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MEMS son las siglas en inglés de
Sistema Micro-Electromecánico, es decir, componentes cuyas
partes de tamaño inferior al milímetro deben moverse para que
el componente tenga funcionalidad electrónica. Dispositivos
MEMS pasivos para radiofrecuencia se emplean para implementar
capacidades, inductancias, resonadores, conmutadores, filtros,
varactores y desplazadores de fase de alta calidad, ofreciendo
bajas pérdidas, altos factores de calidad Q (por tanto altas
selectividades), alta linealidad y altas potencias aceptables.
Aunque hoy en su mayoría no han salido de los laboratorios de
investigación, pueden ser producidos mediante técnicas de
litografía avanzadas empleadas en microelectrónica.
Dentro de la amplia gama de aplicación de la tecnología MEMS, existe una oportunidad inigualable de implementar resonadores y filtros micromecánicos de altas prestaciones en cuanto a su selectividad y factores Q. Combinando estas estructuras mecánicas con dispositivos microelectrónicos pueden implementarse partes centrales de sistemas de radiofrecuencia: como ejemplos, varios tipos de osciladores, osciladores controlados por voltaje (VCO), mezcladores y filtros estrechos. Los filtros y resonadores MEMS obtenidos hasta la fecha están basados en sus vibraciones mecánicas en dirección vertical u horizontal en obleas de silicio. Repasemos algunos de estos nuevos componentes.
Dispositivos de RF micromecánicos
Conmutadores micromecánicos. Con pérdidas de inserción típicas de 0,1 dB, puntos de intercepción IP3 mayores de 66 dB y picovatios de consumo, pueden superar ampliamente las prestaciones de semiconductores (FET o diodos) en conmutación de antenas y filtros, al estar construidos con metales de pérdidas muy inferiores a las de los semiconductores.
Condensadores variables de Q medio. Los condensadores mecánicos variables MEMS están formados por placas metálicas movibles electrostáticamente, o bien por dieléctricos movibles entre dos placas metálicas, de forma que su capacidad es controlada por voltaje. Como en el caso de los conmutadores, al poder ser construidos en base a metales, pueden obtenerse factores Q tan altos como 300, muy superiores a los obtenidos mediante diodos PN en los circuitos integrados de tecnología convencional. Agrupados con inductancias de Q medio, los condensadores mecánicos pueden mejorar las características de osciladores VCO de bajo ruido; asimismo, si pudieran obtenerse inductancias con Q de hasta 300, se conseguirían filtros preselectores de RF que simplificarían considerablemente la implementación de transceptores multibanda.
Inductancias micromaquinadas de Q medio. La tecnología convencional no permite incluir en un circuito integrado inductores de factor Q mayor de 7. Mediante tecnologías MEMS ha sido posible realizar demostraciones de integración de inductancias con Q tan altos como 70 en frecuencias de 1 GHz. Circuitos de polarización y adaptación que reduzcan el consumo en amplificadores de potencia también deberían ser posibles gracias a estos inductores integrados.
Resonadores micromecánicos de alto Q. Dado que las resonancias mecánicas en general muestran factores Q muy superiores a los de sus equivalentes eléctricos, los resonadores mecánicos vibrantes son componentes esenciales en circuitos de comunicaciones; escalándolos adecuadamente mediante tecnología MEMS, estos dispositivos pueden ser diseñados para oscilar en un margen de frecuencias muy amplio, de menos de 1 kHz a más de 1 GHz, lo que los hace ideales como osciladores ultra estables y filtros de bajas pérdidas para un amplio rango de tipos de transceptores de comunicaciones.
Los años han visto una evolución de las estructuras de los dispositivos MEMS de RF; como ejemplo, una estructura relativamente avanzada en su momento, podría decirse formada por “cuerdas de guitarra” escaladas a escala micrométrica, permitió obtener factores Q del orden de 8000 en frecuencias de HF, siendo utilizable en funciones de oscilador o filtrado en frecuencias de hasta 100 MHz.
