Application of CMOS-MEMS integrated resonators to RF communication systems

Abstract

Els dispositius MEMS han demostrat la seva utilitat en un gran ventall d'aplicacions de sensat i actuació. L'extensió al domini de RF d'aquests elements mecànics són ara una de les peces clau per sistemes altament reconfigurables referències de freqüència i processadors de senyals. <br/>Aquesta tesi es centra en algunes de les aplicacions dels dispositius MEMS en el domini de RF: referències de freqüència per oscil·ladors, filtres i mescladors. Els resonadors que es presenten en aquesta tesi s'han fabricat completament en tecnologies CMOS comercials per aprofitar la integració de MEMS i circuiteria complementària i el baix cost de fabricació d'aquestes tecnologies. <br/>Diferents tipus de ressonadors MEMS s'han dissenyat i fabricat a fi d'avaluar les seves prestacions en diferents propietats. La validesa de la tècnica emprada per fabricar els MEMS en tecnologies CMOS futures s'ha demostrat fabricant i testant amb èxit resonadors MEMS en dos tecnologies diferents: de diferents fàbriques i nodes tecnològics (0.35um i 0.18um). La freqüència de ressonància d'aquests dispositius mecànics es troben a les bandes de HF i VHF. Tots aquests dispositius basats en bigues flexurals, presenten un major factor de qualitat Q que els tancs LC integrats i són a més a més sintonizables en freqüència, amb una mida inferior a la dels citats tancs LC. Els ressonadors MEMS-CMOS descrita a la tesi presenten un valor de Qxf en el rang entre 1GHz i els 10GHz mesurats a l'aire. Aquests valors es milloren mesurant al buit arribant als 100GHz, majors a qualsevol altre ressonador basat en tecnologia CMOS. <br/>Les aplicacions de mesclat i filtrat de senyals també s'estudien. Dins d'aquestes aplicacions, la meta és definir una banda passant plana combinant diferents ressonadors. El prototipus d'un filtre paral·lel basat en ponts i un amplificador diferencial CMOS monolític presenta una banda passant plana de 200kHz a una freqüència central de 21.66MHz quan es mesura a l'aire. També es demostra el filtrat emprant un únic ressonador del tipus tuning fork. Com a mesclador, és destacable la possibilitat de convertir a alta i baixa senyals de 1GHz amb un ressonador de 22MHz <br/>Com a oscil·ladors monolítics, es mostra un oscil·lador operatiu per tensions DC baixes (<5V), gràcies a la reducció del gap del ressonador. L'oscil·lador basat en un tuning fork aconsegueix valors de soroll de fase de -87dBc/Hz@10kHz i -98.7dBc/Hz@100kHz, millor que altres oscil·ladors CMOS monolític reportats.

MEMS devices demonstrated a wide range of sensing and actuation applications. These mechanical elements present nowadays extension to the RF world as key elements for highly reconfigurable systems, frequency references and signal processors. <br/>This thesis focuses on some of the applications of MEMS devices in the RF domain: frequency references for oscillators, filters and mixers. The resonators presented in this thesis are completely fabricated in commercial CMOS technologies to take profit of monolithic MEMS and complementary circuitry integration and low cost fabrication inherent of these technologies. <br/>Several kinds of MEMS resonators (clamped-clamped beams, free-free beams and double ended tuning forks) were designed and fabricated to evaluate their performance according to different properties. Two different CMOS technologies, from two different foundries and also different technological node (0.35um and 0.18um) were successfully used to validate the monolithic fabrication approach on future CMOS technologies. The resonance frequencies of these resonators are located on the HF and VHF range. All these devices, based on flexural beams, show superior Q than integrated LC tanks and are also tunable. Moreover, their size is significatively lower than the one of the aforementioned LC tanks. The CMOS-MEMS resonators reported in this thesis show a Qxf value in the range between 1GHz and 10GHz in air and these values are further improved in vacuum up to 100GHz, higher than any other reported resonator based on CMOS technology. <br/>Filtering and mixing applications were also studied. The goal in these applications was to define a flat band-pass combining different resonators. A prototype of parallel filter was measured using two CC-beams and a monolithic CMOS differential amplifier. The filter shows a flat bandpass up to 200kHz in air at a center frequency of 21.66MHz. Filtering with a single resonator was also demostrated with a DETF. A mixer based on a 22MHz CC-beam resonator was able to up and downconvert a signal from/to 1GHz. <br/>Monolithic oscillators with MEMS elements as frequency references have shown oscillation with a reduced applied DC voltage (<5V) thanks to the reduction of the gap. The DETF based oscillator shows good phase noise performance of -87dBc/Hz@10kHz and -98.7dBc/Hz@100kHz better than previously reported monolithic oscillators whereas operating at a lower DC voltage.