RF-MEMS Switch Module in a 0.25 µm SiGe:C BiCMOS Process

Drahtlose Kommunikationstechnologien im Frequenzbereich bis 6 GHz wurden in der Vergangenheit in Bezug auf Leistungsfaehigkeit und Frequenzbereich kontinuierlich verbessert. Aufgrund der Skalierung nach dem Mooreschen Gesetz koennen heutzutage mm-Wellen Schaltkreise in CMOS-Technologien hergestellt werden. Durch die Einfuehrung von SiGe zur Realisierung einer leistungsfaehigen BiCMOS-Technologie wurde ebenfalls eine Verbesserung der Frequenzeigenschaften und Ausgangsleistungen erreicht, wodurch aktive CMOS- oder BiCMOS-Bauelemente vergleichbare Leistungsparameter zu III-V Technologien bei geringeren Kosten bereitstellen koennen. Bedingt durch das niederohmige Silizium-Substrat der BiCMOS-Technologie weisen vor allem passive Komponenten hoehere Verluste auf und weder III-V- noch BiCMOS-Technologien bieten hochlineare Schaltkomponenten mit geringen Verlusten und geringen Leistungsaufnahmen im mm-Wellen Bereich. RF-MEMS Schalter sind bekannt fuer ihre ausgezeichneten HF-Eigenschaften. Die Leistungsaufnahme von elektrostatisch angetriebenen RF-MEMS Schaltern ist vernachlaessigbar und es koennen im Vergleich zu halbleiter-basierten Schaltern hoehere Leistungen verarbeitet werden. Nichtsdestotrotz wurden RF-MEMS Schalter hauptsaechlich als eigenstaendige Komponenten entwickelt. Zur Systemintegration wird meist ein System-in-Package (SiP) Ansatz angewandt, der fuer niedrige Frequenzen geeignet ist, aber bei mm-Wellenanwendungen durch parasitaere Verluste an seine Grenzen stoesst. In dieser Arbeit wird ein in eine BiCMOS-Technologie integrierter RF-MEMS Schalter fuer mm-Wellen Anwendungen gezeigt. Das Design, die Integration und die experimentellen Ergebnisse sowie verschiedene Packaging-Konzepte werden beschrieben Zur Bereitstellung der hohen Auslenkungs-Spannungen wurde eine Ladungspumpe auf dem Chip integriert. Zum Schluss werden verschiedene, rekonfigurierbare mm-Wellen Schaltkreise zur Demonstration der Leistungsfaehigkeit des Schalters gezeigt.Wireless communication technologies have continuously advanced for both performance and frequency aspects, mainly for the frequencies up to 6 GHz. The results of Moore’s law now also give the opportunity to design mm-wave circuits using advanced CMOS technologies. The introduction of SiGe into CMOS, providing high performance BiCMOS, has also enhanced both the frequency and the power performance figures. The current situation is that the active devices of both CMOS and BiCMOS technologies can provide performance figures competitive with III-V technologies while having still the advantage of low cost. However, similar competition cannot be pronounced for the passive components considering the low-resistive substrates of BiCMOS technologies. Moreover, both III-V and BiCMOS technologies have the lack of low-loss and low-power consumption, as well as highly linear switching and tuning components at mm-wave frequencies. RF-MEMS switch technologies have been well-known with excellent RF- performance figures. The power consumption of electrostatic RF-MEMS switches is negligible and they can handle higher power levels compared to their semiconductor counterparts. However, RF-MEMS switches have been mostly demonstrated as standalone processes and have started to be used as commercial off-the-shelf (COTS) devices recently. The full system integration is typically done by a System-in-Package (SiP) approach. Although SiP is suitable for lower frequencies, the packaging parasitics limit the use of this approach for the mm-wave frequencies. In this thesis, a fully BiCMOS embedded RF-MEMS switch for mm-wave applications is proposed. The design, the implementation and the experimental results of the switch are provided. The developed RF-MEMS switch is packaged using different packaging approaches. To actuate the RF-MEMS switch, an on-chip high voltage generation circuit is designed and characterized. The robustness and the reliability performance of the switch are also presented. Finally, the developed RF-MEMS switch is successfully demonstrated in re-configurable mm-wave circuits

