“Diseño de un sensor de potencia para
Radio Frecuencia”
Por:
Lic. Oscar Addiel Seseña Osorio.
Tesis sometida como requisito parcial para obtener el
grado de:
Maestro en Ciencias en la especialidad de Electrónica
en el Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y
Electrónica.
Julio
2011
Tonantzintla,
Puebla
Supervisada por:
Dr. Roberto S. Murphy Arteaga
Investigador titular del INAOE
©INAOE 2011 Derechos Reservados
El autor otorga al INAOE el permiso de reproducir y distribuir copias de esta tesis en su
Dedicatoria
A mis padres Jorge y Zeferina
y
Agradecimientos
Al Dr. Roberto S. Murphy Arteaga por apoyarme aún conociendo de su agenda apretada debido a sus responsabilidades en Formación Académica, le agradezco su tiempo, toda su paciencia y su apreciada guía para elaborar este trabajo de investigación.
Al INAOE que me albergó en sus instalaciones para seguir estudiando con comodidades envidiables.
A CONACYT por la beca que me otorgo como apoyo parcial a este trabajo de investigación a través de los proyectos CONACyT 83774-Y y FORDECyT 115976.
A mi mamá Zeferina por demostrarme todo su amor, por apoyarme y no dejarme abdicar en los peores momentos.
A mi papá Jorge qué me ha enseñado que con trabajo, compromiso en la vida y a la familia se puede realizar todos nuestros sueños.
A mi hermano que es un modelo a seguir en la lucha y perseverancia, cuando acudíamos a la primaria. En la universidad con su ejemplo de que la lucha se tiene que hacer todos los días, que los desvelos y la responsabilidad son cotidianos. Gracias por las palabras de aliento durante la maestría.
A mi familia en especial a mi tía Fran, que con su apoyo moral y económico este proyecto de mi vida no lo habría concluido.
A mis tíos Fidel y Heracleo por ser una motivación de seguir esforzándome con mis estudios, agradezco sus consejos además ser un ejemplo de luchar para alcanzar los objetivos que nos proponemos.
Y a Ma.M.B.G.(NIÑA HERMOSA) por acompañarme casi al final de este proyecto que me habría encantado compartirlo en este año y que durante el tiempo de la maestría me brindaste tu tiempo, cariño, comprensión y amor.
A Daniela Díaz que me brindo su tiempo, comprensión, palabras alentadoras cuando las necesitaba, gracias a este trabajo pudimos fortalecer nuestra amistad. Además agradezco todos los consejos y ayuda en los temas relacionados.
A mis amigos Cesar Calleja, Miriam Cruz, Miguel Tlaxcalteco, Arturo Hernández, y a mis compañero de generación por su compañerismo, apoyo y convivencias compartidas.
Al jurado formado por el Dr. Ignacio Zaldivar, Dr. Reydezel Torres, Dr. Wilfrido Calleja, Dr. Roberto Murphy por sus observaciones y recomendaciones muy valiosas.
Resumen
Este trabajo de investigación presenta el diseño de un sensor de potencia para Radio Frecuencia (RF) utilizando componentes MicroElectroMecánicos (MEMs).
Los sensores son utilizados en muchos ámbitos de la vida con la finalidad de interpretar los fenómenos físicos a señales eléctricas, los sensores de potencia son aquellos que determinan la magnitud de energía que tiene una señal eléctrica.
La presencia de los sensores de potencia en su mayoría son terminales esto significa que la señal eléctrica es disipada, esto ha motivado a la investigación de otro tipo de sensor de potencia no-terminal, el sensor de potencia through (no–terminal); es aquel qué en el proceso de medición no disipa la señal eléctrica.
El crecimiento en la investigación de MEMs ha mostrado diversas características como bajo consumo de energía, alta sensibilidad, alta integración en chip con dimensiones de escalas micrométricas, por mencionar algunos. En las áreas de electrónica, óptica, medicina, industria, entre otras. En la rama de comunicaciones en electrónica se han investigado filtros, conmutadores, capacitores, entre otros, de los cuales destacan con una respuesta más rápida comparado con los sistemas macro, siendo ésta la razón para el desarrollo de dispositivos para los sistemas de comunicación.
Los sistemas de comunicación han detonado un gran desarrollo en muchas áreas de la investigación, éstos sistemas nos brinda comodidad: movilidad, rapidez, uso eficiente de energía, por mencionar algunos. Para tener un uso eficaz de la energía es imprescindible tener un sensor de potencia que monitoreé su intensidad.
Este trabajo de investigación presenta la utilización de un conmutador como parte del sensor de potencia. En esta tesis se presentan los diferentes componentes que conforma el sensor de potencia que son: un conmutador RF MEMs y una guía de onda.
El diseñó de la guía de onda coplanar se realizó a una impedancia de 50Ω para obtener un buen acoplamiento, el conmutador consta de una membrana que es suspendida por una red de resortes. Además se realizó una compensación en impedancia debido a la combinación de ambos obteniendo una mejora en el desempeño.
El diseño incluye consideraciones o reglas de diseño para el proceso de fabricación SUMMiT V de los Laboratorios Nacionales de Sandia en los Estados Unidos, siendo compatible para la fabricación de circuitos integrados CMOS (CI CMOS).
Los valores obtenidos en simulación son de S21= –1.0dB y S11= –18dB hasta una frecuencia de 10GHz
Objetivos
El diseño de un sensor de potencia para RF que sea un dispositivo no-terminal de forma que no disipe la señal eléctrica RF.
Que el diseño tenga compatibilidad con los procesos de fabricación estándar de CI CMOS.
Justificación
Los Sistemas Micro-Electro-Mecánicos (MEMs) han experimentado un crecimiento en Radio Frecuencia (RF) en electrónica. En esta rama de comunicaciones se han desarrollado componentes como: filtros con un ancho de banda muy angosta, inductores, entre otros, todos ellos con integración a CI CMOS. Son dispositivo que consumen poca energía y su producción son de forma masiva y con ello se reducen los costos de manufactura.
La medición de la potencia es de gran relevancia, ya que se pueden utilizar en sistemas de protección, control de ganancia, sistemas de radar u otras aplicaciones como inalámbricas en donde es necesaria la eficiencia en consumo de energía.
En este proyecto de investigación se diseñó un sensor de potencia para RF como un dispositivo no–terminal, el sensor tipo a-través (through) utiliza componentes MEMs. Además el sensor de potencia tiene la compatibilidad para un proceso de fabricación estándar de CI.
Motivación.
Los sensores de potencia son un dispositivo para monitorear la magnitud de energía de una señal, los sistemas de comunicación pueden trabajar en rangos de potencia muy bajos. Así el ahorro de energía es vital como en sistemas de comunicación móviles, en los que se puede prolonga el uso de la batería.
Este trabajo de tesis contribuye ha un dispositivo eficiente en energía ya que no convierte la energía eléctrica a calorífica. Además de poder disminuir el costo de producción del dispositivo, ya que es compatible para un proceso de fabricación estándar CI CMOS de manera que no se requiere modificar el proceso de fabricación.
Las motivaciones en resumen son: consumo eficiente de energía, compatibilidad en proceso de fabricación, incremento del ancho de banda, incremento en la sensibilidad y medición de la potencia de una señal eléctrica sin alterar a la señal original.
Organización
La presente tesis está organizada en 5 capítulos. En el capítulo 1 se detalla el uso y tipos de sensores de potencia. En el capítulo 2 se presentan las herramientas matemáticas usadas para el diseño de los componentes que conforman al sensor, así como una descripción del proceso de fabricación. El capítulo 3 describe el patrón geométrico y las características. Las simulaciones se encuentran en el capítulo 4. El capítulo final presenta las conclusiones y contribuciones obtenidas de este trabajo.
