fortemente afetado pelas condições
ambientais. Por exemplo, forças capilares devidas à
absorção de uma camada líquida (umidade) ou qualquer
contaminante ou depósito orgânico, podem “colar” as
superfícies de contato umas com as outras. Os metais
podem ser corroídos pela umidade interna à cavidade.
Além disso, o fator-Q dos ressonadores MEMS depende
profundamente da pressão ambiental [23]. Portanto, um
projeto confiável deve assegurar que um encapsulamento
hermético nível-zero impeça que a umidade e outros
contaminantes orgânicos possam migrar nas regiões ativas
do dispositivo. A maioria dos polímeros sofre de grave
absorção de umidade. As melhores selagens
(impermeáveis) continuam sendo vidro, nitreto de silicio,
cerâmicas e metais. Um método alternativo e muito
promissor emprega aquecimento localizado no qual a
dissipação térmica é confinada a uma pequena região em
volta da adesão [26].
Isto permite conseguir temperaturas de adesão
razoavelmente altas (até 800 °C), oferecendo um controle
de temperatura melhor e mais rápido, melhor qualidade na
O empacotamento em um único
nível fornece proteção ambiental
e mecânica aos dispositivos,
mas não sem degradar o
desempenho elétrico.
adesão e uma escolha mais ampla de materiais que podem
ser aderidos possuindo propriedades selantes melhores do
que aquelas de materiais de baixa temperatura. Outra
consideração importante do encapsulamento MEMS nívelzero refere-se aos volumes extremamente pequenos das
cavidades (centenas de nanolitros). Para manter uma
pressão estável no interior de uma cavidade requerem-se
taxas de vazamento muito baixas (melhor que 10-15
mbar.l/s [27]) e, além disso, o “outgassing” dos gases
atmosféricos e dos vapores originários do material de
Figura 14. Exemplos de encapsulamento nível-um em dispositivos (RF-)MEMS.
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encapsulamento saindo das superfícies da cavidade
ocasiona rapidamente uma mudança significante de
pressão. A inclusão de materiais absorvedores (getter), tais
quais Pd, Pt, Ti ou Zr-Al-Fe, no interior do
encapsulamento RF-MEMS, utilizados para absorver
umidade e outros gases, é considerada uma solução viável
para controlar o ambiente da cavidade [28].
Desde o início do desenvolvimento de chaves RFMEMS, muitos grupos de pesquisa têm negligenciado o
encapsulamento destes dispositivos. Freqüentemente, os
dispositivos eram desenvolvidos independentemente do
O fato que RF MEMS comporta
dispositivos passivos excelentes tornao um candidato principal para produzir
uma pletora de utensílios sem fio
atuando no âmbito doméstico/terrestre,
móvel e espacial.
encapsulamento, até recentemente, quando apareceram as
primeiras publicações sobre chaves RF-MEMS com
encapsulamento
nível-zero
[29]-[31].
Para
o
encapsulamento nível-zero das chaves RF-MEMS
desenvolvidas no IMEC, são investigados dois métodos
diferentes de adesão para a blindagem de chips. Um deles
depende da soldagem [19], [32], e o outro em
Benzociclobuteno (BCB) [27], [29] como camada de
adesão e de selagem. Um exemplo de chave RF-MEMS
capacitiva com encapsulamento nível-zero, desenvolvida
em conjunto com a Alcatel Microelectronics (hoje AMIS),
é ilustrado na Figura 11 [30]. BCB é utilizado como
material de adesão e selagem. O BCB possui excelentes
propriedades de RF além de degaseificação (outgassing)
mínima e baixa absorção de umidade. As tampas de
selagem são fabricadas de vidro borosilicato de baixa
perda (AF45). Montagem chip-on-wafer usando uma
alinhadora e fixadora flip-chip foi utilizada para tampar as
chaves individuais. Tem sido obtidas ligações muito
fortes, apresentando resistências superiores a 10MPa.
Vazamentos brutos (taxas de vazamento >10-4 mbar l/seg)
não foram observados, indicando que os MEMS
encontram-se bem protegidos durante o manuseio e os
processos de back-end (ex., corte final dos wafers). Por
outro lado, não se pode esperar hermeticidade total de um
polímero como o BCB. Os primeiros testes têm indicado
taxas de vazamento para cavidades seladas com BCB da
ordem de 10-7-10-8 mbar l/seg para anéis de vedação com
~100µm de largura.
Para encapsular uma chave RF-MEMS (ou qualquer
outro tipo de dispositivo RF-MEMS), o próprio
encapsulamento deverá ter o mínimo efeito possível no
desempenho do dispositivo. Num encapsulamento ideal, as
características RF, antes e depois da selagem, deveriam ser
as mesmas. Isto requer transições RF de baixa perda assim
como perda induzida e dessintonização mínimas das linhas
de transmissão causadas pelo acoplamento de proximidade
à tampa. Quatro possíveis implementações de transições
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RF podem ser concebidas, como é ilustrado na Figura 12
[33]:
1) alimentação horizontal coplanar, ver Figura 12(a)
[29], [34]
2) alimentação horizontal embutida, ver Figura 12(b)
[32]
3) vias verticais através do substrato, ver Fig. 12(c)
[30], [31]
4) vias verticais através do chip de fechamento, ver
Figura 12(d).
