Modeling and characterization of non-ideal effects in high-performance RF MEMS tuners

The emerging standards for the next-generation wireless communication system demand for multi-band RF front-ends. Reconfigurable RF devices based on MEMS technology have emerged with the potential to significantly reduce the system complexity and cost. Robust operation of RF MEMS tuners under the non-ideal effects due to fabrication uncertainties and environmental variations is critical in achieving reliable RF MEMS reconfigurable devices. Therefore, it is essential to model and characterize these non-ideal effects, and further to alleviate these non-ideal effects by design optimization.^ In this dissertation, the effects of non-perfect anchor support, residual stress, and temperature sensibility of MEMS tuners have been studied. The anchor supports of MEMS beams, which are widely used as tunable components, are often far from the ideally assumed built-in or step-up conditions. An equation-based nonlinear model for inclined supports in non-flat fixed-fixed beams has been developed and validated by experimental results. Residual stress developed during the fabrication presents the major challenges in developing reliable MEMS tuners. An efficient extraction method for in-plane residual stress has been proposed using a single beam test structure. This method has been demonstrated by wafer-scale measurements of electrostatically actuated beams. The statistic and spatial distribution of extracted residual stresses on a quarter wafer is presented, and the accuracy of this method is evaluated by uncertainty analysis. With the awareness the residual stress effects, the design optimization has been conducted for designing stress-tolerant micro-corrugated diaphragm tuners used in tunable cavity resonators/filters. Furthermore, the temperature sensitivity issue results from the mismatch of material properties between the structure material and substrate has been discussed and a thermally-stable RF MEMS tuner based on a nonuniform micro corrugated diaphragm has been proposed and experimentally validated over a wide temperature variation

Optical MEMS

Optical microelectromechanical systems (MEMS), microoptoelectromechanical systems (MOEMS), or optical microsystems are devices or systems that interact with light through actuation or sensing at a micro- or millimeter scale. Optical MEMS have had enormous commercial success in projectors, displays, and fiberoptic communications. The best-known example is Texas Instruments’ digital micromirror devices (DMDs). The development of optical MEMS was impeded seriously by the Telecom Bubble in 2000. Fortunately, DMDs grew their market size even in that economy downturn. Meanwhile, in the last one and half decade, the optical MEMS market has been slowly but steadily recovering. During this time, the major technological change was the shift of thin-film polysilicon microstructures to single-crystal–silicon microsructures. Especially in the last few years, cloud data centers are demanding large-port optical cross connects (OXCs) and autonomous driving looks for miniature LiDAR, and virtual reality/augmented reality (VR/AR) demands tiny optical scanners. This is a new wave of opportunities for optical MEMS. Furthermore, several research institutes around the world have been developing MOEMS devices for extreme applications (very fine tailoring of light beam in terms of phase, intensity, or wavelength) and/or extreme environments (vacuum, cryogenic temperatures) for many years. Accordingly, this Special Issue seeks to showcase research papers, short communications, and review articles that focus on (1) novel design, fabrication, control, and modeling of optical MEMS devices based on all kinds of actuation/sensing mechanisms; and (2) new developments of applying optical MEMS devices of any kind in consumer electronics, optical communications, industry, biology, medicine, agriculture, physics, astronomy, space, or defense

Evaluation of Pixel-scale Tunable Fabry-Perot Filters for Optical Imaging

The Fabry-Perot interferometer (FPI) is a well-developed and widely used tool to control and measure wavelengths of light. In optical imaging applications, there is often a need for systems with compact, integrated, and widely tunable spectral filtering capabilities. We evaluate the performance of a novel tunable MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) Fabry-Perot (FP) filter device intended to be monolithically integrated over each pixel of a focal plane array. This array of individually tunable FPIs have been designed to operate across the visible light spec-trum from 400-750 nm. This design can give rise to a new line of compact spectrometers with fewer moving parts and the ability to perform customizable filtering schemes at the hardware level. The original design was modeled, simulated, and fabricated but not tested and evalu-ated. We perform optical testing on the fabricated devices to measure the spectral resolution and wavelength tunability of these FP etalons. We collect the transmission spectrum through the FP etalons to evaluate their quality, finesse, and free spectral range. We then attempt to thermally actuate the expansion mechanisms in the FP cavity to validate tunability across the visible spectrum. The simulated design materials set was modified to create a more practical device for fabrication in a standard CMOS/MEMS foundry. Unfortunately, metal thin film stress and step coverage issues resulted in device heater failures, preventing actuation. This FP filter array design proves to be a viable manufacturing design for an imaging focal plane with individually tunable pixels. However, it will require more optimization and extensive electrical, optical, thermal, and mechanical testing when integrated with a detector array