Contenido
Dedicatoria ...I
Resumen ... III
Objetivos ...IV
Justificación ...IV
Motivación... V
Organización... V
Contenido ...VI
Capítulo 1 Introducción... 1
1.1 Introducción ... 1
1.2 Sensor... 1
1.3 Necesidades de los sensores de potencia RF ... 5
1.3.1 Aplicaciones de microondas ...7
1.4 Tipos de sensores de potencia RF ... 12
1.4.1 Sensores de potencia disipativos ...16
1.4.1.1 Termoresistor (Termistor): ...17
1.4.1.2 Termoacoplador (Termopar): ...19
1.4.1.3 Diodo: ...22
1.4.2 Sensores de potencia con línea-a través (Through)...26
1.5 Publicaciones de sensores through ... 31
Capítulo 2 Marco Teórico... 41
2.1 Componentes del sensor de potencia RF ... 41
2.1.1 Análisis matemático ...41
2.1.1.1 Descripción ...41
2.1.1.2 Membrana RF MEMs y Guía de Onda Coplanar ( CPW )...43
2.1.1.2.1 Capacitancia de placas paralelas...45
2.1.1.3 Guía de onda coplanar (“CPW” – CoPlanar Waveguide) ...47
2.1.1.3.1 Estructura de una guía de onda coplanar convencional...48
2.1.1.3.2 Ecuaciones de una CPW ...49
2.1.2 Comportamiento mecánico de red de resortes...53
2.1.2.1 Estrés...53
2.1.2.2 Módulo de Young ...54
2.1.2.3 Coeficiente de Poisson...54
2.1.2.4 Vigas ...54
2.1.2.4.1 Combinación en resortes...57
2.1.3 Inclusión de discontinuidades en CPW y Compensación RF ...60
2.2 Proceso de fabricación... 62
Capítulo 3 Diseño... 64
3.1 Patrón geométrico del sensor de potencia RF ... 64
3.1.1 Resortes ...64
3.1.2 Membrana suspendida ...68
3.1.3 Cambio de impedancia ...69
3.2 Características esperadas... 70
3.3 Resumen de dimensiones... 73
3.4 Patrón geométrico con pads de medición ... 75
Capítulo 4 Simulación ... 80
4.1 Simulación de desplazamiento. ... 80
4.2 Capacitancia ... 85
4.3 Simulaciones de parámetros eléctricos o parámetros S ... 86
4.4 Discusión de los resultados... 91
Capítulo 5 Conclusiones y Trabajo a futuro... 94
5.1 Conclusiones ... 94
5.2 Trabajo a futuro ... 97
Referencias... 98
Apéndice A: Reglas de Diseño………...102
Capítulo 1
Introducción
1.1 Introducción
Actualmente los sistemas de comunicación son parte importante en nuestra vida cotidiana, que van desde la radio, televisión, teléfonos móviles, redes de computadoras etcétera; donde las aplicaciones de los sistemas de comunicación son interminables, a través de éstos se puede transmitir información como: voz, video y datos.
Un ejemplo de éstos son: sistemas de comunicación terrestre, el cual es imprescindible un sensor para poder monitorear la intensidad de la señal eléctrica recibida.
En este capítulo aparecerán los distintos tipos de sensores, además de la motivación para el desarrollo de la presente tesis.
1.2 Sensor
Un sensor es un dispositivo que provee de un interfaz entre el mundo real y el equipo electrónico, los sensores convierten lo no eléctrico como magnitudes de fenómenos Físicos y/o Químicos a variables de instrumentación por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, pH, etc.
Trasladando esto al sentido humano, se podría decir que se tiene el concepto de: oír, ver, gusto, en un equipo electrónico Tabla 1.1.
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Tabla 1.1) Formas de energías detectadas por sensores artificiales haciendo una relación con los sentidos humanos.
Forma de energía Química Mecánica Radiante Térmica Sentidos humanos Gusto y olfato Oído y tacto Vista y tacto Tacto
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El progreso tecnológico permite que los sensores se fabriquen cada vez más pequeños, a escala microscópica, a éstos se les llama microsensores, ya que muchos de ellos emplean la tecnología para realizar Sistemas Micromáquinados (MEMs). En la mayoría de los casos, un microsensor alcanza velocidades más altas y una mayor sensibilidad en comparación con los enfoques macroscópicos.
Los microsensores han encontrando innumerables aplicaciones por ejemplo: como monitores en la industria, automatización industrial, en la industria automotriz, transportación, telecomunicaciones, computación, robótica, monitorización climática, el cuidado de la salud, la agricultura, en otras palabras, en casi todas las esferas de la vida.
La clasificación de los sensores puede ser simple o muy compleja; una buena manera para su clasificación es considerar todas las propiedades como, qué se va a medir (estímulo), qué especificaciones tiene, qué fenómenos físicos, qué mecanismos de conversión utiliza, etc.
Las Tablas 1.2 a 1.6 presentan las diversas características que se pueden tomar en cuenta durante el diseño de un sensor en diversas aplicaciones.
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Tabla 1.2) Especificaciones.
• Sensibilidad • Estabilidad • Exactitud
• Velocidad de respuesta • Características de traslape • Histéresis
• Tiempo de vida útil • Costo, tamaño, peso
• Rango de estimulo • Resolución • Selectividad
• Condiciones ambientales • Linealidad
• Formato de resultado • Otros.
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Tabla 1.3) Medios de la detección usados en sensor.
• Biológico • Químico
• Eléctrico, Magnético o Ondas Electromagnéticas
• Calor, Temperatura
• Desplazamiento Mecánico o Movimiento • Radioactividad, Radiación
• Etc.
_______________________________________________________
Tabla 1.4) Campo de Aplicación.
• Agricultura
• Ingeniería Civil, Construcción • Distribución, Finanzas • Energía, Potencia • Salud, Medicina • Fabricación • Militar
• Mediciones Científicas • Transportación
• Automotriz • Electrodomésticos
• Medioambiente, Meteorología, Seguridad • Información, Telecomunicaciones • Marina
• Recrearon, Juguetes • Espacio
• Otros.
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Tabla 1.5) Fenómeno de conversión.
Físico Termoeléctrico Fotoeléctrico Fotomagnético Magnetoeléctrico Electromagnético Termoelástico Termomagnético Electroelástico Otros.
Químico: Transformación química Transformación física Procesos electroquímicos Espectroscopia
Otros.
Biológico: Transformación bioquímica Transformación física
Efectos en organismos de prueba Otros.
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Tabla 1.6) Estímulos.
Acústico Amplitud de onda, fase Espectro
Velocidad de fase Otros.
Biológico Biomas (tipo, concentración) Otros.
Químico Componentes Otros.
Eléctrico Carga, Corriente Voltaje
Campo eléctrico (amplitud, fase)
Conductividad Otros.
Magnético Campo magnético (fase, amplitud)
Conductividad Permitividad Óptico Amplitud de onda, fase
Velocidad de onda Índice de refracción Otros. Mecánico Posición Aceleración Fuerza Estrés, Presión Tensión
Densidad de masa Momento, Troqué Otros.
Radioactivo Energía Intensidad
Otros. Térmico Temperatura Flujo
Conductividad térmica Otros.
Las características fundamentales de este trabajo son para un sensor de potencia RF, concretamente es:
Estimulo: Onda electromagnética.
Especificaciones: Detección de potencia de una señal RF
Fenómeno de conversión: Electromecánico.
Fenómeno de detección Capacitancia variable.
Campo de aplicación Comunicaciones.
Requerimientos: Compatibilidad con un proceso de
1.3 Necesidades de los sensores de potencia RF
Las señales eléctricas se generan fundamentalmente por dispositivos semiconductores que permiten la emisión de potencia. Para la detección de la magnitud eléctrica una herramienta clave es el medidor de potencia Figura 1.9. Dentro del medidor está un sensor y la elección de éste dependerá para que aplicación es utilizado.
Los sensores de potencia son muy importantes para los sistemas electrónicos, debido a que éstos funcionan mediante voltajes y corrientes, recordando que la potencia tiene la relación entre ambos términos Ecuación 1.1.