Otras estructuras han sido desarrolladas para sobrepasar ese límite y manteniendo factores Q del orden de miles; una de ellas, un disco micrométrico de diamante dopado alcanzó en la frecuencia de 1,51 GHz un Q de 11.555 en el vacío y de 10.100 en el aire, eliminando el requerimiento que tienen otras estructuras de hallarse en el vacío para alcanzar tales factores Q eliminando las pérdidas debidas al rozamiento con el aire. El mencionado disco tenía un diámetro de 20 micras (milésimas de milímetro) y un grosor de 2 micras.
Circuitos micromecánicos. Los resonadores mecánicos pueden ser empleados en síntesis de frecuencia en transceptores, pero sus aplicaciones pueden ir más allá si son empleados en redes de circuitos. En particular, entrelazando elementos mecánicos en redes específicas se obtiene una variedad de circuitos de bajas pérdidas desde filtros paso bajo a mezcladores, pasando por dispositivos con ganancia.
Como ejemplo, en un laboratorio se consiguió desarrollar el filtro paso banda de la foto A, sintonizado en 68,1 MHz, con un ancho de banda del 0,28% (190 kHz), pérdidas de inserción menores de 2,7 dB, y todo en unas dimensiones de 250 x 60 micras, una estructura con 43 resonadores y enlaces y con un consumo nulo. Además, el filtro puede ser conmutado (incluido o excluido del camino de la RF, sea en transmisión o recepción) mediante una tensión de polarización, por lo que no necesita dispositivos de conmutación externos que introducirían pérdidas.
Foto A. Microfotografía de un filtro paso banda micromecánico para 68,1 MHz, construido en base a una red de resonadores cuadrados acoplados mecánicamente para reducir sus impedancias de entrada y salida. Fuente: [1]
Asimismo, circuitos como el de la foto A pueden ser empleados en la adaptación de impedancias entre circuitos y antenas, siendo 50 y 377 ohmios las impedancias más comunes en antenas exteriores a los chips. De hecho, el mencionado filtro presenta 50 ohmios en su entrada y en su salida, gracias a su diseño.
Los filtros son los bloques básicos en sistemas de conversión de frecuencia como receptores y emisores. La necesidad de poder variar sus características frecuenciales en sistemas de recepción de banda ancha y transmisores, habitualmente se resuelve conmutando múltiples circuitos de sintonía fija. El uso de filtros y resonadores sintonizables puede simplificar notablemente la complejidad y las pérdidas en equipos multibanda. Desafortunadamente, todavía no existe un componente resonador sintonizable que iguale las características de los resonadores fijos, pero la llegada de sistemas MEMS para radiofrecuencia introduce nuevas posibilidades de obtener resonadores de frecuencia variable con las prestaciones de los fijos.
¿Desaparecerán los cristales de cuarzo?
Los resonadores a cristal de cuarzo son la norma en el control de frecuencia debido a su gran estabilidad, que los hace superiores a otras alternativas, aunque también tienen sus inconvenientes: dificultad de integración en dispositivos CMOS, coste y degradación si son sujetos a impactos o vibraciones mecánicos.
En 2007 se estima que más de 10.000 millones de cristales u osciladores de cuarzo fueron producidos, pero la industria electrónica lleva décadas estudiando los MEMS como candidatos a reemplazar a los cristales de cuarzo en algunas aplicaciones de control de frecuencia.
La empresa Ecliptek ya produce osciladores programables MEMS, con una desviación máxima de ±50 partes por millón en un margen de temperatura de -40 a +85 °C, y con un ventajoso proceso de producción en oblea CMOS, imposible de utilizar en la producción de cristales de cuarzo. Su proceso de fabricación es más sencillo, rápido, y su menor tamaño, mejores características e inclusión en chips CMOS permitirá reducir las dimensiones de equipos inalámbricos, y según algunas fuentes llevará a la desaparición del cuarzo de las placas de circuito impreso.
Arquitecturas de transceptores basadas en MEMS
En una arquitectura de transceptor, la sustitución de determinados componentes (que no sean circuitos integrados) por dispositivos MEMS puede llevar a significativas mejoras en sus características. Como ejemplo, en transceptores superheterodinos, la sustitución de componentes pasivos de alto Q por MEMS de mayor Q causa a menudo una brusca mejora en la figura de ruido en recepción, en casos pasando de 8,8 dB a 2,8 dB. Además, recientemente se han realizado demostraciones de osciladores de bajo ruido de fase enganchados a elementos resonadores micromecánicos de ajuste de frecuencia, mostrando un consumo mucho menor que el de sus equivalentes convencionales.