Advances in Solid State Circuit Technologies

This book brings together contributions from experts in the fields to describe the current status of important topics in solid-state circuit technologies. It consists of 20 chapters which are grouped under the following categories: general information, circuits and devices, materials, and characterization techniques. These chapters have been written by renowned experts in the respective fields making this book valuable to the integrated circuits and materials science communities. It is intended for a diverse readership including electrical engineers and material scientists in the industry and academic institutions. Readers will be able to familiarize themselves with the latest technologies in the various fields

Design of CMOS transimpedance amplifiers for remote antenna units in fiber-wireless systems.

La memoria de la tesis doctoral: Diseño de Amplificadores de Transimpedancia para Unidades de Antena Remota en Sistemas Fibra-Inalámbrico, se presenta en la modalidad de compendio de Publicaciones. A continuación, se expone un resumen del contexto, motivation y objetivos de la tesis.A lo largo de las últimas décadas, los avances tecnológicos y el esfuerzo por desarrollar nuevos sistemas de comunicaciones han crecido al ritmo que la demanda de información aumentaba a nivel mundial. Desde la aparición de Internet, el tráfico global de datos ha incrementado de forma exponencial y se han creado infinidad de aplicaciones y contenidos desde entonces.Con la llegada de la fibra óptica se produjo un avance muy significativo en el campo de las comunicaciones, ya que la fibra de vidrio y sus características fueron la clave para crear redes de largo alcance y alta velocidad. Por otro lado, los avances en las tecnologías de fabricación de circuitos integrados y de dispositivos fotónicos de alta velocidad han encabezado el desarrollo de los sistemas de comunicaciones ópticos, logrando incrementar la tasa de transmisión de datos hasta prácticamente alcanzar el ancho de banda de la fibra óptica.Para conseguir una mayor eficiencia en las comunicaciones y aumentar la tasa de transferencia, se necesitan métodos de modulación complejos que aprovechen mejor el ancho de banda disponible. No obstante, esta mayor complejidad de la modulación de los datos requiere sistemas con mejores prestaciones en cuanto a rango dinámico y linealidad. Estos esquemas de modulación se emplean desde hace tiempo en los sistemas de comunicaciones inalámbricos, donde el ancho de banda del canal, el aire, es extremadamente limitado y codiciado.Actualmente, los sistemas inalámbricos se enfrentan a una saturación del espectro que supone un límite a la tasa de transmisión de datos. Pese a los esfuerzos por extender el rango frecuencial a bandas superiores para aumentar el ancho de banda disponible, se espera un enorme aumento tanto en el número de dispositivos, como en la cantidad de datos demandados por usuario.Ante esta situación se han planteado distintas soluciones para superar estas limitaciones y mejorar las prestaciones de los sistemas actuales. Entre estas alternativas están los sistemas mixtos fibra-inalámbrico utilizando sistemas de antenas distribuidas (DAS). Estos sistemas prometen ser una solución económica y muy efectiva para mejorar la accesibilidad de los dispositivos inalámbricos, aumentando la cobertura y la tasa de transferencia de las redes a la vez que disminuyen las interferencias. El despliegue de los DAS tendrá un gran efecto en escenarios tales como edificios densamente poblados, hospitales, aeropuertos o edificios de oficinas, así como en áreas residenciales, donde un gran número de dispositivos requieren una cada vez mayor interconectividad.Dependiendo del modo de transmisión de los datos a través de la fibra, los sistemas mixtos fibra-inalámbrico se pueden categorizar de tres formas distintas: Banda base sobre fibra (BBoF), radiofrecuencia sobre fibra (RFoF) y frecuencia intermedia sobre fibra (IFoF). Actualmente, el esquema BBoF es el más utilizado para transmisiones de larga y media distancia. No obstante, utilizar este esquema en un DAS requiere unidades de antena remota (RAU) complejas y costosas, por lo que no está claro que esta configuración pueda ser viable en aplicaciones de bajo coste que requieran de un