P= •V I . . . 1.1
Algunos dispositivos electrónicos funcionan de mejor manera con corriente que con voltaje o viceversa. La utilidad de los sensores de potencia son para determinar si el dispositivo electrónico cuenta con la energía suficiente para funcionar apropiadamente; en caso contrario éste no funcionará o entregará resultados inadecuados.
Los sensores de potencia se sitúan en el trayecto de un sistema de comunicación, los sistemas de comunicación son alámbricos o inalámbricos, ocasionalmente la utilización de sistemas alámbricos es inadecuado debido a la falta de canal y a su vez al elevando costo o la dificultad de la instalación del canal de comunicación como: guías de onda, fibra óptica, etcétera.
Una buena solución, es el uso de sistemas inalámbricos, es en donde se detona la posibilidad de tener locaciones aisladas o lejanas como son: sistemas de comunicación de microondas terrestres o sistemas de comunicación satelital.
Los sistemas de comunicación se tienen que ajustar a un ancho de banda y a una frecuencia de operación, ya que el espectro electromagnético esta dividido
Figura 1.1, para no interferir una aplicación con otra. Ya que se tienen regulaciones para el uso del espectro electromagnético, siendo éste que está
dividido como se observa en la Figura 1.1 con esto se evita que se tengan
3x10 5
103 102 10 1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7
3x106 3x107 3x10 8 3x109 3x1010 3x1011 3x1012 3x1013 3x1014 3x1015
O ndas de ra di o AM O ndas C or tas de r adi o TV FM M ic roondas In frar ro jo Lej ano In fra rro jo Luz V is ibl e Lar gas
Longuitud de Onda (m) Frecuencia (Hz)
1.3.1 Aplicaciones de microondas
Comunicación Industria y Calentamiento
Biomedicina Aplicaciones de microondas Terrestre Satelital Radar Militar Sensado remoto Vehículos espaciales Paqueteria de envio Avión de navegacion Control de trafico aereo Civil 3 C Guerras Guía de armamento Navegación Vigilancia Procesos de control Imagen Monitoreo
Aumento de la temperatura Tratamiemto de
desperdicio nuclear Tratamiento con
polimero para la elastisidad Curaciones
Secado
Industria
Casa
Figura 1.2) Algunas aplicaciones de microondas [2].
Sistemas de comunicaciones de microondas:
Los sistemas de comunicación terrestres usan dos estaciones de servicio (Emisor-Receptor) ubicados en la línea de vista (trayectoria directa) Figura 1.3.
Trayectoria Directa
Trayectoria Reflejada
Las antenas de microondas se colocan a una altura considerable sobre el nivel de piso evitando obstáculos y así poder conseguir mayores distancias. El costo del sistema depende principalmente de la potencia y la frecuencia de operación.
Las Sub-bandas del espectro electromagnético en sistemas de microondas
Tabla 1.7 se encuentran alrededor de los 10–26 GHz, que son capaces de conectar dos sitios de hasta 24 kilómetros de distancia. Los equipos que operan en frecuencias entre 2-8GHz, puede transmitir a una distancia de separación entre 30 y 45 kilómetros. Dependiendo de factores como: clima, terreno, cuerpos de agua, etcétera ya que ocasionarían atenuaciones o múltiples reflexiones.
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Tabla 1.7) Sub-bandas que dividen el espectro electromagnético.
AM 535 – 1605KHz Ondas Cortas de
Radio
3 – 30MHz
FM 88 – 108MHz
US Telefonía Celular
824 – 894MHz
GSM en Europa 880 – 960MHz
GPS 1575.42MHz
1227.60MHz US UWB 3.1– 10.6GHz US banda DBS 11.7 – 12.5GHz
Banda L 1 – 2GHz Banda S 2 – 4GHz Banda C 4 – 8GHz Banda X 8 – 12GHz Banda Ku 12 – 18GHz
Banda K 18 – 26GHz Banda Ks 26 – 40GHz Banda U 40 – 60GHz Banda V 50 – 75GHz Banda E 60 – 90GHz Banda W 75 – 110GHz
Banda F 90 – 140GHz
Sistemas de comunicación por satélite:
El objetivo de utilizar satélites es para poder comunicarse a una mayor distancia, debido a la curvatura del planeta es imposible tener una línea de vista, y la utilización de repetidoras es muy complejo y costoso. El satélite captura el campo electromagnético y la retransmite hacia la tierra modulada en frecuencia como un enlace de bajada, esta frecuencia suele estar 2 – 10GHz debido a que los efectos naturales se ven disminuidos Tabla 1.8.
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Tabla 1.8) Bandas de frecuencias utilizadas para las comunicaciones por satélite [3].
Bandas Rango de Frecuencias Servicios Principales Usos
VHF 30 – 300MHz Fijo Telemetría
UHF 300 – 1000MHz Móvil Navegación, Militar
L 1 – 2GHz Móvil Emisión de audio, radiolocalización
S 2 – 4GHz Móvil Navegación
C 4 – 8GHz Fijo Voz, datos, imágenes, TV
X 8 – 12GHz Fijo Militar
Ku 12 – 18GHz Fijo Voz, datos, imágenes, TV K 18 – 26GHz Fijo TV, comunicación satélital Ka 26 – 40GHz Fijo TV, comunicación satélital
Sistemas de radar:
Hay varios tipos de radares trabajando en la banda “X”, podemos encontrar radares de onda continua, discreto (pulsos), de polo único o de polo doble. El radar en banda “X” tiene diferentes modalidades en su uso, como por ejemplo: radar de uso civil, militar, instituciones gubernamentales, aplicaciones en sistemas meteorológicos, en el control de tráfico aéreo, para la defensa militar, etcétera, estos tipos de radares son altamente sensibles.
Para el servicio meteorológico son de gran utilidad debido a que pueden detectar la intensidad de la tormenta; La banda en que trabaja es relativamente alta, siendo que la longitud de onda es relativamente corta, así permitiendo tener una resolución considerablemente alta al momento de la proyección de imagen en el radar.
También son utilizados para la detección de objetos remotos, como un tipo de radar para la detección de velocidad, otra característica de los detectores de radar es que rastrean las frecuencias que se utilizan, así se pueden dar aviso cuando ésta es detectada y además de superar un umbral de potencia (ejemplo: utilizado por automovilistas que viajan a velocidades altas con el fin de no ser multados).
Sistemas de comunicación personal.
Cuando un equipo celular se aleja de una torre de servicio la intensidad de la señal disminuye con respecto a la separación, para poder tener una comunicación continua es necesario otra torre de servicio más próxima para que retome el servicio de comunicación Figura 1.4 esto se logra midiendo el nivel de potencia del sistema móvil y el procesamiento de datos del mismo. Algunas redes de telefonía celular usan bajas frecuencias de microondas.
Figura 1.4) Torres de servicio proporcionando comunicación a teléfonos móviles [4].
Los protocolos inalámbricos LAN (Local Area Network) , tales como Bluetooth y de Wi-Fi IEEE 802.11g y b que también usan microondas, en la banda ISM (Industrial Scientific and Medical) usa un rango de los 5GHz en el protocolo de comunicación IEEE 802.
La televisión por cable y el acceso a Internet vía cable coaxial usan algunas de las más bajas frecuencias de microondas Tabla 1.8.
Radioaficionado: En muchos países, se reserva el segmento 10 a 10.50GHz.
Otros sistemas.
Un equipo de los más conocidos es el horno de microondas, que usa un magnetrón para producir ondas a una frecuencia de aproximadamente 2.45GHz.
En la industria armamentista, ha desarrollado prototipos de armas que utilizan la tecnología de microondas para la incapacitación momentánea de diferentes enemigos en un radio limitado.
La utilización a diario de equipos electrónicos hace no descubrir que equipos usan sensores de potencia: La automatización de apertura/cierre de puertas de estacionamiento, apertura y cierre de persianas Figura 1.5, encendido de luces, los cuales éstos son por medio de transmisores y receptores RF.