A implementação por meio de vias verticais apresenta uma
solução mais compacta do que a concepção por meio da
alimentação horizontal, mas o processo é mais complexo,
já que é necessário corroer furos através do wafer. Em
termos de desempenho RF, espera-se um comportamento
semelhante para os quatro tipos de implementação,
observando-se que para a alimentação embutida são
necessárias larguras de linhas sempre menores para
maiores freqüências, por exemplo, acima de 30 GHz,
resultando num aumento de perdas.
A alimentação horizontal coplanar, realizada como nas
chaves da Figura 11, é a mais simples em termos de
projeto e processo. A utilização de materiais selantes de
baixa perda e alta resistividade e uma tampa com altura de
cavidade suficiente irão conter amplamente a influência
degradadora devida à presença da tampa [34]. Isto é
ilustrado na Figura 13, que mostra um exemplo do
desempenho RF de um alimentador coplanar [como na
figura 12(a)] utilizando BCB como dielétrico (e camada de
adesão e seladora) medido numa linha de guia de onda de
travessia coplanar (CPW). Encontra-se que o impacto nas
características RF de um dispositivo RF-MEMS
manufaturado numa linha CPW de 50-Ω com espaçamento
solo-solo de 150 µm, é mantido insignificante utilizando
chips de fechamento feitos de silício de alta resistência e
com uma altura de cavidade que excede 45 µm, i.e., ~1/3
do espaçamento solo-solo [34].
A alimentação horizontal coplanar, realizada como nas
chaves da Figura 11, é a mais simples em termos de
projeto e processo. A utilização de materiais selantes de
baixa perda e alta resistividade e uma tampa com altura de
cavidade suficiente irão conter amplamente a influência
degradadora devida à presença da tampa [34]. Isto é
ilustrado na Figura 13, que mostra um exemplo do
desempenho RF de um alimentador coplanar [como na
figura 12(a)] utilizando BCB como dielétrico (e camada de
adesão e seladora) medido numa linha de guia de onda de
travessia coplanar (CPW). Encontra-se que o impacto nas
características RF de um dispositivo RF-MEMS
manufaturado numa linha CPW de 50-Ω com espaçamento
solo-solo de 150 µm, é mantido insignificante utilizando
chips de fechamento feitos de silício de alta resistência e
com uma altura de cavidade que excede 45 µm, i.e., ~1/3
do espaçamento solo-solo [34].
Uma vez encapsulados com nível-zero, os wafers
MEMS podem ser manuseados como wafers IC e podem
ser serrados sem grandes perigos de quebrar o dispositivo
MEMS. Após o corte, os dispositivos encapsulados em
nível-zero são tratados como pastilhas individuais que
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podem ser posteriormente encapsuladas em nível-um, por
exemplo, montadas num encapsulamento cerâmico [Figura
14(a)] ou num encapsulamento moldado em plástico
[Figura 14(b)][19], [30]. Adicionalmente, utilizando
tecnologias de encapsulamento mais avançadas, a
montagem pode ser tratada como encapsulamento chipscale (CSP) e ligada diretamente a uma placa de circuito
impresso [Fig. 14(c)] ou a uma chapa matriz Ball-grid
(BGA) [Figura. 14(d)].
O encapsulamento nível-um fornece proteção mecânica
e ambiental aos dispositivos nele contidos, mas não sem
degradar o desempenho elétrico. Em freqüências de
microondas (e maiores) o impacto do encapsulamento no
desempenho elétrico torna-se um elemento importante a ser
considerado no projeto do dispositivo [35]. O
encapsulamento plástico [Figura 14(b)] é a solução mais
comum aplicável para freqüências abaixo de alguns
gigahertzs. Uma escolha cuidadosa do material plástico de
moldagem com o projeto RF dos contatos permite a
utilização até 10 GHz. Para o uso em freqüências maiores,
encapsulamentos cerâmicos baseados em tecnologias
cerâmicas multicamada de queima conjunta em baixa
temperatura (LTCC) ou em alta temperatura (HTCC), que
utilizam dielétricos de baixa perda combinados com
montagem do dispositivo tipo flip-chip para conexões
curtas, exibem potencial para um bom desempenho no
regime de ondas milimétricas (até 80 GHz) [36].
Conclusões
Apresentaram-se os fundamentos da tecnologia RF-MEMS.
Em especifico, foram abordados tópicos de técnicas de
fabricação (microusinagem superficial e de bulk) e suas
limitações, mecanismos chave de atuação física sobre os
quais dispositivos RF-MEMS são fundados, e encapsulamento de dispositivos por níveis.
A segunda parte deste artigo encontra-se a seguir e trata
do progresso e do impacto de três tipos de dispositivos RFMEMS de usinagem superficial, sendo eles capacitores
comutáveis
(SC),
varactors
(capacitores
variáveis/sintonizáveis) e chaves ohmicas em aparelhos, estações
de base e satélites. Mais especificamente, serão
apresentados temas como motivação/justificativa de nível
de sistema para RF-MEMS, requisitos de dispositivos,
manufatura em larga escala, encapsulamento, e estado-daarte em desempenho e confiabilidade.
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