gran número de RAUs. Los sistemas RFoF e IFoF presentan esquemas más simples, sin necesidad de integrar un modulador/demodulador, puesto que la señal se procesa en una estación base y no en las propias RAUs.El desarrollo de esta tesis se enmarca en el estudio de los distintos esquemas de DAS. A lo largo de esta tesis se presentan varias propuestas de amplificadores de transimpedancia (TIA) adecuadas para su implementación en cada uno de los tres tipos de RAU existentes. La versatilidad y el amplio campo de aplicación de este circuito integrado, tanto en comunicaciones como en otros ámbitos, han motivado el estudio de la implementación de este bloque específico en las diferentes arquitecturas de RAU y en otros sistemas, tales como un receptor de televisión por cable (CATV) o una interfaz de un microsensor inercial capacitivo.La memoria de tesis se ha dividido en tres capítulos. El Capítulo 1 se ha empleado para introducir el concepto de los DAS, proporcionando el contexto y la motivación del diseño de las RAU, partiendo desde los principios básicos de operación de los dispositivos fotónicos y electrónicos y presentando las distintas arquitecturas de RAU. El Capítulo 2 supone el núcleo principal de la tesis. En este capítulo se presenta el estudio y diseño de los diferentes TIAs, que han sido optimizados respectivamente para cada una de las configuraciones de RAU, así como para otras aplicaciones. En un tercer capítulo se recogen los resultados más relevantes y se exponen las conclusiones de este trabajo.Tras llevar a cabo la descripción y comparación de las topologías existentes de TIA, se ha llegado a las siguientes conclusiones, las cuales nos llevan a elegir la topología shunt-feedback como la más adecuada para el diseño: - El compromiso entre ancho de banda, transimpedancia, consumo de potencia y ruido es menos restrictivo en los TIAs de lazo cerrado. - Los TIAs de lazo cerrado tienen un mayor número de grados de libertad para acometer su diseño. - Esta topología presenta una mejor linealidad gracias al lazo de realimentación. Si la respuesta frecuencial del núcleo del amplificador se ajusta de manera adecuada, el TIA shunt-feedback puede presentar una respuesta frecuencial plana y estable.En esta tesis, se ha propuesto una nueva técnica de reducción de ruido, aplicable en receptores ópticos con fotodiodos con un área activa grande (~1mm2). Esta estrategia, que se ha llamado la técnica del fotodiodo troceado, consiste en la fabricación del fotodiodo, no como una estructura única, sino como un array de N sub-fotodiodos, que ocuparían la misma área activa que el original. Las principales conclusiones tras hacer un estudio teórico y realizar un estudio de su aplicación en una de las topologías de TIA propuestas son: - El ruido equivalente a la entrada es menor cuanto mayor es el número de sub-fotodiodos, dado que la contribución al ruido que depende con el cuadrado de la frecuencia (f^2) decrece con una dependencia proporcional a N. - Con una aplicación simple de la técnica, replicando el amplificador de tensión del TIA N veces y utilizando N resistencias de realimentación, cada una con un valor N veces el original, la sensibilidad del receptor aumenta aproximadamente en un factor √N y la estabilidad del sistema no se ve afectada. - Al dividir el fotodiodo en N sub-fotodiodos, la capacidad parásita de cada uno de ellos es N veces menor a la original. Con esta nueva capacidad parásita, el diseño del TIA se puede optimizar, consiguiendo una sensibilidad mucho mejor que con un único fotodiodo para el mismo valor de consumo de potencia.Las principales conclusiones respecto a los diseños de los distintos TIAs para comunicaciones son las siguientes: TIA para BBoF: - El TIA propuesto, alcanza, con un consumo de tan solo 2.9 mW, un ancho de banda de 1 GHz y una sensibilidad de -11 dBm, superando las características de trabajos anteriores en condiciones similares (capacidad del fotodiodo, tecnología y tasa de transmisión). - La técnica del fotodiodo troceado se ha aplicado a este circuito, consiguiendo una mejora de hasta 7.9 dBm en la sensibilidad para un diseño optimizado de 16 sub-fotodiodos, demostrando, en una simulación a nivel de transistor, que la técnica propuesta funciona correctamente. TIA para RFoF: - El diseño propuesto logra una figura