Figura 1.5) Sistema inalámbrico para el control de persianas [5].
Otros sistemas son los equipos de seguridad que colocan cámaras inalámbricas: en escuelas, laboratorios, bóvedas, bodegas, etcétera.
También pueden ser utilizados para el rastreo de vehículos: automóviles, trailers, botes, barcos, mercancía, mensajería postal, etcétera.
Un sensor puede ser parte de un dispositivo de protección en equipos de medición de alto costo, como los equipos de medición de microondas y ondas
milimétricas Figura 1.6, debido a que son susceptibles a la potencia y al
sobrepasar a éste, el equipo o módulo de medición se daña, representando un alto costo la reposición o el servicio de reparación, por mencionar un ejemplo; al medir a la salida de un amplificador con alta ganancia.
Figura 1.6) VNA Agilent 20HP N5230A [www.agilent.com].
1.4 Tipos de sensores de potencia RF
La medición de potencia es realizada por equipos electrónicos especializados
Figura 1.7. Existen varios caminos para obtener la magnitud de la señal, éstos equipos cuentan con un sensor de potencia.
Otro equipo es un analizador de espectros, además de otros instrumentos: Éstos instrumentos son viables para la medición del nivel de potencia en una frecuencia en particular, sin embargo no pueden medir la potencia en todas las frecuencias, la medición puede ser imprecisa.
Figura1.7) Instrumentos para medición de potencia [6, 7, 8].
Los sensores de potencia tienen dos caminos de operación, se pueden clasificar como; sensores de potencia disipativos y sensores de potencia con línea-a
través (through) Figura 1.8. Existen equipos de medición que son compatibles
con los dos tipos de sensores, esto depende de para que aplicación será utilizado
Figura 1.9.
Figura 1.9) Medidor Digital de potencia para sensores BIRD[9].
Unidad de potencia
La unidad de potencia eléctrica que es internacionalmente aceptada es el WATT
(W), que esta definido, como un flujo de energía de un joule por segundo. o
“el flujo de energía por unida de tiempo”. La unidad watt no siempre es adecuada para algunas aplicaciones, siendo comúnmente encontrar a éste, en sub-unidades y súper-sub-unidades (por ejemplo “miliwatts”, “kilowatts”, “megawatts”).
Es una practica común el expresar la relación de potencia en términos de decibeles(dB), permite sumarse o/y restarse a la ganancias y pérdidas, en lugar de multiplicar y dividir. Los circuitos RF de baja potencia generalmente la unidad utilizada es dBm, donde 1dBm corresponde a un nivel de potencia de 1mW.
10 log
0.001
Potencia en watts(W)
W
W
P dBm
P
⎡ ⎤
= ⋅ ⎢ ⎥
⎣ ⎦
=
. . . 1.2
A continuación se muestra una tabla de equivalencias de voltajes, decibeles, watts Tabla 1.9, donde se consideró una carga de 50 ohms.
_______________________________________________________
Tabla 1.9) Tabla de equivalencias de voltajes a decibeles.
Potencia Voltaje
[dB] [dBm] [Watts] [Volts]
30 60 1 x10e3 223
55 316 124
20 50 100 70.7
45 31.6 39.7
10 40 10 22.3
35 3.16 12.4
0 30 1 7.07
25 316 x10e-3 3.97
-10 20 100 x10e-3 2.23
15 31.6 x10e-3 1.24
-20 10 10 x10e-3 707 x10e-3
5 3.16 x10e-3 397 x10e-3
-30 0 1 x10e-3 223 x10e-3 -5 316 x10e-6 124 x10e-3
-40 -10 100 x10e-6 70.7 x10e-3
-15 31.6 x10e-6 39.7 x10e-3
-50 -20 10 x10e-6 22.3 x10e-3
-25 3.16 x10e-6 12.4 x10e-3
-60 -30 1 x10e-6 7.07 x10e-3
-35 316 x10e-9 3.97 x10e-3
-70 -40 100 x10e-9 2.23 x10e-3
-45 31.6 x10e-9 1.24 x10e-3
-80 -50 10 x10e-9 707 x10e-6
-55 3.16 x10e-9 397 x10e-6
-90 -60 1 x10e-9 223 x10e-6
-65 316 x10e-12 124 x10e-6
-100 -70 100 x10e-12 70.7 x10e-6
-75 31.6 x10e-12 39.7 x10e-6 -100 -80 10 x10e-12 22.3 x10e-6
1.4.1 Sensores de potencia disipativos
Los sensores disipativos o también llamados dispositivos terminales Figura 1.10
realizan la conversión de la señal eléctrica a temperatura por medio de una resistencia de carga Ro que tiene el valor resistivo igual a la impedancia característica de entrada, el resultado de voltaje de salida depende de la temperatura sensada. Éstos módulos de detección de temperatura son diseñados para rango de RF y microondas, Los dispositivos son fabricados a base de: termoresistores, termopares y diodos Figura 1.11.
Figura 1.10) Sensor de potencia terminal.
Figura 1.11) Módulos de conversión de temperatura a voltaje.
Los sensores disipativos presentan características atractivas como: un ancho de banda, buena sensibilidad, bajas pérdidas, dando así resultados de un buen desempeño en la detección de potencia. Provocando un amplio estudio en dispositivos terminales.
1.4.1.1 Termoresistor
(Termistor):
Este sensor transforma la señal RF a temperatura por medio de una resistencia de carga; el cambio de temperatura es proporcional a la potencia de la señal. También el termoresistor puede ser utilizado en dirección inversa, convertir temperatura a señal eléctrica, ya que es directamente proporcional la temperatura a la resistencia eléctrica del termoresistor.
Teniendo la posibilidad de usar dos termoresistores; uno para disipar la energía y el otro para medir. La exactitud es buena cuando existe un buen acoplamiento entre la línea de transmisión y la carga (termoresistor).
Un termoresistor es una resistencia que cambia su valor eléctrico con la variación de la temperatura. Figura 1.12.
Figura 1.12) Sensor de potencia con termoresistor.
Usualmente son fabricados de un compuesto óxido metálico, en la Figura1.13
se muestra el comportamiento típico de la curva Resistencia-vs-Temperatura de un dispositivo termistor.
Para un coeficiente negativo de temperatura (NTC) el valor resistivo disminuye con forme aumenta la temperatura. Para un coeficiente positivo de temperatura (PTC) el valor resistivo aumenta con forme a la temperatura.
Figura 1.13) Coeficiente de temperatura positivo (PTC) y negativo (NTC) [10].
La característica principal de la resistencia es altamente no-lineal, de manera que varía considerablemente de un termoresistor a otro. Compañías que comercializaron como EMC Technology Inc., Gigatronic, y Dorado International
Corporation, Agilent Technology con el modelo 432A Figura 1.14 y otro modelo
que sustituye al mencionado es el 1830A.
1.4.1.2 Termoacoplador
(Termopar):
Los termoacopladores se basan en temperatura, son similares en mucho a los sensores con termistores, son viables para la medición de bajas potencias Figura 1.15.
Figura 1.15) Sensor de potencia con termopar.
El principio del termopar está basado en el efecto Seebeck. El voltaje de salida depende de la aparición del gradiente de temperatura en la unión de dos metales diferentes en un circuito cerrado Figura 1.16.
Figura 1.16) Sensor de potencia con termopar[Joseph].
El fenómeno físico de “Fuerza Electromotriz Thomson” se muestra en la Figura 1.17. Un metal se calienta en un extremo, como consecuencia, varios electrones obtienen suficiente energía para ser liberados de los átomos donde pertenecen, el resultando es un incremento de electrones libres, teniendo éste aumento de la densidad de electrones, comienzan a mover por difusión (de derecha a izquierda en la Figura 1.17), resultando un voltaje y un campo eléctrico en el metal.
