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Fully integrated BiCMOS high-voltage driver circuits for on-chip RF-MEMS switch matrices

Wipf, Christian

FG Halbleiterbauelemente

In this work, building blocks required to control electrostatically actuated radio frequency micro- electro- mechanical system (RF-MEMS) matrices were developed and integrated into demonstrator circuits. The realized chips include the high-voltage (HV) generation and switching units integrated together with the RF-MEMS switches. To the author’s knowledge, this work is the first to present monolithically integrated radio frequency systems for operating frequencies above 20 GHz consisting of RF-MEMS switches, on-chip HV generation circuits and an HV switch matrix. The developed HV circuits could be further used as driver for electrostatically actuated microfluidic pumps or valves. Three on-chip HV generation concepts are analyzed: the latched charge pump (CP), the Dickson CP and the Greinacher-Cockroft-Walton (GCW) topology. The designed Dickson CP provides two output voltages which are required to bias the HV switch matrix. The clock tree of the Dickson CP is modified to synchronize the two high-voltage outputs resulting in a minimized voltage ripple between these two outputs. Output voltages greater than 40V are generated. A simple HV switching circuit based on a high-voltage npn silicon germanium (SiGe) heterojunction bipolar transistor (HBT) is presented. As an alternative approach, HV inverters consisting of lateral drift metal oxide semiconductor (NLDMOS and PLDMOS) transistors, enabling operating voltages up to 50 V, are fabricated. Level shifter (LS) circuits, required to drive the PLDMOS transistor, are analyzed regarding steady state leakage current and circuit complexity. Transient simulations of the designed LS core show a rise and fall time of 200 ps. A K-band (27 – 40 GHz) RF-MEMS-based single-pole double-throw (SPDT) switch chip is realized applying two different HV concepts: (a) one CP per RF-MEMS and discharging with NLDMOS transistors (b) single CP combined with HV switches. Furthermore, a V-band (40 – 75 GHz) impedance tuning circuit comprising four RF-MEMS switches, driven by four HV switches and powered by a single CP is realized in this work. Measured scattering parameters of all demonstrator circuits verify the successful actuation of the RF-MEMS switches driven by the integrated HV generation and switching circuitry.
In dieser Arbeit wurden Bausteine zur Steuerung elektrostatisch bet¨atigter Radio Frequenz Mikro- elektro- mechanisches system (RF-MEMS) Matrizen entwickelt und in Demonstratorschaltungen integriert. In den realisierten Chips sind die Hochvolt(HV) erzeugungs- und Schalteinheiten zusammen mit den RF-MEMS Schaltern monolithisch integriert. Nach bestem Wissen des Autors stellt diese Arbeit erstmalig monolithisch integrierte Hochfrequenzsysteme für Betriebsfrequenzen größer 20 GHz vor, die aus RF-MEMS Schaltern, Ladungspumpe und einer Hochvoltschaltmatrix bestehen. Die entwickelten HV-Systeme sind auch als Treiber für elektrostatisch betätigte Mikrofluidikpumpen oder -ventile einsetzbar. Drei integrierbare Ladungspumpenkonzepte wurden analysiert: die “latched” Ladungspumpe (CP), die “Dickson-” und die “Greinacher-Cockroft-Walton (GCW)”- Topologie. Die entwickelte “Dickson” CP stellt zwei Ausgangsspannungen zur Verfügung, die für die Arbeitspunkteinstellung der HV-Schaltmatrix erforderlich sind. Um die beiden Hochspannungsausgänge zu synchronisieren, wurde die Verschaltung des Taktsignals modifiziert. Dadurch konnte die Spannungswelligkeit zwischen diesen beiden Ausgängen minimierten werden. Mit den entworfenen Ladungspumpen können Spannungen bis 40V erzeugt werden. In dieser Arbeit wird eine einfache Hochspannungsschaltung auf Basis eines Hochvolt NPN Silizium-Germanium (SiGe) Heterojunction-Bipolartransistors (HBT) vorgestellt. Alternativ dazu wurden HV-Schalter realisiert, die aus lateralen Drift-Metalloxid- Halbleiter-Transistoren (NLDMOS und PLDMOS) bestehen und Betriebsspannungen bis zu 50V ermöglichen. Verschiedene Level-Shifter (LS) Schaltungen, die zum Steuern des PLDMOS-Transistors erforderlich sind, wurden hinsichtlich des Ruhestromes und der Komplexität der Schaltung analysiert. Für das K-Band (27 – 40 GHz) wurde eine auf RF-MEMS basierende Single Pole Double Throw (SPDT) Schaltung mit zwei verschiedenen HV-Konzepten realisiert: (a) eine CP pro RF-MEMS und Entladung mit NLDMOS-Transistoren (b) ein CP kombiniert mit HV-Schaltern. Darüber hinaus wurde in dieser Arbeit eine V-Band (40 – 75 GHz) Impedanzabstimmschaltung mit vier RF-MEMS-Schaltern realisiert, die von vier HV-Schaltern angesteuert und von einer einzelnen CP versorgt wird. Gemessene Streuparameter aller Demonstratorschaltungen bestätigen das erfolgreiche Betätigen der durch die integrierte Hochspannungserzeugungs- und -schalttechnik angesteuerten RF-MEMS Schalter.