MEMS

I sistemi MicroElettromeccanici (Micro Electro Mechanical Systems – MEMS) o Microsystems Technology (MST1) sono piccoli dispositivi integrati che combinano componenti di natura meccanica ed elettrica; le loro dimensioni possono variare dalle decine di nanometri fino ad alcuni millimetri. L’ufficio Mycrosystems Techonology del dipartimento della difesa degli Sati Uniti (DARPA) riporta la seguente definizione: ‘MEMS is a way of making things’ [2], mentre Kaigham J. Gabriel: ‘MEMS is not about any one single application or device, nor is it defined by a single fabrication process or limited to a few materials. More than anything else, MEMS is a fabrication approach that conveys the advantages of miniaturization, multiple components and microelectronics to the design and construction of integrated electromechanical systems’ [3].
I sistemi MEM sono utilizzati come sensori di pressione e temperatura, accelerometri già dal 1970, decisamente più recente è invece il loro utilizzo per la realizzazione di dispositivi a radio-frequenza (RF), che possono essere classificati come segue[1]:

1. RF MEMS switches, varactors, ed induttori;

2. Micromachined transmission lines, risonatori con elevato fattore di qualità, filtri, antenne;

3. FBAR (thin film bulk acoustic resonators) e filtri;

4. risuonatori e filtri;

Al momento la nostra attenzione è rivolta all’utilizzo della tecnologia MEMS per la realizzazione di switches a RF, capacità variabili, induttori, e sull’utilizzo di tali componenti in circuiti a microonde riconfigurabili ( sfasatori, filtri, antenne, etc.).
I vantaggi della tecnologia MEM per la realizzazione di switches a RF, consistono in un bassissimo consumo di Potenza, dimensioni estremamente piccole, ottimo isolamento, perdite resistite bassissime. D’altra parte, un problema non trascurabile è rappresentato dall’approccio adottato per il loro ‘packaging’, sostanzialmente differente da quello utilizzato per i classici componenti elettronici; infatti, mentre per i dispositivi microelettronici si ricorre a soluzioni standard di packaging, nel caso dei dispositivi MEM si ricorre a soluzioni ad hoc, differenti al variare della specifica applicazione del dispositivo in questione, e di conseguenza più dispendiose.

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Fig. 1: Campi di applicazione della Tecnologia MEMS (preso da [4]).

Negli Stati Uniti , la tecnologia è nota come Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), mentre in Europa è chiamata Microsystems Technology (MST)

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Fig. 2 MEMS Application areas.

RF MEMS switches

Lo ‘Switch’ (interruttore) è uno dei più utilizzati tra i componenti a RF in tecnologia MEM: a seconda dello stato dello switch si consente o meno il passaggio di corrente lungo il ramo del circuito in cui tale componente è inserito. In generale in uno switch MEMS sono presenti due sezioni: la sezione di attuazione (meccanica) e la sezione elettrica. Attualmente esistono varie tipologie di switches MEMS, differenti per:

meccanismo di attuazione adottato (Elettrostatico, Termico, Magnetostatico, Piezoelettrico),

tipo di contatto (Metallo-Metallo, capacitivo),

configurazione circuitale (serie o parallelo) adottata.

Per quanto riguarda il meccanismo di attuazione, quello di tipo elettrostatico è in generale preferito, in quanto consente di ottenere switches caratterizzati da un consumo di potenza idealmente nullo, dimensioni estremamente ridotte degli elettrodi e dello spessore degli strati utilizzati, 50-200mN di forza di contatto, e la possibilità di utilizzare per l’alimentazione in continua delle linee ad alta resistenza.

Le Figure 5 e 6 mostrano la configurazione serie di uno switch RF MEMS con struttura a ponte sospeso (cantilever); due elementi meccanici contribuiscono al suo funzionamento: la parte di ancoraggio, ed il ponte sospeso sull’elettrodo di attuazione.
L’applicazione di una tensione tra i due elettrodi di attuazione, determina l’abbassamento del ponte fino al contatto dei due elettrodi detti appunto ‘di contatto’ (vedi Fig. 5a); in questo modo, si può chiudere oppure interrompere il percorso conduttivo lungo il quale è inserito lo switch. 
Il circuito equivalente dello switch appena descritto è mostrato in Fig. 3: esso consiste di un condensatore a singola armatura sospeso per mezzo di una molla su di un piano di massa.

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L’applicazione della tensione di attuazione determina una forza elettrostatica tra il piano di massa e l’armatura del condensatore, inducendo l’abbassamento di quest’ultima e di conseguenza una forza elastica che si oppone tale movimento; la condizione di equilibrio è data dunque da:

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Dove A è l’area dell’armatura del condensatore, mentre g0 è la distanza che la separa dal piano di massa a riposo (ossia con tensione di attuazione nulla).

Un’alternativa alla struttura a cantilever è data dalla struttura a bridge (o doppio ancoraggio), mostrata in Fig. 4; mentre un esempio della configurazione parallelo di uno switch MEMS è riportato in Fig. 5b; in questo caso l’applicazione della tensione di attuazione, determina un abbassamento della membrana e quindi dell’impedenza vista tra i due elettrodi.
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Letture consigliate

Gabriel M. Rebeiz, RF MEMS: Theory, Design, and Technology, John Wiley & Sons, Inc. New York, NY, USA , 2003, ISBN:0471201693.

Dr. Albert Pisano, in presentation material distributed by the U.S. DARPA, available at http://www.darpa.mil.

Kaigham J. Gabriel, ‘Microelectromechanical Systems (MEMS) Tutorial’, International Test Conf. IEEE, 1998.

Chris Reeves (QINETIQ), ‘Metrology and reliability challenges facing the fabrication of Microsystems Technologies Advanced Microsystems’, DTIP Stresa, Lago Maggiore, Italy 25 April 2006-