E
Difusión de electrones
Figura 1.17) Efecto en metales [12].
Cuando se unen dos metales con diferentes densidades de electrones. El mismo principio es aplicado en el punto de unión de los metales.
El efecto electromotriz es similar en ambos metales, si son calentados en el punto de unión, ocasionando la liberación de electrones de los átomos y ocurre la difusión de electrones. La diferencia de los dos metales es que uno tiene mayor densidad de electrones que el otro, siendo que tiene una difusión distinta en ambos metales, y por lo tanto es distinto el voltaje de la fuerza electromotriz V1 y V2. El voltaje diferencial en los extremos fríos es llamado voltaje Seebeck,
Figura 1.18.
V
hV
1V
2V
Figura 1.18) Efecto Seebeck [13].
Es difícil la fabricación de un termopar tradicional en un CI, ya que es complicado modificar un proceso de fabricación CI debido a los distintos materiales. Además de que existen otros dispositivos que se pueden ver afectados en el cambio del proceso, debido a que comparten el mismo sustrato.
Una forma de medir la potencia de una señal RF es con la configuración que se muestra en la Figura 1.19 en que se muestra dos termopares unidos, con el fin de poder incrementar el voltaje, siendo que el voltaje RF en el termopar es bajo por lo tanto se añade un voltaje de referencia, con éste arreglo o configuración es llamado termoacoplador.
Figura 1.19) Configuración para medir potencia de una señal RF [Joseph].
Los modernos termoacopladores presentan mayor sensibilidad que los termistores, además de detección de bajos niveles de potencia. Sus características han sido estudiados ampliamente siendo más robustos y resistentes que los termistores,. Se tienen termoacopladores desarrollados completamente integrables a un proceso MMIC[14], Un diseño ya integrado en
un proceso CMOS Figura 1.20 con frecuencia de operación hasta 50GHz, o en
un rango dinámico de -30dBm a 10dBm hasta 20GHz[15].
Los sensores son comercializado por Agilent, Anritsu Ltd., Boonton Electronics Corporation, Oritel, Dorado International Corporation, Gigatronics, Rohde & Schwarz, entre otras. El sensor con termopar Agilent tiene un amplio rango dinámico de -30dBm a +20dBm por arriba de 20GHz, con los modelos de Agilent 8480, Agilent E8480[17].
_______________________________________________________ Tabla 1.10) Tipo de Termopares Tradicionales [18].
TC Componentes Rango(min., máx.)
mV
Voltaje Máximo J Hierro – Cobre / Níquel -180 , 750 42.2 K Níquel / Cromo – níquel /Aluminio -180 , 1375 54.8
T Cobre – Cobre / Níquel -250 , 400 20.8
R 87% Platino – 13% Rhodio -100% Platino 0 , 1767 21.9 S 90% Platino – 10% Rhodio -100% Platino 0 , 1767 18.68 B 70% Platino – 30% Rhodio -94% Platino – 6%Rhodio 0 , 1820 13.814
1.4.1.3 Diodo:
Por sí mismo un diodo no tiene la capacidad de medir la potencia de una señal, consecuentemente se tiene que realizar una calibración, cada dispositivo cuentan con un voltaje que es proporcional a la potencia RF recibida Figura 1.21.
Los diodos presentan ventajas altamente explotadas como son: Detección de niveles bajos de potencia de hasta -70dBm. Respuesta rápida comparada con los sensores térmicos y procesamiento sencillo de la salida.
El diseño de detectores con diodos presenta algunos desafíos en el invento de instrumentos de precisión. La primera es que los efectos de carga almacenada de los diodos limitan el rango de operación.
Un resultado de diodos metal semiconductor son: Diodos de barrera Schottky; son usados en sensores de potencia de radiofrecuencia, éstos diodos tienen un nivel mucho menor de carga almacenada y baja conducción de retorno.
Hoy en día, los diodos semiconductores de arseniuro de galio (GaAs) son los más usados, debido a que proporcionan un rendimiento superior en comparación con los diodos de silicio. Los diodos de potencia basados en GaAs tienen grandes ventajas sobre los rectificadores de silicio que se utilizan actualmente en electrónica de potencia. Entre sus ventajas se pueden destacar; una reducción de los sistemas de enfriamiento, mayor fiabilidad debido al bajo riesgo calentamiento, resistente a la radiación, baja corriente de recuperación y baja corriente de fuga.
Significando en ventajas en la operación de frecuencias de microondas. Los diodos tienen una caída de voltaje al rededor de 0.3V o menos.
Los sensores de potencia con diodos pueden ofrecer más opciones de salida usando procesamiento digital de señales avanzado, proveen posibilidades que no se tienen con los sensores basados en temperatura además con los diodos se pueden detectar una gran variedad de formas de onda.
Curva característica de I – V de un diodo
Existe la región llamada, “Región cuadrada” ésta se encuentra como se muestra en la Figura 1.22, la región no-lineal de la curva I-vs-V Figura 1.23. En esta región el voltaje de salida es proporcional a la potencia de entrada, que va de niveles bajos de potencia de los -70dBm a -20dBm.
Figura 1.22) Curva característica del diodo I vs V [Joseph].
Las características del diodo Schottky hace que sea posible trabajar con bajos niveles de potencia en el ancho de banda de microondas.
Para frecuencias más altas en la región de las microondas son preferentemente utilizados los diodos de barrera dopados PDB( Planar Doped Barier).que Trabajan por arriba de 18GHz, los niveles de potencia de -70 dBm. Se afirma que los diodos PDB son 3000 veces más eficientes que los termopares.
El diodo se puede utilizar directamente, como en los sensores anteriores, para la detección de potencia RF, cuando se opera en la región cuadrática. De esta forma el voltaje en DC es proporcional a la potencia RF. El diodo tipo Schottky es usado a frecuencias superiores de 20GHz.
El diodo es un dispositivo que se ha comercializado ampliamente Figura 1.24. Por empresas como Agilent, Anritsu Ltd., Boonton Electronics Corporation, Oritel, Dorado International Corporation, Gigatronics, Rohde & Schwarz, y Wandel & Goltermann, por mencionar algunos ejemplos:
• Tektronix PSM3310 10MHz-18GHz, [20].
• Tektronix PSM5120 100MHz-8GHz con rango dinámico de -20dBm a
+20dBm[21].
• National Instruments USB-5681 10MHz-18GHz de -40dBm a 20dBm,
consumo de potencia 150mA[22].
• National Instruments USB-5681 50MHz-6GHz de -40dBm a 23dBm,
consumo de potencia 100mA, VSWR < 1.2 (6GHz) [23].
• Bird 5011, 5015, 5011-EF y 5015-EF: (5011 de 40MHz a 4GHz),
(5011-EF de 40MHz a 12GHz), 10μW a 10mW (de –20dBm a +10dBm) [24].
1.4.2 Sensores de potencia con línea-a través (Through)
Este sensor de potencia con línea a – través (through) toma una muestra de la señal que atraviesa el sensor por medio de una guía de onda, y se calcula la potencia de la muestra de tal forma que se conoce la potencia de la onda incidente debido a la proporcionalidad de la muestra y la señal saliente siendo el sensor un sistema a tiempo (live system). Figura 1.25.
Figura 1.25) Sensor through.
Éstos sensores están compuestos básicamente por un capacitor variable como método de detección y por una guía de onda que lleva la señal de un punto ”A” a otro “B” pasando por donde se encuentra el capacitor variable Figura 1.26.
La estructura capacitiva es realizada con tecnología de micromáquinado MEMs, una de las guías de onda que presenta ventajas en su fabricación y respuesta es la guía de onda coplanar (CPW): en la cual su impedancia depende de las dimensiones de la estructura (ancho de la línea, separación del plano de tierra) y donde el material en el que es fabricado (substrato) influye en menor proporción. Esta guía de onda coplanar se puede integrar fácilmente en un proceso de fabricación estándar, ya que solo se necesitan dos planos para su fabricación, el primero es en donde se fabricara(substrato) y el segundo es el plano en que se encontrara la estructura Figura 1.27.