Las mejoras en las prestaciones por la simple sustitución por componentes MEMS son limitadas en relación a las obtenidas por un uso más intensivo de la tecnología MEMS, que aprovecha las ventajas derivadas de su tamaño, su nulo consumo de corriente continua, robustez y alta selectividad. En la figura 1 se observa el diagrama de bloques de la posible etapa frontal de un transceptor ejemplo de la gran complejidad alcanzable mediante circuitos mecánicos.
Figura 1. Diagrama de bloques de una arquitectura de transceptor de RF de baja potencia, que emplea dispositivos MEMS de RF (bloques en verde) para mejorar la robustez y reducir el consumo respecto las arquitecturas de hoy en día
Los objetivos de mayor robustez y menor consumo se logran situando componentes mecánicos pasivos de bajas pérdidas allá donde en una arquitectura convencional habría componentes activos. Algunas de las principales mejoras en el transceptor son:
Selector de RF. Un selector de RF formado por un banco de filtros mecánicos conmutables permite funcionamiento multibanda, menor consumo en recepción gracias a las menores exigencias de margen dinámico, y menor consumo en transmisión gracias al uso de un amplificador de potencia más eficiente
Filtros-mezcladores. El uso de filtros-mezcladores pasivos mecánicos, en sustitución de los mezcladores activos habituales, con el obvio ahorro de energía.
Oscilador enganchado a resonadores mecánicos. El VCO toma la referencia de un banco de resonadores mecánicos conmutables, no requiere tomar referencia de una señal de frecuencia inferior y así su consumo es varios órdenes de magnitud inferior que el de los sintetizadores en uso hoy en día.
Conmutación mecánica entre transmisión y recepción. Implementable mediante un conmutador MEMS de RF, o mediante una red de filtros micromecánicos de transducción capacitiva, tiene el potencial de reducir considerablemente el consumo en transmisión.
Y finalmente, el uso de componentes de conmutación y resonadores mecánicos en la etapa amplificadora de potencia para mejorar su eficiencia.
Aunque ya bastante intensiva, la arquitectura de la figura 1 todavía no representa todo el potencial de ahorro de energía de la tecnología MEMS; de hecho, es posible mejorar aún más robustez y consumo si los componentes mecánicos de alta selectividad en el trayecto de la señal introducen unas pérdidas tan bajas que el amplificador de bajo ruido de recepción (LNA, normalmente necesario para subir el nivel de las señales recibidas por encima del ruido y las pérdidas de las etapas posteriores) deja de ser necesario. Más bien, si se prescinde de dicho LNA de RF desaparecen su ruido, consumo y limitaciones de linealidad, lográndose un mayor magen dinámico en la etapa frontal de recepción. La ganancia necesaria para que la señal de banda base a demodular tenga un nivel aceptable puede obtenerse mediante un amplificador LNA de frecuencia intermedia, que consumirá mucha menos potencia dado que opera en una frecuencia mucho menor.
Resumen
Los dispositivos micromecánicos y circuitos implementados mediante tecnologías MEMS potencialmente pueden jugar un papel fundamental en reducir el tamaño de los equipos de radiocomunicaciones. Además, las ventajas de la integración conjunta de transistores y circuitos mecánicos harán posible funciones antes irrealizables, que permitirán arquitecturas alternativas con sustanciales mejoras, especialmente en cuanto a robustez y consumo de energía. No obstante, para alcanzar los beneficios de estas tecnologías son necesarios progresos en la automatización del diseño de estos circuitos micromecánicos.
Foto B. Filtro MEMS de cinco polos para UHF, con un tamaño de 3,5 x 14 milímetros. Es sintonizable entre 880 y 992 MHz, su ancho de banda varía entre 168 y 174 MHz (en teoría debía ser constante), y las pérdidas de inserción en la banda de paso varían entre 6,6 y 7,3 dB. Fuente: [2]
Foto C. Filtro MEMS de cinco polos para VHF, con un tamaño de 4 x 16 milímetros. Es sintonizable entre 110 y 160 MHz, su ancho de banda varía entre 37 y 58 MHz, y las pérdidas de inserción varían entre 3,7 y 4,2 dB. Fuente: [2]
Fuentes
[1] T. Clark, C. Nguyen, "RF MEMS in Wireless Architectures", DARPA/MTO (ACM, 2005).
