Development of microelectromechanical systems for RF signal processing

Abstract

El objectiu d’aquesta tesis ha sigut l’estudi de ressonadors CMOS-MEMS monolíticament integrats per a la seva aplicació en transceptors de radio freqüència. En concret s’ha treballat sobre filtre y ressonadors de RF així com la seva caracterització. En el camp del filtres s’han investigat dos tipus de conceptes: el filtres series i els filtres paral·lels. Els filtre sèrie desenvolupats en aquesta tesi consten de dos tipus d’acoblament: acoblament mecànic, dintre dels quals s’han estudiat dos tipus d’acobladors (en forma de U i en forma de V) i l’acoblament electrostàtic. En els filtres mecànics el ample de banda es defineix amb el disseny de l’acoblador i el punt d’acoblament amb el ressonador mentre que en els filtre electrostàtics, en teoria, el ample de banda el fixa la diferencia de tensió entre els ressonadors. Els filtres en paral·lel, permeten aconseguir, gracies a la seva integració amb la circuiteria, una millor del rebuig fora de banda comparats amb els filtres anteriors. D’altra banda s’ha combinat el filtrat paral·lel i els filtres series per aconseguir un filtre dual. En el camp dels ressonador en el rang de VHF i UHF s’han dissenya fabricat i mesurat dos tipus de ressonador basat en la ressonància longitudinal de la estructura (LBAR): el LBAR millorat, al que se li han afegit dues masses en els seus extrem lliures, i que treballa a una freqüència de 250MHz i el LBAR hiperbòlic, capaç d’assolir freqüències al voltant dels 380MHz S’ha estudiat la caracterització dels elements ressonant d’aquesta tesis, transduits electrostàticament. S’ha proposat una nova topologia basada en la fabricació de quatre elèctrodes que permet eliminar per complert la capacitat paràsita en aquest tipus de transducció.

The objective of this thesis is the study of CMOS MEMS monolithically integrated resonators, for RF transceivers applications. In particular, it has focuses on design and characterization of RF resonators and filters. Two types of filter concepts have been investigated: series filtering and parallel filtering. The series filters are composed of two different coupling methods: mechanical couplings that are divided into two types of couplers (the U-coupler and the V-coupler), and the electrostatic coupling. In mechanical coupled resonator filters, the bandwidth is fixed through the coupler design and the selection of its coupling point with the resonator whereas in the electrostatic filters the voltage applied between the constituent resonators fixes the bandwidth. The parallel filter allows increasing the out of band rejection due to the integration with circuitry. Finally, the parallel filtering and series filtering have been combined to achieve a dual filter. In the field of RF resonators, two types of resonator based on longitudinal acoustic resonance have been designed, fabricated, and measured: The enhanced LBAR, that includes to masses at the free ends in order to increase the coupling area, works at 250MHz and the hyperbolic LBAR that is capable to reach 380MHz resonant frequency. The electrostatic actuated mad capacitive read MEM devices characterization has been studied. In addition a new four-electrode based topology has been propose in order to cancel the feedthrough current that exists in this type of transduction.