Figura 1.27) Algunas guías de onda planar.
La estructura micromáquinada más utilizada para realizar un capacitor variable es una membrana suspendida, con éste tipo de membrana se puede variar la separación entre conductores y obtener un capacitor variable, de otra manera será difícil la variación Figura 1.28.
Figura 1.28) Membrana suspendida sobre CPW.
Con los sensores through se pueden ampliar las aplicaciones debido a que se tiene la señal original, más la potencia de ésta sin necesidad de disiparla como en casos anteriores de sensores basados en temperatura. El cual éste será un dispositivo altamente utilizado, ya que sólo se conectara a la línea donde viaja la señal eléctrica.
Con los sensores de potencia through se está trabajando para que funcionen en frecuencias de microondas y con niveles de potencia bajos llegando a tener aplicaciones como: en astrofísica en donde el más mínimo nivel de potencia es de gran importancia para el estudio de la astronomía.
El principio de funcionamiento está basado en la fuerza de atracción eléctrica
que se genera en los conductores como se muestra en la Figuras 1.29. Una de
las propiedades que tiene este sensor es el consumo bajo de potencia.
Figura 1.29) Movimiento de membrana debido a un campo eléctrico.
Donde el movimiento de la membrana MEMs hace variar la capacitancia de
acuerdo a la Ecuación 1.3, la membrana está suspendida sobre la guía de onda
coplanar.
A C
d ε
=
. . . 1.3
La guía de onda coplanar para que no presente pérdidas se debe acoplar adecuadamente, así que se fabricará con una impedancia nominal de 50ohms de acuerdo a muchos equipos eléctricos que están diseñados a dicha impedancia.
Este tipo de sensor es relativamente insensible a la temperatura en contraste a los sensores térmicos. Otras ventajas son que se pueden integrar en un proceso de fabricación debido a la sencillez de fabricación, se puede diseñar a la impedancia que se desee para tener una trasferencia eficiente de energía, puede colocarse entre dos módulos sin afectar su funcionamiento para medir la
potencia, éstos módulos pueden ser acopladores, filtro, amplificadores, resonadores, inductores, etcétera [25], puede trabajar a bajas frecuencias del orden de Khz. hasta GHz.
Las desventajas de éste sensor through, es que aún no trabaja en frecuencias medias y altas de microondas debido a los mecanismos de pérdidas presentadas en los materiales, sin embargo esta línea de investigación se esta realizando en la cual han hecho la utilización de diferentes estructuras MEMs y variaciones de guías de onda para ampliar el ancho de banda, así poder ser comparables con los sensores basados en temperatura en el rango de frecuencias de los 50GHz.
Con las recientes investigaciones se puede encontrar en el comercio los sensores direccionales o sensor through: Figura 1.30.
Figura 1.30) Sensor de potencia direccional “Through” de la marca BIRD [26].
_______________________________________________________
Tabla 1.11) Datos técnicos del sensor de potencia direccional Bird 5010B, 5010T y 5014. Rango de
frecuencias
Rango de potencias de RF
Pérdida de inserción, Max
Pérdida de retorno 2 – 3600MHz 0.1W a 1kW 0.05dB hasta 1GHz de 0 a 20dB
Impedancia, Nominal
Choque y vibración mecánica
Ancho del pulso, Min
Dimensiones, 50 ohms De acuerdo con
MIL-T-28800D, Class 3
2 – 25MHz 15μs 25 – 100MHz 1.5μs
> 100MHz 800ns
2.5” x 5.0” x 2.0” (59 x 127 x 51mm)
_______________________________________________________
Tabla 1.12) Datos de funcionamiento del sensor de potencia de banda ancha Bird 5012, 5012A, 5016, y 5017.
Rango de frecuencias
Rango de potencias de RF
Pérdida de inserción, Max
Pérdida de retorno 350MHz a 4GHz 0.15 W – 150 W
promedio 4.0–400 W Pico-P
0.05 a 0.1dB 0 a 23dB
Impedancia, Nominal Choque y vibración mecánica
Ancho del pulso, Min
Dimensiones
50 ohms MIL-PRF-28800F class 3
2 – 25 MHz 15 μs 25 – 100 MHz 1.5 μs
> 100 MHz 800 ns
4.75” x 4.6” x 1.3” (121 x 117 x 33mm)
Figura 1.31) Power Sensor R&S NRT-Z14 (Frequency range 25 MHz to 1 GHz, Power measurement range 6 mW to 300 W) [27].
_______________________________________________________
Tabla 1.13) Power Sensors JD730 Series [28]. Directional Power Sensor
(JD733A) Terminating Power Sensor (JD732A) Terminating Power Sensor (JD734A) Terminating Power Sensor (JD736A)
·Sensor Type Average and
Peak
·Frequency Range 150 MHz – 3500 MHz
·Power Range Average : 0.25
W – 20 W (24 – 43 dbm)
·Peak: 0.25 W – 20 W (24 –
43 dbm)
·Sensor Type Average ·Frequency Range 20 MHz – 3800 MHz
·Power Range -30 dbm –
+20 dbm (1 µw – 100 mw)
·Measurement Uncertainty ± 7% of Redding 1,2
·Sensor Type Peak ·Frequency Range 20 – 3800 MHz
·Power Range -30 – +20
dbm (1 µw – 100 mw)
·Measurement Uncertainty ±7% of reading 1,2
·Sensor Type Average and
Peak
·Frequency Range 20 – 3800mhz
·Power Range -30 –
+20dbm (1µw – 100mw)
·Measurement Uncertainty
±7% of reading 1,2
1.5 Publicaciones de sensores through
El estado del arte de los sensores de potencia RF through es un tema de investigación reciente [29] donde se a logrado avances importantes en el tema. Los aportes de Fernández, Lei Han, Su Shi, Zhiquiang han sido de gran importancia.
Fernández 2004, 2006
Fernández en 2004 presento los resultado de simulación del novedoso sensor through en conferencia [30], teniendo como elementos del sensor, una guía de onda coplanar (CPW) y una membrana en la cual se diseñó anclada en sus extremos, además de presentar una relación del tipo de membrana y su constante de resorte, éstos materiales para la membrana fueron Si3N4 y Aluminio obtenido en ambos casos una reducción de la constante de resorte con forme la longitud de la membrana se incrementa, también realizó un reducción de la capacitancia que se genera entre CPW y Membrana con la variación del ancho de la línea central de la CPW Figura 1.33.
Figura 1.33) Estructura de sensor en simulador [31].
Posteriormente realizó la fabricación del diseño [32] Figura 1.34, consta de una CPW que atraviesa todo el dispositivo y una membrana suspendida sobre la CPW con la característica de que la membrana esta conectada al plano de tierra, lo cual hace que la intensidad capacitiva se incremente.
Colocando un par de electrodos de sensado para obtener la porción de acoplamiento, esto es realizado sobre el substrato AF45 y la membrana fabricada con aluminio obtenido una variación capacitiva de 0.040pF hasta 0.1W (4.620-4.660pF, 0-0.1W).
Esta pequeña variación es debida a la conexión de la membrana al plano de tierra.
Así que en 2006 se presentó la utilización de una membrana flotante, esto significa que la membrana no es aterrizada al plano de tierra. Los electrodos de medición se sitúan por debajo de la membrana, con la finalidad de interactuar con la energía acoplada de la membrana.
Esto, presentó mejores resultados, además se muestra el concepto de compensación de impedancias, esto se debe a que la combinación de la membrana y de CPW genera un cambio de impedancia abrupto sobre la guía, de tal forma que la adhesión de impedancia capacitiva es compensada con el hacer el efecto inductivo más presente en una CPW llegando a tener un equilibrio de impedancias.