[2] Varios autores, "RF MEMS-Based Tunable Filters", John Wiley & Sons, Inc. Int J RF and Microwave CAE11.
[3] SAE Technology Newsletter, 1-4-2008.
Página de inicio
Dentro de la amplia gama de aplicación de la tecnología MEMS, existe una oportunidad inigualable de implementar resonadores y filtros micromecánicos de altas prestaciones en cuanto a su selectividad y factores Q. Combinando estas estructuras mecánicas con dispositivos microelectrónicos pueden implementarse partes centrales de sistemas de radiofrecuencia: como ejemplos, varios tipos de osciladores, osciladores controlados por voltaje (VCO), mezcladores y filtros estrechos. Los filtros y resonadores MEMS obtenidos hasta la fecha están basados en sus vibraciones mecánicas en dirección vertical u horizontal en obleas de silicio. Repasemos algunos de estos nuevos componentes.
Dispositivos de RF micromecánicos
Conmutadores micromecánicos. Con pérdidas de inserción típicas de 0,1 dB, puntos de intercepción IP3 mayores de 66 dB y picovatios de consumo, pueden superar ampliamente las prestaciones de semiconductores (FET o diodos) en conmutación de antenas y filtros, al estar construidos con metales de pérdidas muy inferiores a las de los semiconductores.
Condensadores variables de Q medio. Los condensadores mecánicos variables MEMS están formados por placas metálicas movibles electrostáticamente, o bien por dieléctricos movibles entre dos placas metálicas, de forma que su capacidad es controlada por voltaje. Como en el caso de los conmutadores, al poder ser construidos en base a metales, pueden obtenerse factores Q tan altos como 300, muy superiores a los obtenidos mediante diodos PN en los circuitos integrados de tecnología convencional. Agrupados con inductancias de Q medio, los condensadores mecánicos pueden mejorar las características de osciladores VCO de bajo ruido; asimismo, si pudieran obtenerse inductancias con Q de hasta 300, se conseguirían filtros preselectores de RF que simplificarían considerablemente la implementación de transceptores multibanda.
Inductancias micromaquinadas de Q medio. La tecnología convencional no permite incluir en un circuito integrado inductores de factor Q mayor de 7. Mediante tecnologías MEMS ha sido posible realizar demostraciones de integración de inductancias con Q tan altos como 70 en frecuencias de 1 GHz. Circuitos de polarización y adaptación que reduzcan el consumo en amplificadores de potencia también deberían ser posibles gracias a estos inductores integrados.
Resonadores micromecánicos de alto Q. Dado que las resonancias mecánicas en general muestran factores Q muy superiores a los de sus equivalentes eléctricos, los resonadores mecánicos vibrantes son componentes esenciales en circuitos de comunicaciones; escalándolos adecuadamente mediante tecnología MEMS, estos dispositivos pueden ser diseñados para oscilar en un margen de frecuencias muy amplio, de menos de 1 kHz a más de 1 GHz, lo que los hace ideales como osciladores ultra estables y filtros de bajas pérdidas para un amplio rango de tipos de transceptores de comunicaciones.
Los años han visto una evolución de las estructuras de los dispositivos MEMS de RF; como ejemplo, una estructura relativamente avanzada en su momento, podría decirse formada por “cuerdas de guitarra” escaladas a escala micrométrica, permitió obtener factores Q del orden de 8000 en frecuencias de HF, siendo utilizable en funciones de oscilador o filtrado en frecuencias de hasta 100 MHz.
Otras estructuras han sido desarrolladas para sobrepasar ese límite y manteniendo factores Q del orden de miles; una de ellas, un disco micrométrico de diamante dopado alcanzó en la frecuencia de 1,51 GHz un Q de 11.555 en el vacío y de 10.100 en el aire, eliminando el requerimiento que tienen otras estructuras de hallarse en el vacío para alcanzar tales factores Q eliminando las pérdidas debidas al rozamiento con el aire. El mencionado disco tenía un diámetro de 20 micras (milésimas de milímetro) y un grosor de 2 micras.