Remotely interrogated MEMS pressure sensor

This thesis considers the design and implementation of passive wireless microwave readable pressure sensors on a single chip. Two novel-all passive devices are considered for wireless pressure operation. The first device consists of a tuned circuit operating at 10 GHz fabricated on SiO2 membrane, supported on a silicon wafer. A pressure difference across the membrane causes it to deflect so that a passive resonant circuit detunes. The circuit is remotely interrogated to read off the sensor data. The chip area is 20 mm2 and the membrane area is 2mm2 with thickness of 4 µm. Two on chip passive resonant circuits were investigated: a meandered dipole and a zigzag antenna. Both have a physical length of 4.25 mm. the sensors show a shift in their resonant frequency in response to changing pressure of 10.28-10.27 GHz for the meandered dipole, and 9.61-9.58 GHz for the zigzag antenna. The sensitivities of the meandered dipole and zigzag sensors are 12.5 kHz and 16 kHz mbar, respectively. The second device is a pressure sensor on CMOS chip. The sensing element is capacitor array covering an area of 2 mm2 on a membrane. This sensor is coupled with a dipole antenna operating at 8.77 GHz. The post processing of the CMOS chip is carried out only in three steps, and the sensor on its own shows a sensitivity of 0.47fF/mbar and wireless sensitivity of 27 kHz/mbar. The MIM capacitors on membrane can be used to detune the resonant frequency of an antenna

Millimeterwellen On-Chip Antennensysteme für die Integration in SoC Applikationen

In dieser Arbeit werden Antennensysteme für Radar- und Kommunikationssysteme präsentiert. Zusätzlich wird ein QFN Gehäusekonzept erarbeitet. Bei den Antennensystemen für Kommunikationsanwendungen liegt der Fokus auf der Maximierung der abgestrahlten Leistung, um die Reichweite zu erhöhen. Es wird ein neuartiges Konzept zur Leistungskombination von parallelisierten Verstärkern aufgezeigt, bei dem die Signale der einzelnen Verstärker im Antennenelement kombiniert werden

Millimeter-wave interconnects for intra- and inter-chip transmission and beam steering in NoC-based multi-chip systems

The primary objective of this work is to investigate the communication capabilities of short-range millimeter-wave (mm-wave) communication among Network-on-Chip (NoC) based multi-core processors integrated on a substrate board. To address the demand for high-performance multi-chip computing systems, the present work studies the transmission coefficients between the on-chip antennas system for both intra- and inter-chip communication. It addresses techniques for enhancing transmission by using antenna arrays for beamforming. It also explores new and creative solutions to minimize the adverse effects of silicon on electromagnetic wave propagation using artificial magnetic conductors (AMC). The following summarizes the work performed and future work. Intra- and inter-chip transmission between wireless interconnects implemented as antennas on-chip (AoC), in a wire-bonded chip package are studied 30GHz and 60 GHz. The simulations are performed in ANSYS HFSS, which is based on the finite element method (FEM), to study the transmission and to analyze the electric field distribution. Simulation results have been validated with fabricated antennas at 30 GHz arranged in different orientations on silicon dies that can communicate with inter-chip transmission coefficients ranging from -45dB to -60dB while sustaining bandwidths up to 7GHz. The fabricated antennas show a shift in the resonant frequency to 25GHz. This shift is attributed to the Ground-Signal-Ground (GSG) probes used for measurement and to the Short-Open-Load (SOLT) calibration which has anomalies at millimeter-wave frequencies. Using measurements, a large-scale log-normal channel model is derived which can be used for system-level architecture design. Further, at 60 GHz densely packed multilayer copper wires in NoCs have been modeled to study their impact on the wireless transmission between antennas for both intra- and inter-chip links and are shown to be equivalent to copper sheets. It is seen that the antenna radiation efficiency reduces in the presence of these densely packed wires placed close to the antenna elements. Using this model, the reduction of inter-chip transmission is seen to be about 20dB as compared to a system with no wires. Lastly, the transmission characteristics of the antennas resonating at 60GHz in a flip-chip packaging environment are also presented