Se presenta dos tipos de compensaciones, una es por medio de la línea central CPW Figura 1.35a y la segunda por medio del plano de tierra (GND) Figura 1.35b, ambas compensaciones presentan un mejoramiento en la respuesta [33].
Obteniendo S11=-26dB S21= -0.2dB en un rango de frecuencias de 0-4Ghz y
retomando los resultado anteriores con una amplia longitud en la membrana de 900um.
Figura 1.35) Estructura del sensor fabricado y con métodos de compensación [Fernández]. “Imagen microscópica de sensor through y puntas de prueba, a) sensor con variación en la
En la practica la precisión se limitara por el desplazamiento de la membrana, siendo un factor de tener una membrana larga, también se realiza un análisis de factor de ganancia de la constante de resorte con y sin estrés indicando una mayor ganancia cuando la membrana es larga, la constante de resorte disminuye con forme más largo sea la membrana en ambos casos con estrés y sin estrés.
Corroborando que los mejores resultados se obtienen cuando la constante de resorte es baja, y obteniendo una mucho mejor relación de capacitancia y potencia, en otras palabras la utilización de menos potencia (0-10 fF , 0-0.05W).
Con un tamaño de dispositivo aproximado 1350um x 900um.
Lei Han 2007
Presenta avances importantes en el novedoso sensor through, el primero es que el sensor es compatible con un proceso de fabricación “MMIC” (Monolithic Microwave Integrated Circuit) o un proceso de Silicio, se debe a que el diseño presentado es a base de Arseniuro de Galio (GaAs) [34], además de llevar la energía acoplada de la membrana directamente como salida, caso contrario al proceso de Fernández que realiza un acoplamiento con los pads de medición, y el sensor no es compatible con un proceso de fabricación estándar de Silicio, GaAs o CMOS, debido a que es fabricado sobre un substrato de cristal “AF45”.
Lei Han conceptualizo poder optimizar la energía acoplada a la membrana
Figura 1.36, debido a que ésta es pequeña, ésta es optimizada con la utilización de sistemas de detección de potencia a base de temperatura, como los termoacopladores. Ahora los elementos que componen al sensor through son: una CPW, una membrana anclada en ambos lados, sistemas de calentamiento (resistencia de disipación) y termoacopladores. Con el cual la complejidad de diseño es mayor a Fernández.
Contribuye con la de la innovación de uso de sistemas térmicos aportando con una relación de parámetros S en función de parámetros intrínseco de la membrana(R,L,C), la optimización de energía, llegando a un rango de
frecuencias en la banda X (8-12GHz), con resultados numéricos de S11=-20dB,
Con un tamaño aproximado de 1200um x 500um.
Figura 1.36) Estructura del sensor fabricado utilizando sistemas térmicos [Lei Han].
Su shi 2009
Su shi realizó una variación al diseño de Lei donde las características son
similares Figura 1.37. Su shi amplia la el ancho de la línea central CPW
obteniendo como resultados S11=-15dB, S21=-5dB hasta una frecuencia de
12GHz, con un nivel de acoplamiento del 5% de la señal, con una separación optimizada del termoacoplador y resistencia de calentamiento de 10um manteniendo el nivel de complejidad en diseño, con la utilización de sistemas térmicos y la compatibilidad con MMIC. La fabricación de la membrana es con Au/GeNi/Au y la CPW Ti/AU/Ti sobre un substrato de GaAs.
Con un tamaño de dispositivo aproximadamente 1300um x 500um [35].
Zhiquiang Zhang 2010
Presenta nuevos elementos que componen al sensor through: una CPW, una membrana anclada en ambos lados, sistemas térmicos para optimizar la energía acoplada, incorpora compensación de impedancia en CPW en plano de tierra (GND) y donde el nuevo elemento es una compensación de capacitancia a la membrana, con ello se tiene que el diseño del sensor tiene una complejidad elevada Figura 1.38.
Zhiquian Zhang comenzó con la compensación de capacitancia agregando capacitores metal-aislante-metal (MIM) [36], en este artículo agrega capacitancia por medio de línea de circuito abierto (stub) [37], los cuales depende menos del proceso de fabricación en comparación con los capacitores MIM ambos compensan en el orden de fF.
(Fotografía SEM)
Figura 1.38) Estructura del sensor fabricado utilizando sistemas térmicos y compensación en línea CPW y compensación de capacitancia (stubs) [Zhiqiang].
Aportan con un estudio de efectos no lineales generados por el sensor para prevenir interferencias, además dice, que el variar el ancho de la membrana
cambia la capacitancia y reducir la longitud ayuda a reducir la reflexión a la amplitud de voltaje rms, el propósito de agregar stubs es para reducir el efecto de la membrana en el desempeño en microondas.
Otro aporte son las expresiones para parámetros S en función de los elementos de compensación (compensación de impedancia en CPW y compensación de capacitancia MEMs), con resultados para la banda “X” de S11=-17dB, S21=-0.8dB.
Usando materiales para realizar la membrana y la CPW de oro en un substrato de Arseniuro de Galio.
1.6 Propuesta del sensor de potencia para RF through
En este trabajo se expondrá el diseño de un sensor through, con todo lo expuesto anteriormente se observa que son cabales en los diseños del sensor, en tener una guía de onda coplanar y una membrana anclada en ambos lados. Ésta es la base primordial del sensor, ya se ha demostrado en investigaciones que es un excelente esquema, se ha optimizado la energía acoplada a la membrana utilizando sistemas térmicos. Con éste sistema se obtiene una relación de potencia-voltaje de salida con buenos parámetros.
Además Fernández encontró que este sensor through es mejor cuando se tiene una membrana considerablemente larga del orden superior a 700um y los autores subsecuentes lo llevan a cabo, sin embargo no es mencionado por los otros autores. Esto se debe cuando la membrana es mas largo tiene mayor flexibilidad comparada con una más pequeña, al tener una mayor flexibilidad la potencia será menor.
. . . 1.4 [Zhiqiang]
k-constante de resorte, v-voltaje rms, b=w=go -variables del dispositivo (dimensiones), z-deflexión de la membrana.
Como se observa en la Ecuación 1.4 mientras sea menor la constante de
resorte (mayor flexibilidad) el voltaje rms requerido es menor, es ahí donde se presenta una oportunidad de investigación, con forme más larga la membrana
menor es la constante de resorte. Las preguntas serán, ¿Cómo reducir la contante de resorte? Figura 1.39 ¿Como conservar un dispositivo pequeño?
Figura 1.39) Membrana anclada en ambos lados [Fernández, Lei Han, Su Shi, Zhiqiang].
Otra observación en dichos sensores es la interacción del plano de tierra con la
membrana Figura 1.40, en la cual el desempeño del sensor se ve afectado, en
menor medida, pero muy importante.
Figura 1.40) Interacción de plano de tierra con membranas ancladas en ambos lados en [Fernández, Lei Han, Su Shi, Zhiqiang].
El concepto de sensor through presenta ventajas, como la miniaturización del dispositivo, bajo consumo de potencia, trabaja desde frecuencias bajas del orden de Khz y además se necesita que el dispositivo pueda ser integrado en un CI, he incremento de la sensibilidad.
El dispositivo es diseñado para un proceso de fabricación de silicio, GaAs o CMOS, la manufactura se realizara en los Estados Unidos con el proceso de fabricación SUMMiT V (hecho de polisilicio). Con ello se presenta la oportunidad de trabajar en bajas frecuencias, consumo bajo de energía y la notable posibilidad de integrarlo a un CI.
Para poder reducir la constante de resorte su utilizara el esquema de suspender una membrana por medio de resortes, como se muestra en la Figura 1.41.
Figura 1.41) Diseño de un switch con un polo de actuación [38], (esquema de un SPST MEMs conmutador, Las cuatro esquinas del conmutador proveen un constante de resorte
efectiva).
Con este concepto de suspender una membrana se pretende reducir la contante de resorte de dos digito (todo los autores) a solo un digito, con ello del orden menor a 5N/m, incluso tratar de llegar a la unidad, para poder considerar que la cantidad de voltaje solo depende de las dimensiones de diseño.
Además también se realizara una corrección del plano de tierra para evitar la interacción de la membrana y el plano de tierra. El sensor será compatible con procesos de fabricación CMOS, GaAs, Si.
La innovación de utilizar un conmutador RF es que proporciona un mejor desempeño comparado con membranas ancladas en ambos extremos, como se verá más adelante y se aprovechan cualidades como un incremento de la sensibilidad ya que ésta está relacionada con la fuerza de atracción electrostática, además se tendrá una reducción de costo de fabricación por la compatibilidad. Este tipo de sensor es relativamente insensible a la temperatura en contraste a los sensores térmicos. Se puede diseñar a la impedancia que se desee para tener una trasferencia eficiente de energía, colocarse entre dos módulos.
Y lo principal del sensor es en UN DISEÑO SENCILLO con el cual se obtendrán buenos resultados y posteriormente se podrán utilizar; métodos de compensación de impedancia, métodos de optimización de la energía acoplada con sistemas térmicos, y más lo que aporten otros autores en el concepto de Sensor Through.
En resumen es la utilización de los resortes para sostener a la membrana, compensación en la guía de onda coplanar y modificación del plano de tierra para evitar la interacción de la energía acoplada de la membrana.
Capítulo 2
Marco Teórico
2.1 Componentes del sensor de potencia RF
A continuación se presentarán los componentes que conforman el sensor de potencia RF propuesto, que son una guía de onda coplanar y un capacitor variable.
El objetivo de la guía de onda coplanar es transmitir una señal de RF de un punto a otro, ésta se diseña a una impedancia de 50Ω, ya que muchos sistemas operan con esta impedancia y se busca que estén perfectamente acoplados.
El mecanismo del sensor es un capacitor variable, que traducirá el nivel de energía de la potencia acoplada que circula por la guía de onda coplanar dada por la separación entre la CPW y la membrana.
2.1.1 Análisis matemático
2.1.1.1 Descripción
Cuando un voltaje variante en el tiempo está presente en la guía de onda coplanar se genera una fuerza eléctrica que es compensada por otras fuerzas intrínsecas como son la corriente opuesta, el campo magnético, etc. Las distintas fuerzas alcanzan un equilibrio, lo que determina los valores finales de las variables de interés, en función de las dimensiones físicas y propiedades eléctricas de la guía de onda.
Los valores de los parámetros se pueden determinar si se utiliza una guía de onda acoplada en conjunción con el capacitor variable (Figura 2.1), el cual estará conformado por placas paralelas, ya que habrá un movimiento inducido por la fuerza de atracción, que se puede calcular de:
2 1 ˆ 2 el q F x A ε =
. . . . . . 2.1
O en otra forma [39]
(
)
2 2 1 ˆ 2 el AF v x
d x
ε
=
−
. . . 2.2
Donde d−x es el desplazamiento, A el área de las placas de traslape, y ε la permitividad del medio.
La capacitancia del sistema es aproximadamente dada por:
A C
d x
ε
=
− . . . 2.3
Figura 2.1) Esquema básico de un capacitor variable de placas conductoras con un componente mecánico “resorte”.
La frecuencia de la señal debe de estar por encima de la frecuencia de resonancia mecánica; entonces sólo la fuerza media es importante, y la amplitud rms de la señal variante en el tiempo se puede usar para determinar la potencia:
2 RMS V P Z =
2.1.1.2
Membrana RF MEMs y Guía de Onda Coplanar ( CPW )
Al sobreponer una membrana móvil Figura 2.2a sobre la guía de onda Figura
2.2b. Las características de la guía de onda cambian por la influencia de la
capacitancia que se adicionó.
Figura 2.2a) Membrana que está sobre una guía de onda.
Figura 2.2b) Guía de onda coplanar.
Específicamente, se incrementan las pérdidas por inserción, debido a que ahora
la impedancia (alterada por la membrana Cs, Figura 2.3a) es distinta a la
impedancia característica de la guía de onda coplanar Figura 2.3b.
Figura 2.3a) Incorporación de una estructura capacitiva Cs al esquema eléctrico una guía de onda coplanar ideal
sin pérdidas.
Figura 2.3b) Esquema eléctrico de una guía de onda coplanar ideal sin pérdidas.
Con la inclusión de la capacitancia, la impedancia característica de la línea será
s
L G C
Z =Z Z , donde ZG es la impedancia nominal de la guía de onda coplanar, y
L
Z es la nueva impedancia característica, que incluye la impedancia capacitiva
s
C
Z , donde también existirán reflexiones Γ, que afectarán a la amplitud del
voltaje, conforme la señal viaje Figura 2.4. La impedancia final puede ser
1 1 L s G Z j C Z ω = +
. . . 2.5
Figura 2.4) Reflexiones generadas por un cambio de impedancia.
G LOAD
1 1
tal que Z =Z
1 1 1 = 2 1 L Load L Load Load s G Load s G Load s Z Z Z Z Z j C Z Z j C Z
j Z C
ω ω ω − Γ = + − + = + + + 1 2 1 Load s
j Zω C
Γ =
+
. . . 2.6
Así, las pérdidas por reflexión se incrementan en función de la frecuencia, y determinan la frecuencia máxima de operación del sensor; dicho de otra manera, el ancho de banda está definido por el valor de la capacitancia. Sin embargo se puede reajustar la impedancia característica de la guía coplanar, con la reducción del efecto eléctrico que tiene asociado la guía de onda, lo que daría una disminución de los elementos capacitivos haciéndola más inductiva, y permitiendo la sintonización del sistema.
Con éste ajuste se modifica y aumenta el ancho de banda [40] del sensor. El rediseño de la CPW debe ser antes y después de la discontinuidad capacitiva, como se muestra en la Figura 2.5.
Figura 2.5) Rediseño de una CPW para sintonizar una discontinuidad capacitiva. L1, L2> L; C>C1, C2.
Con esta corrección, el aumento del ancho de banda será notable comparándolo con sólo la presencia capacitiva, en el diseño de la guía de onda coplanar se tiene que ser minucioso en las variaciones ya que la longitud de onda es mucho menor (diez veces aprox.) que la longitud física tratada.
2.1.1.2.1 Capacitancia de placas paralelas
Un capacitor es un dispositivo que almacena energía eléctrica. Éste lo forma un par de placas paralelas conductoras con una ligera separación de espacio libre o un medio dieléctrico. Como se muestra en la Figura 2.6.
Figura 2.6) Capacitor de placas paralelas.
Cuando se aplica un voltaje a las placas, ésta adquiere una carga eléctrica, una carga positiva Q+ y en la otra carga negativa Q−.
S
Q E d A
ε
→ →
=
∫∫
i. . . 2.7
V E dl
Δ =
∫
i. . . 2.8
1
V Q
C Δ = Δ
. . . 2.9
A C
d
ε
=
. . . 2.10
De la Ecuación 2.10 se puede sustituir el área A, por las variables de que
componen al área, ancho y largo Figura 2.6. De manera que se tiene las
variables fundamentales para determinan el capacitor.
rWl
C d
ε
=
. . . 2.11
r
ε -Permitividad relativa del medio l -Largo del conductor
W - Ancho del conductor
d -Distancia de separación entre los conductores
La opción más recurrente para la realización de un capacitor variable es una separación diferencial entre placas. Si la separación “d” es muy pequeña, el valor de la capacitancia se incrementa rápidamente, como se puede observar en la
Figura 2.7.
Figura 2.7) Comportamiento capacitivo ante la variación de la distancia de separación (caso particular A=300um x 300um, ε=aire=1.00058).
2.1.1.3
Guía de onda coplanar
En la Figura 2.8 se muestran configuraciones de guías de onda integradas en substrato, comúnmente usadas en circuitos integrados, ya que juegan un rol importante en el diseño de aplicaciones para microondas:
