Desenvolvimento de tecnologia de dispositivos chaves MEMS - MicroelectromechanicalSystems - para RF - Radio Frequencia - e novas topologias para circuitos integrados CMOS de RF em sub-sistemas de entrada de radio receptores

Abstract

Um homem precisa viajar. Por sua conta, não por meio de histórias, imagens, livros ou TV. Precisa viajar por si, com seus olhos e pés, para entender o que é seu. Para um dia plantar as suas árvores e dar-lhes valor. Conhecer o frio para desfrutar o calor. E o oposto. Sentir a distância e o desabrigo para estar bem sob o próprio teto. Um homem precisa viajar para lugares que não conhece para quebrar essa arrogância que nos faz ver o mundo como o imaginamos, e não simplesmente como é ou pode ser; que nos faz professores e doutores do que não vimos, quando deveríamos ser alunos, e simplesmente ir ver". Amir Klink v Dedico este trabalho às minhas amadas mulher e filha, Patrícia e Manuela, aos meus pais, Antonio e Auxiliadora e irmãos Antonio e Alexandre e, sobretudo a Deus, por ter-me dado inteligência e saúde. vi Resumo Este trabalho apresenta dois tópicos de pesquisa, o primeiro é referente ao projeto e desenvolvimento da tecnologia de fabricação de Chaves MEMS (Micro Electro Mechanical System) de RF e o segundo é o projeto de circuitos integrados.No que se refere a chaves MEMS, descreve-se o processo e a metodologia para projeto de Chaves MEMS paralela sobre linha de transmissão coplanar (CPW). A estrutura é composta de uma ponte metálica suspensa em ambos os lados por dois postes metálicos conectados ao plano de terra. As chaves são projetadas para uma baixa tensão de ativação (16 V) e com larga banda de operação em freqüência (400 MHz -4GHz) possibilitando seu uso na maioria dos padrões de sistemas de comunicação. Também é descrita a metodologia do projeto auxiliado por simulações eletromecânicas e eletromagnéticas e finalmente é apresentada a caracterização de 4 chaves construídas. Após extensa pesquisa na literatura técnico-científica, foi identificado que este é o primeiro trabalho no Brasil dedicado ao desenvolvimento de tecnologia de fabricação de chaves MEMS.Os projetos de circuitos integrados foram realizados em tecnologia CMOS 0,35 μm e incluem: multiplicador de tensão e oscilador em anel, chaveador SPDT (Single Pole Double Through), amplificador de baixo ruído e modulador BPSK. Sendo os circuitos multiplicador de tensão e oscilador em anel projetados para aplicações em chaves MEMS.Os circuitos SPDT, amplificador de baixo ruído e modulador BPSK são parte integrante de Front-End de RF, com recepção em 1,8 GHz (banda D -GSM) e transmissão em 868,3 MHz (padrão Zigbee). São descritos os guias de projeto para cada circuito com simulações e desenho de layout. Especificamente para os circuitos, multiplicador de tensão e amplificador de baixo ruído são apresentadas novas topologias. Estes dois circuitos estão em via de preparação de patente.Finalmente, as caracterizações de cada circuito são apresentadas, com exceção do modulador BPSK.

Mems-PCB

“…Na posição down-state, a chave pode ser modelada como um circuito ressonante RLC (R d , L d , C d ) série, conectado em paralelo a uma linha de transmissão com impedância característica Z 0 , como mostrado na Figura 2.15. Para a banda X, a capacitância apresenta valores característicos de 100 fF(up)/8 pF(down), indutâncias de 4-5 pH e resistência série de aproximadamente 0,15 Ω (Silva, 2008). Nessa posição a impedância da chave paralela é dada por:…”

“…As chaves MEMS em PCB apresentam algumas desvantagens em relação aos substratos convencionais, são elas (Silva, 2008):…”

“…As chaves MEMS são geralmente fabricadas em substratos como Silício, Arseneto de gálio, Alumina e Quartzo (Moon et al, n.d.), (Goldsmith et al, 2001) (Chan et al, 2002), (Kretly et al, 2005) e (Barker e Rebeiz, 1998) que possuem algumas vantagens em relação à placa de circuito impresso (PCB), como maior planicidade, maior constante dielétrica e compatibilidade de integração com a tecnologia CMOS (Silva, 2008). Algumas desvantagens, entretanto, têm limitado a utilização destes substratos para a construção destas chaves.…”

“…Após devidamente encapsuladas, as chaves são anexadas ao substrato PCB e ligadas aos outros dispositivos por wire bond (fios metálicos que conectam os diferentes dispositivos) e circuitos de casamento também são necessários. Os wire bondings adicionam indutâncias que são proporcionais ao seu diâmetro e comprimento (Silva, 2008), criando elementos de circuito parasitas. Além disso, essas técnicas não permitem a exploração do mais evidente benefício da tecnologia MEMS que é a capacidade de integração monolítica (Cetiner et al, 2002) e (Chang et al, 2003).…”

“…Além dessas vantagens, o ouro é o metal que possui deposição de filmes finos mais planos. A escolha do ouro como material da ponte se deve também à experiência adquirida na fabricação prévia de dispositivos MEMS e com base no forte estudo relatado por Silva (2008). A Tabela 3.2 mostra as propriedades dos três metais.…”