MEMS, acronimo di Micro Electro Mechanical Systems, è il termine coniato negli Usa per indicare una famiglia di dispositivi costituiti da strutture meccaniche e circuiti elettronici integrati sullo stesso chip di silicio. Una delle applicazioni emergenti nel campo dei MEMS è quella dei RF MEMS ovvero dei sistemi a radio frequenza e delle onde millimetriche. Numerosi dispositivi, quali microswitch, condensatori variabili, induttori ad alto Q, microantenne, linee di trasmissione e risuonatori micromeccanici sono stati proposti e alcuni di essi sono oggi disponibili sul mercato.
In quest'ambito, la Sezione di Pisa ha realizzato dei risuonatori micromeccanici con frequenze di risonanza di 10¸50 MHz e fattori di qualità stimati di alcune migliaia. Questi dispositivi possono essere usati sia come filtri sia con la duplice funzione di mixer e filtro.
Sono state progettate due diverse tipologie di risuonatori: trave con estremi incastrati e trave con estremi liberi.
In Fig.1 è mostrato un disegno della struttura a trave con estremi incastrati in una configurazione a doppia porta: la trave è sollecitata elettrostaticamente da un elettrodo e il suo movimento è rilevato come variazione della capacità tra la trave e l'altro elettrodo. Per indurre la vibrazione, si applica una tensione AC vIN all'elettrodo d'ingresso e il movimento della trave provoca la variazione della corrente che scorre in ROUT. Quando la frequenza del segnale d'ingresso coincide con quella di risonanza della trave si ottiene la massima deflessione e quindi la massima corrente d'uscita. La tensione DC VP svolge una duplice funzione: impedisce che la trave possa vibrare ad una frequenza doppia rispetto a quella del segnale; amplifica la corrente d'uscita.
Le travi ad stremi incastrati presentano valori di Q bassi a causa della dissipazione negli ancoraggi. I risuonatori ad alto Q usano una configurazione ad estremi liberi. In Fig. 2 è mostrato un disegno della struttura. In questo caso la trave centrale non è ancorata direttamente al substrato eliminando così le perdite. I quattro bracci di supporto devono essere ovviamente progettati in modo da non trasmettere alla trave centrale l'effetto degli ancoraggi.
Nella progettazione dei risuonatori sono state affrontate due problematiche: le alte perdite di inserzione e le basse frequenze di risonanza. Per risolvere il primo problema è stato integrato un attuatore elettrostatico in grado di ridurre la distanza tra gli elettrodi e la trave. Per quanto riguarda le frequenze di risonanza, sono state progettate opportune configurazioni degli elettrodi per stimolare il terzo modo di risonanza.
In Fig. 3 è mostrato il layout di un risuonatore progettato. Il chip è stato realizzato con un processo della STMicroelectronics nell'ambito delle convenzioni sia con il "Dipartimento di Ingegneria dell'Informazione: Elettronica, Informatica e Telecomunicazioni" dell'Università di Pisa sia con la Sezione di Pisa dell'IEIIT che in detto Dipartimento ha sede.
Vedi anche:
Immagini:
