Microelectromechanical resonator-based components for wireless communications : filters and transmission lines

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Doctoral thesis (article-based)
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2006-11-01
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
57, [56]
Series
VTT publications, 616
Abstract
Starting in the early 1960's, when the integrated-circuit (IC) technology was developed, micromachining and microelectromechanical systems (MEMS) have grown into a broad research field with several commercial successes. Typical applications of MEMS are in physical, chemical and biochemical sensors, as well as in optical systems such as the digital micromirror device of Texas Instruments. From the 1990's, the advances in the processing technologies and the tremendous growth of the wireless-communication market have drawn much interest into radio-frequency MEMS devices (RF MEMS) such as filters, oscillators, switches and tunable capacitors. These are now beginning to penetrate the market. This thesis considers electrostatically-actuated RF-MEMS filters and delay lines. For filters, the work concentrates on nonlinear distortion and filter design. The intermodulation properties of capacitively-coupled MEMS filters are analytically solved in closed form and the theory is verified in numerical simulations as well as in measurements with MEMS resonators. The analysis is more generally valid than the previously published results. The theory is utilized to formulate a design procedure for MEMS filters that, for the first time, takes systems speci-fications for tolerable intermodulation distortion and insertion-loss into account. For delay lines, capacitive actuation of bulk-acoustic waves in a solid rod is analyzed. In particular, challenges in impedance matching due to the weakness of the electrostatic coupling are quantified. Finally, a new kind of resonator-chain delay line for high-frequency (HF) signals is introduced. This delay line is characterized by extremely slow signal group velocity (∼ 10-100 m/s), narrow-band response, and much lower characteristic impedance than found for the solid-rod waveguide enabling efficient signal coupling. Properties of the resonator-chain waveguide are theoretically analyzed and the results are verified in measurements of fabricated devices.

Mikroelektromekaanisten järjestelmien (MEMS) kehitys alkoi 1960-luvun alussa yhdessä integroitujen piirien (IC) teknologian kanssa. Tähän päivään mennessä mikromekaniikka on kehittynyt laajaksi tutkimusalaksi ja johtanut useisiin kaupallisiin menestyksiin. MEMS-teknologiaa sovelletaan mm. fysikaalisissa, kemiallisissa ja biokemiallisissa antureissa sekä optisissa järjestelmissä, kuten Texas Instrumentsin mikropeileissä, joita käytetään videoprojektroreissa. Kiinnostus radiotaajuisiin MEMS-komponentteihin (RF MEMS) on lisääntynyt voimakkaasti 1990-luvun alusta alkaen valmistusteknologian ja langattoman tiedonsiirron markkinoiden kehityksen myötä. Radiotekniikassa MEMS-teknologiaa pyritään soveltamaan mm. suodattimissa, oskillaattoreissa, kytkimissä ja säädettävissä kondensaattoreissa. Ensimmäiset tällaiset komponentit ovat jo kaupallistuneet. Tässä väitöskirjassa käsitellään kapasitiivisesti kytkettyjä RF-MEMS-suodattimia ja viivelinjoja. Suodattimien osalta työ keskittyy epälineaarisuuksien ja häviöiden huomioimiseen suodinsuunnittelussa. MEMS-suodinten intermodulaatio-ominaisuudet ratkaistaan työssä analyyttisesti aikaisempaa yleisemmin ja saadut tulokset varmennetaan tietokonesimulaatioissa ja mittauksissa. Tulosten pohjalta laaditaan MEMS-suodinsuunnittelulle säännöt, joissa otetaan ensimmäistä kertaa huomioon asetetut vaatimukset sekä intermodulaatiolle että häviöille. Viivelinjojen osalta työssä käsitellään mikromekaaniseen tankoon perustuvaa tilavuusaaltoviivelinjaa ja tuodaan esiin vaikeudet, jotka liittyvät riittävän hyvän kytkennän saavuttamiseen tällaisessa rakenteessa. Tehokkaampi kytkentä on HF-taajuuksilla mahdollinen jousimassaketjuun perustuvaan viivelinjaan, jollainen esitellään ja analysoidaan tässä väitöstyössä. Hyvän kytkennän lisäksi tämän viivelinjan ominaisuuksiin kuuluu kapeakaistaisuus ja erittäin hidas signaalin kulkunopeus. Mikromekaanisen jousimassaketjuviivelinjan toiminta varmennetaan mittauksin.
Description
Keywords
MEMS, radio-frequency MEMS, microelectromechanical filters, microelectromechanical resonators, components, transducers, wireless communication, transmission lines, acoustic wave propagation, intermodulation
Other note
Parts
  • Ari T. Alastalo and Ville Kaajakari, Intermodulation in Capacitively Coupled Microelectromechanical Filters, IEEE Electron Device Letters, vol. 26, no. 5, pp. 289-291, May 2005. [article1.pdf] © 2005 IEEE. By permission.
  • Ari T. Alastalo and Ville Kaajakari, Third-Order Intermodulation in Microelectromechanical Filters Coupled with Capacitive Transducers, IEEE Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 15, no. 1, pp. 141-148, February 2006. [article2.pdf] © 2006 IEEE. By permission.
  • Ari T. Alastalo and Ville Kaajakari, Systematic Design Approach for Capacitively Coupled Microelectromechanical Filters, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, vol. 53, no. 9, pp. 1662-1670, September 2006. [article3.pdf] © 2006 IEEE. By permission.
  • Ari T. Alastalo, Tomi Mattila, and Heikki Seppä, Analysis of a MEMS Transmission Line, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 51, no. 8, pp. 1977-1981, August 2003. [article4.pdf] © 2003 IEEE. By permission.
  • Ari T. Alastalo, Tomi Mattila, Heikki Seppä, and James Dekker, Micromechanical slow-velocity delay lines, Proceedings of the 33rd European Microwave Conference, Munich, Germany, 6-10 October, 2003, pp. 967-970. [article5.pdf] © 2003 European Microwave Association. By permission.
  • Ari T. Alastalo, Jyrki Kiihamäki, and Heikki Seppä, Microelectromechanical delay lines with slow signal propagation, Journal of Micromechanics and Microengineering, vol. 16, pp. 1854-1860, August 2006. [article6.pdf] © 2006 Institute of Physics Publishing. By permission.
Citation
Permanent link to this item
https://urn.fi/urn:nbn:fi:tkk-008038