de mérito superior a la de trabajos previos, gracias a la combinación de su bajo consumo de potencia y su mayor transimpedancia. - Además, mientras que en la mayoría de trabajos previos no se integra un control de ganancia en el TIA, esta propuesta presenta una transimpedancia controlable desde 45 hasta 65 dBΩ. A través de un sistema de control simultáneo de la transimpedancia y de la ganancia en lazo abierto del amplificador de voltaje, se consigue garantizar una respuesta frecuencial plana y estable en todos los estados de transimpedancia, que le otorga al diseño una superior versatilidad y flexibilidad. TIA para CATV: - Se ha adaptado una versión del TIA para RFoF para demostrar la capacidad de adaptación de esta estructura en una implementación en un receptor CATV con un rango de control de transimpedancia de 18 dB. - Con la implementación del control de ganancia en el TIA, no es necesario el uso de un atenuador variable en el receptor, simplificando así el número de etapas del mismo. - Gracias al control de transimpedancia, el TIA logra rangos de entrada similares a los publicados en trabajos anteriores basados en una tecnología mucho menos accesible como GaAs PHEMT. TIA para IFoF Se ha fabricado un chip en una tecnología CMOS de 65 nm que opera a 1.2 V de tensión de alimentación y se ha realizado su caracterización eléctrica y óptica. - El TIA presenta una programabilidad de su transimpedancia con un control lineal en dB entre 60 y 76 dBΩ mediante un código termómetro de 4 bits. - El ancho de banda se mantiene casi constante en todo el rango de transimpedancia, entre 500 y 600 MHz.Como conclusión general tras comparar el funcionamiento de los TIAs para las distintas configuraciones de RAU, vale la pena mencionar que el TIA para IFoF consigue una figura de mérito muy superior a la de otros trabajos previos diseñados para RFoF. Esto se debe principalmente a la mayor transimpedancia y al muy bajo consumo de potencia del TIA para IFoF propuesto. Además, se consigue una mejor linealidad, ya que, para una transmisión de 54 Mb/s con el estándar 802.11a, se consigue un EVM menor de 2 % en un rango de entrada de 10 dB, comparado con los entre 3 y 5 dB reportados en trabajos previos. El esquema IFoF presenta un gran potencial y ventajas frente al RFoF, lo que lo coloca como una buena alternativa para disminuir los costes y mejorar el rendimiento de los sistemas de antenas distribuidas.Por último, cabe destacar que el diseño de TIA propuesto y fabricado para IFoF contribuye en gran medida al desarrollo y validación de una RAU completa. Se ha demostrado la capacidad de la estructura propuesta para alcanzar un bajo ruido, alta linealidad, simplicidad en la programabilidad de la transimpedancia y adaptabilidad de la topología para diferentes requisitos, lo cual es de un gran interés en el diseño de receptores ópticos.Por otra parte, una versión del TIA para su uso en una interfaz de sensores MEMS capacitivos se ha propuesto y estudiado. Consiste en un convertidor capacidad-voltaje basado en una versión del TIA para RFoF, con el objetivo de conseguir un menor ruido y proveer de una adaptabilidad para diferentes sensores capacitivos. Los resultados más significativos y las conclusiones de este diseño se resumen a continuación: - El TIA presenta un control de transimpedancia con un rango de 34 dB manteniendo el ancho de banda constante en 1.2 MHz. También presenta un control independiente del ancho de banda, desde 75 kHz hasta 1.2 MHz, manteniendo la transimpedancia fija en un valor máximo. - Con un consumo de potencia de tan solo 54 μW, el TIA alcanza una sensibilidad máxima de 1 mV/fF, que corresponde a una sensibilidad de 4.2 mV/g y presenta un ruido de entrada de tan solo 100 µg/√("Hz" ) a 50 kHz en la configuración de máxima transimpedancia.La principal conclusión que destaca de este diseño es su versatilidad y flexibilidad. El diseño propuesto permite adaptar fácilmente la respuesta de la interfaz a una amplia gama de dispositivos sensores, ya que se puede ajustar el ancho de banda para ajustarse a distintas frecuencias de operación, así como la transimpedancia puede ser modificada para conseguir distintas sensibilidades. Este doble control independiente de ancho de banda y transimpedancia le proporcionan una adaptabilidad completa al TIA.<br /