Contribution à la mise en oeuvre de synthèse de filtres accordables simultanément en fréquence et bande passante : application aux fréquences millimétriques et submillimétriques en technologie BiCMOS

Le but de la thèse est de réaliser des filtres accordable en technologie planaire multi-niveaux proposé par l'entreprise allemande IHP. Les filtres sont réalisés aux ondes millimétriques,principalement autour de 60 GHz et 140 GHz. Nous étudions l'accordabilité en fréquence mais aussi l'accordabilité en bande passante ne utilisant un concept nouveau établie au cours de cette thèse. Les premiers résultats concernant les filtres accordables en fréquence ont permit la rédaction de plusieurs articles. Maintenant, nous venons de recevoir les mesures prouvant notre nouveau concept permettant l'accord en fréquence et en bande passante des filtres planaires à base de résonateurs en annea

Passive und aktive Radio Frequency Identification Tags im 60-GHz-Band

Die Einführung des millimeter-Wellen-Bandes eröffnet neue Perspektiven für die Radio Frequency Identification (RFID) Kommunikationssysteme. Der Enwurf des Systems im 60-GHz-Band ermöglicht die Implementierung der On-Chip Antenne und darüber hinaus die Implementierung eines RFID-Tags auf einem einzigen Chip. Dennoch ist es aufgrund der gesetzlichen Beschränkung der effektiven isotropen Strahlungsleistung (EIRP) des Lesegeräts und der erhöhten Freiraum-Dielektrikumsverluste eine Herausforderung, eine zuverlässige Kommunikationsreichweite von mehreren Millimetern zu erreichen. Neue Lösungen sind für jeden Block sowohl im Lesegerät als auch im Single-Chip-Tag erforderlich. Obwohl das Lesegerät batteriebetrieben ist, ist es immer noch eine Herausforderung, die maximal zulässigen 20 dBm IERP des Lesersenders energieeffizient zu erzeugen. Darüber hinaus sollte der Empfänger einen ausreichenden Dynamikbereich haben, um das vom Tag kommende Signal zu erkennen. Auf der Tag-Seite sind die Hauptherausforderungen das Co-Design der effizienten On-Chip-Antennen-Implementierung, die hochempfindliche Gleichrichter-Implementierung und das Rückkommunikationskonzept. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Machbarkeitsstudie des Single-Chip-RFID-Tags und die Implementierung im Millimeterwellenbereich. Es werden zwei Rückkommunikationskonzepte untersucht - Backscattering-Rückkommunikation und eine Kommunikation unter Verwendung von Ultra-Low-Power (ULP) Radios. Beide werden in einem 22 nm FDSOI Prozess auf einem Substrat mit geringem Widerstand implementiert. Beide Tags arbeiten mit einer Versorgungsspannung von 0,4 V, um die Kommunikationsreichweite zu maximieren. Die Link-Budgets sind so ausgelegt, dass sie die regulatorischen Beschränkungen einhalten. Die Auswahl des Technologieknotens wird begründet. Verschiedene Aspekte im Zusammenhang mit der Technologie werden diskutiert, wie z. B. Geräteleistung, passiver Qualitätsfaktor, Leistungsdichte der Kondensatoren. Der Backscattering RFID-Tag wird zuerst entworfen, da er eine relativ einfachere Topologie hat. Die Probleme der Gleichrichterempfindlichkeit im Rahmen des analogen Frontends, der On-Chip-Antenneneffizienz und der konjugierten Anpassung beider werden untersucht. Eine Kommunikationsreichweite von 5 mm wird angestrebt und realisiert. Um die Kommunikationsreichweite weiter zu erhöhen, wird in der zweiten Phase ein Tag mit einer aktiven Rückkommunikation implementiert. Hier wird die Gleichrichterempfindlichkeit weiter verbessert. Es wird ein 0,4V ULP Radio entworfen, das sich die Antenne mit dem Gleichrichter über einen Single-Pole- Double-Through (SPDT) Schalter teilt. Ein Abstand von 2 cm erwies sich als realisierbar, wobei die gesetzlichen Bestimmungen eingehalten und der dynamische Bereich des Leseempfängers nicht überschritten wurde. Es wird die höchste normalisierte Kommunikationsreichweite pro Leser-EIRP erreicht. Weitere Verbesserungsmöglichkeiten werden diskutiert

Module wireless 60 GHz intégré en 3D sur silicium

The evolution of semi-conductor technology nodes has led to a significant miniaturization of today's RF front-ends and to the enhancement of the electrical performance of transceivers at higher frequencies. This leads to the diversification of RF/millimeter-wave (30 – 300 GHz) applications in the fields of telecommunications, multimedia entertainment, automotive and security. More specifically, telecommunications are going through a real revolution with the creation of new standards (such as WiGiG and IEEE 802.11ad) and the introduction of new network architectures based on point-to-point links as the backbone of the 5th generation of mobile networks. In this PhD work, we will focus on integrated wireless and low consumption modules operating in the 57 – 66 GHz band (generally designated as the 60 GHz band). At these frequencies, the free-space wavelength is comparable to the characteristic dimensions of most standard transceiver packages. This opens an opportunity to integrate the antennas as well as other passive components directly to the metal/dielectric stack or in the package. This new generation of electronic devices which are dedicated to the nomad terminal market brings new challenges in terms of electrical performance, mechanical reliability, cost and manufacturability. Microelectronic packaging plays in this case a key role in defining the global performance of the system. Its functions extend beyond the protection of the IC and cover other schemes with opportunities to integrate passive and active devices. This work focuses on the study of an SiP module (System-in-Package) featuring 3D integration on Silicon interposer. The dissertation comprises four chapters and is structured as follows: In the first chapter, a brief introduction of millimeter-waves and their propagation conditions is given. Then, examples of current and emerging civilian and military applications are addressed. State of the art of SiP/mmW modules is then presented according to different technology approaches proposed by industrial and academic contributors. The second chapter is dedicated to the study of a 60 GHz integrated module on a high-resistivity silicon interposer chip. We focus on electrical characterization methods which are adapted to different building blocks of the silicon back-end technology. These include interconnects, dielectrics and integrated antennas. The characterization steps also include full-scale and standard-compliant tests of two communicating 60 GHz modules. In the third chapter, we propose to improve the existing module with a novel antenna design based on a High-Impedance Surface (HIS) reflector. This design is intended to bring more compactness and higher reliability to the original one while conserving the overall electrical performance. Finally, the fourth chapter deals with the fabrications and experimental validation of the antenna test vehicle as well as the wideband characterization of the dielectrics used for the new stack.L'évolution des nœuds technologiques dans l'industrie des semi-conducteurs se traduit de nos jours, dans le domaine des radiofréquences, par une miniaturisation des front-ends et une amélioration des performances électriques des émetteurs-récepteurs à des fréquences de plus en plus hautes. Cette évolution a conduit à la diversification des applications en bandes millimétriques (30 – 300 GHz) dans les secteurs des télécommunications, du divertissement multimédia, de l'automobile et de la sécurité. Plus particulièrement, le secteur des télécommunications connaît aujourd'hui une réelle révolution avec la création de nouveaux standards pour les liens sans-fil millimétriques à courte portée (comme WiGiG et IEEE 802.11ad) et l'apparition de nouvelles architectures basées sur des liaisons point-à-point qui constitueront dans les prochaines années la colonne vertébrale de la cinquième génération des réseaux mobiles. Dans le cadre de ces travaux de thèse, un intérêt particulier sera porté sur les modules intégrés sans fils et à faible consommation opérant dans la bande 57 – 66 GHz (dite généralement 60 GHz). A ces fréquences, la longueur d'onde en espace libre est comparable aux dimensions caractéristiques des boitiers standards utilisés pour l'encapsulation des transceivers. Il devient donc envisageable d'intégrer les antennes ainsi que d'autres composants passifs directement dans l'empilement technologique du circuit ou dans le boitier. Cette nouvelle génération de dispositifs électroniques, destinés au marché des terminaux portables, introduit de nouveaux défis en termes de performances électriques, de fiabilité mécanique, de coût et de possibilités d'industrialisation. Le packaging microélectronique joue dans ce cas un rôle principal dans la définition des performances globales du système qui s'étend au-delà de la simple protection de circuits intégrés pour couvrir d'autres fonctions d'intégration de divers dispositifs actifs et passifs. L'axe principal d'étude adopté ici porte sur le packaging d'un module SiP (System-in-Package) intégré en 3D et réalisé en technologie interposer silicium. Le mémoire de thèse s'articule en quatre chapitres : Le premier chapitre donne dans un premier temps une brève introduction aux bandes millimétriques et aux conditions de propagation spécifiques à ces bandes avant de présenter des exemples d'applications relevant de divers domaines civils et militaires. Ensuite, nous dressons un état de l'art des modules SiP millimétriques intégrés selon différentes approches technologiques. Le second chapitre est consacré à l'étude d'un module 60 GHz intégré sur silicium haute-résistivité en technologie interposer silicium. Nous nous intéressons aux méthodes de caractérisation adaptées aux diverses briques technologiques du back-end silicium spécifique aux applications RF-millimétriques et notamment les interconnexions, les matériaux diélectriques ainsi que les antennes intégrées. La caractérisation inclut également un test d'émission-réception entre deux modules 60 GHz. Dans le troisième chapitre, nous proposons d'améliorer le module grâce à un nouveau design d'antennes utilisant le concept de Surface Haute-Impédance (SHI). Ce design est destiné à octroyer plus de compacité et plus de fiabilité au module tout en conservant ses performances électriques. Finalement, le quatrième chapitre détaille les étapes de fabrication du véhicule de test antennaire ainsi que des résultats de caractérisation des antennes et des nouveaux matériaux diélectriques utilisés pour l'empilement technologique