Circuitos micromecánicos. Los resonadores mecánicos pueden ser empleados en síntesis de frecuencia en transceptores, pero sus aplicaciones pueden ir más allá si son empleados en redes de circuitos. En particular, entrelazando elementos mecánicos en redes específicas se obtiene una variedad de circuitos de bajas pérdidas desde filtros paso bajo a mezcladores, pasando por dispositivos con ganancia.
Como ejemplo, en un laboratorio se consiguió desarrollar el filtro paso banda de la foto A, sintonizado en 68,1 MHz, con un ancho de banda del 0,28% (190 kHz), pérdidas de inserción menores de 2,7 dB, y todo en unas dimensiones de 250 x 60 micras, una estructura con 43 resonadores y enlaces y con un consumo nulo. Además, el filtro puede ser conmutado (incluido o excluido del camino de la RF, sea en transmisión o recepción) mediante una tensión de polarización, por lo que no necesita dispositivos de conmutación externos que introducirían pérdidas.
Foto A. Microfotografía de un filtro paso banda micromecánico para 68,1 MHz, construido en base a una red de resonadores cuadrados acoplados mecánicamente para reducir sus impedancias de entrada y salida. Fuente: [1]
Asimismo, circuitos como el de la foto A pueden ser empleados en la adaptación de impedancias entre circuitos y antenas, siendo 50 y 377 ohmios las impedancias más comunes en antenas exteriores a los chips. De hecho, el mencionado filtro presenta 50 ohmios en su entrada y en su salida, gracias a su diseño.
Los filtros son los bloques básicos en sistemas de conversión de frecuencia como receptores y emisores. La necesidad de poder variar sus características frecuenciales en sistemas de recepción de banda ancha y transmisores, habitualmente se resuelve conmutando múltiples circuitos de sintonía fija. El uso de filtros y resonadores sintonizables puede simplificar notablemente la complejidad y las pérdidas en equipos multibanda. Desafortunadamente, todavía no existe un componente resonador sintonizable que iguale las características de los resonadores fijos, pero la llegada de sistemas MEMS para radiofrecuencia introduce nuevas posibilidades de obtener resonadores de frecuencia variable con las prestaciones de los fijos.
¿Desaparecerán los cristales de cuarzo?
Los resonadores a cristal de cuarzo son la norma en el control de frecuencia debido a su gran estabilidad, que los hace superiores a otras alternativas, aunque también tienen sus inconvenientes: dificultad de integración en dispositivos CMOS, coste y degradación si son sujetos a impactos o vibraciones mecánicos.
En 2007 se estima que más de 10.000 millones de cristales u osciladores de cuarzo fueron producidos, pero la industria electrónica lleva décadas estudiando los MEMS como candidatos a reemplazar a los cristales de cuarzo en algunas aplicaciones de control de frecuencia.
La empresa Ecliptek ya produce osciladores programables MEMS, con una desviación máxima de ±50 partes por millón en un margen de temperatura de -40 a +85 °C, y con un ventajoso proceso de producción en oblea CMOS, imposible de utilizar en la producción de cristales de cuarzo. Su proceso de fabricación es más sencillo, rápido, y su menor tamaño, mejores características e inclusión en chips CMOS permitirá reducir las dimensiones de equipos inalámbricos, y según algunas fuentes llevará a la desaparición del cuarzo de las placas de circuito impreso.
Arquitecturas de transceptores basadas en MEMS
En una arquitectura de transceptor, la sustitución de determinados componentes (que no sean circuitos integrados) por dispositivos MEMS puede llevar a significativas mejoras en sus características. Como ejemplo, en transceptores superheterodinos, la sustitución de componentes pasivos de alto Q por MEMS de mayor Q causa a menudo una brusca mejora en la figura de ruido en recepción, en casos pasando de 8,8 dB a 2,8 dB. Además, recientemente se han realizado demostraciones de osciladores de bajo ruido de fase enganchados a elementos resonadores micromecánicos de ajuste de frecuencia, mostrando un consumo mucho menor que el de sus equivalentes convencionales.
Las mejoras en las prestaciones por la simple sustitución por componentes MEMS son limitadas en relación a las obtenidas por un uso más intensivo de la tecnología MEMS, que aprovecha las ventajas derivadas de su tamaño, su nulo consumo de corriente continua, robustez y alta selectividad. En la figura 1 se observa el diagrama de bloques de la posible etapa frontal de un transceptor ejemplo de la gran complejidad alcanzable mediante circuitos mecánicos.