NASA Tech Briefs, April 2007

Topics include: Wearable Environmental and Physiological Sensing Unit; Broadband Phase Retrieval for Image-Based Wavefront Sensing; Filter Function for Wavefront Sensing Over a Field of View; Iterative-Transform Phase Retrieval Using Adaptive Diversity; Wavefront Sensing With Switched Lenses for Defocus Diversity; Smooth Phase Interpolated Keying; Maintaining Stability During a Conducted-Ripple EMC Test; Photodiode Preamplifier for Laser Ranging With Weak Signals; Advanced High-Definition Video Cameras; Circuit for Full Charging of Series Lithium-Ion Cells; Analog Nonvolatile Computer Memory Circuits; JavaGenes Molecular Evolution; World Wind 3D Earth Viewing; Lithium Dinitramide as an Additive in Lithium Power Cells; Accounting for Uncertainties in Strengths of SiC MEMS Parts; Ion-Conducting Organic/Inorganic Polymers; MoO3 Cathodes for High-Temperature Lithium Thin-Film Cells; Counterrotating-Shoulder Mechanism for Friction Stir Welding; Strain Gauges Indicate Differential-CTE-Induced Failures; Antibodies Against Three Forms of Urokinase; Understanding and Counteracting Fatigue in Flight Crews; Active Correction of Aberrations of Low-Quality Telescope Optics; Dual-Beam Atom Laser Driven by Spinor Dynamics; Rugged, Tunable Extended-Cavity Diode Laser; Balloon for Long-Duration, High-Altitude Flight at Venus; and Wide-Temperature-Range Integrated Operational Amplifier

Nonlinearity and noise modeling of operational transconductance amplifiers for continuous time analog filters

A general framework for performance optimization of continuous-time OTA-C (Operational Transconductance Amplifier-Capacitor) filters is proposed. Efficient procedures for evaluating nonlinear distortion and noise valid for any filter of arbitrary order are developed based on the matrix description of a general OTA-C filter model . Since these procedures use OTA macromodels, they can be used to obtain the results significantly faster than transistor-level simulation. In the case of transient analysis, the speed-up may be as much as three orders of magnitude without almost no loss of accuracy. This makes it possible to carry out direct numerical optimization of OTA-C filters with respect to important characteristics such as noise performance, THD, IM3, DR or SNR. On the other hand, the general OTA-C filter model allows us to apply matrix transforms that manipulate (rescale) filter element values and/or change topology without changing its transfer function. The above features are a basis to build automated optimization procedures for OTA-C filters. In particular, a systematic optimization procedure using equivalence transformations is proposed. The research also proposes suitable software implementations of the optimization process. The first part of the research proposes a general performance optimization procedure and to verify the process two application type examples are mentioned. An application example of the proposed approach to optimal block sequencing and gain distribution of 8th order cascade Butterworth filter (for two variants of OTA topologies) is given. Secondly the modeling tool is used to select the best suitable topology for a 5th order Bessel Low Pass Filter. Theoretical results are verified by comparing to transistor-level simulation withCADENCE. For the purpose of verification, the filters have also been fabricated in standard 0.5mm CMOS process. The second part of the research proposes a new linearization technique to improve the linearity of an OTA using an Active Error Feedforward technique. Most present day applications require very high linear circuits combined with low noise and low power consumption. An OTA based biquad filter has also been fabricated in 0.35mm CMOS process. The measurement results for the filter and the stand alone OTA have been discussed. The research focuses on these issues