Substrate Integrated Waveguide Antenna Applications

The research objective of this thesis is to provide a better solution for signal interference and reduce the size of waveguide antenna. The background investigations of different waveguide fabrication technologies and switch control methods are detailed in the introductory part of this thesis. Several novel substrate integrated waveguide (SIW) antennas for different purpose are demonstrated in the body of the thesis. The designs are mainly divided into two kinds. The first focuses on the switch beam SIW antennas working at 2.4 GHz frequency band. Compared to the corresponding waveguide antennas of multiple-input and multiple-output (MIMO), phased array and switch beam, the proposed SIW antennas have advantages in compact size, easy fabrication and high gain. By DC biasing the surface mounted PIN diodes, the waveguide slots radiate at diode-off state of reverse bias, and are shielded at diode-on state of forward bias. Based on different requirement, the SIW antennas can achieve two-direction, four-direction and six-direction transmission. The gain can be easily changed by extending the size of reflector walls. The second focuses on reducing the volume of SIW antennas, working at 5 GHz frequency band. A new folded SIW antenna is introduced. By folded the antenna front end part to second layer, the SIW antenna reduces the total length by the size of one-quarter guided wavelength. This folded antenna can radiate either monopole mode or dipole mode, based on the metal surface area. Another two new SIW antennas reduce the total length by directly cutting the front-end part at the slot center. By utilized the intrinsic coupling radiation, the SIW antennas use two half-length slots at different broad-wall plane to achieve 360 degree propagation and wide-band end-fire radiation