Figura 1. Diagrama de bloques de una arquitectura de transceptor de RF de baja potencia, que emplea dispositivos MEMS de RF (bloques en verde) para mejorar la robustez y reducir el consumo respecto las arquitecturas de hoy en día
Los objetivos de mayor robustez y menor consumo se logran situando componentes mecánicos pasivos de bajas pérdidas allá donde en una arquitectura convencional habría componentes activos. Algunas de las principales mejoras en el transceptor son:
Selector de RF. Un selector de RF formado por un banco de filtros mecánicos conmutables permite funcionamiento multibanda, menor consumo en recepción gracias a las menores exigencias de margen dinámico, y menor consumo en transmisión gracias al uso de un amplificador de potencia más eficiente
Filtros-mezcladores. El uso de filtros-mezcladores pasivos mecánicos, en sustitución de los mezcladores activos habituales, con el obvio ahorro de energía.
Oscilador enganchado a resonadores mecánicos. El VCO toma la referencia de un banco de resonadores mecánicos conmutables, no requiere tomar referencia de una señal de frecuencia inferior y así su consumo es varios órdenes de magnitud inferior que el de los sintetizadores en uso hoy en día.
Conmutación mecánica entre transmisión y recepción. Implementable mediante un conmutador MEMS de RF, o mediante una red de filtros micromecánicos de transducción capacitiva, tiene el potencial de reducir considerablemente el consumo en transmisión.
Y finalmente, el uso de componentes de conmutación y resonadores mecánicos en la etapa amplificadora de potencia para mejorar su eficiencia.
Aunque ya bastante intensiva, la arquitectura de la figura 1 todavía no representa todo el potencial de ahorro de energía de la tecnología MEMS; de hecho, es posible mejorar aún más robustez y consumo si los componentes mecánicos de alta selectividad en el trayecto de la señal introducen unas pérdidas tan bajas que el amplificador de bajo ruido de recepción (LNA, normalmente necesario para subir el nivel de las señales recibidas por encima del ruido y las pérdidas de las etapas posteriores) deja de ser necesario. Más bien, si se prescinde de dicho LNA de RF desaparecen su ruido, consumo y limitaciones de linealidad, lográndose un mayor magen dinámico en la etapa frontal de recepción. La ganancia necesaria para que la señal de banda base a demodular tenga un nivel aceptable puede obtenerse mediante un amplificador LNA de frecuencia intermedia, que consumirá mucha menos potencia dado que opera en una frecuencia mucho menor.
Resumen
Los dispositivos micromecánicos y circuitos implementados mediante tecnologías MEMS potencialmente pueden jugar un papel fundamental en reducir el tamaño de los equipos de radiocomunicaciones. Además, las ventajas de la integración conjunta de transistores y circuitos mecánicos harán posible funciones antes irrealizables, que permitirán arquitecturas alternativas con sustanciales mejoras, especialmente en cuanto a robustez y consumo de energía. No obstante, para alcanzar los beneficios de estas tecnologías son necesarios progresos en la automatización del diseño de estos circuitos micromecánicos.
Foto B. Filtro MEMS de cinco polos para UHF, con un tamaño de 3,5 x 14 milímetros. Es sintonizable entre 880 y 992 MHz, su ancho de banda varía entre 168 y 174 MHz (en teoría debía ser constante), y las pérdidas de inserción en la banda de paso varían entre 6,6 y 7,3 dB. Fuente: [2]
Foto C. Filtro MEMS de cinco polos para VHF, con un tamaño de 4 x 16 milímetros. Es sintonizable entre 110 y 160 MHz, su ancho de banda varía entre 37 y 58 MHz, y las pérdidas de inserción varían entre 3,7 y 4,2 dB. Fuente: [2]
Fuentes
[1] T. Clark, C. Nguyen, "RF MEMS in Wireless Architectures", DARPA/MTO (ACM, 2005).
[2] Varios autores, "RF MEMS-Based Tunable Filters", John Wiley & Sons, Inc. Int J RF and Microwave CAE11.
[3] SAE Technology Newsletter, 1-4-2008.
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