RICERCA ITALIANA     

Modellistica, progettazione e caratterizzazione di dispositivi MEMS per architetture di ricetrasmettitori a radio-frequenza riconfigurabili

Università degli Studi di Bologna

Abstract

I Sistemi Microelettromeccanici (MEMS) per applicazioni a radiofrequenza (RF-MEMS) sono di recente emersi come una delle tecnologie abilitanti più promettenti per terminali wireless di prossima generazione di tipo multi-banda e multi-standard. In questo ambito, la presente proposta punta allo sviluppo e verifica di una metodologia per il progetto ottimo di dispositivi RF-MEMS e circuiti ibridi MEMS-CMOS, con nuovi contributi scientifici negli aspetti di modellistica, caratterizzazione ed affidabilità. Tramite tale metodologia, si giungerà al design ottimo sia di singoli dispositivi che di blocchi funzionali completi, portando al superamento del loro attuale stato dell'arte. All'interno della classe di dispositivi RF-MEMS per terminali wireless riconfigurabili, ci si focalizzerà su microinterruttori ad una o a più vie, condensatori variabili e reti lineari adattabili. La verifica sarà basata sulla caratterizzazione sperimentale di prototipi realizzati in due diverse tecnologie a disposizione del progetto.
Le quattro linee di ricerca avranno i seguenti obiettivi:
M1) creazione di un ambiente di simulazione multidominio, basato su modelli compatti non-lineari di componenti strutturali e trasduttori elettrostatici e su metodi numerici avanzati;
M2) progetto ottimo e realizzazione di prototipi di dispositivi e blocchi funzionali basati su tecnologia RF-MEMS, per l'integrazione in un front-end RF riconfigurabile;
M3) messa a punto di metodologie per la caratterizzazione sperimentale e di modelli di affidabilità elettrica di microinterruttori, riguardanti l'attuazione elettrostatica e la trasmissione del segnale RF;
M4) messa a punto di metodologie per la caratterizzazione sperimentale del comportamento dinamico e di modelli di affidabilità strutturale e comportamento a fatica di RF-MEMS.

Il progetto unisce l'esperienza di quattro gruppi di ricerca attivi nei seguenti ambiti: modellistica e progettazione avanzate di microsistemi; progettazione circuitale CMOS per applicazioni wireless RF; caratterizzazione elettrica, modellistica ed affidabilità di dispositivi RF-microonde; realizzazione ed identificazione di microsistemi e micromacchine.
Gli aspetti tecnologici e di fabbricazione sono affidati a due principali aziende di microtecnologie che hanno legami attivi con i proponenti e condividono gli obiettivi del presente progetto: STMicroelectronics (MI) ed ITC-irst (TN).
Il programma di ricerca è strutturato in due fasi di durata annuale, ciascuna comprendente progetto, fabbricazione, collaudo e verifica di un run in ciascuna delle due tecnologie.

I principali risultati attesi sono:
- nuovi modelli non-lineari analitici e numerici del comportamento elettromeccanico di RF-MEMS che includano effetti RF parassiti, implementati in una libreria in linguaggio standard HDL;
- progetto ottimo di dispositivi RF-MEMS: interruttori, condensatori variabili, blocchi circuitali riconfigurabili quali oscillatori, reti di adattamento per amplificatori a basso rumore e di potenza;
- nuove metodologie di caratterizzazione nel dominio del tempo e della frequenza della dinamica strutturale di microstrutture;
- nuove metodologie di osservazione sperimentale per studi affidabilistici di RF-MEMS (test di vita accelerati, atmosfera controllata, temperatura);
- conoscenza dei meccanismi di rottura elettrica per gli interruttori RF-MEMS;
- metodi di collaudo e modelli per l'affidabilità e la fatica meccanica di microstrutture e relativi modi di rottura;
- regole tecnologiche e di progetto per l'affidabilità di interruttori RF-MEMS.

Dalle attività di fabbricazione e caratterizzazione risulteranno le seguenti realizzazioni:
- due run di fabbricazione di dispositivi e blocchi circuitali RF-MEMS per ciascuna delle due tecnologie;
- strutture di test per studi di affidabilità elettrica e meccanica;
- test-fixture per la misura calibrata a radiofrequenza;
- banchi di misura specializzati per studi di affidabilità elettrica e funzionale di interruttori RF-MEMS. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Antonio GNUDI Università degli Studi di BOLOGNA

Obiettivo del Programma di Ricerca

I Sistemi Microelettromeccanici (MEMS) per applicazioni a radio frequenza (RF-MEMS) sono di recente emersi come una delle più promettenti tecnologie abilitanti per ricetrasmettitori wireless a basso costo, alta integrazione ed elevata riconfigurabilità, richiesti dai terminali portatili di futura generazione. Essi offrono infatti chiari vantaggi in termini di bassa potenza, elevata linearità e basse perdite, rispetto a soluzioni basate su tecnologie tradizionali, per esempio interruttori Tx/Rx con diodi p-i-n, oppure risonatori ceramici o al quarzo. Tuttavia l'applicabilità su larga scala di dispositivi di tipo MEMS è tuttora limitata da diversi problemi, a livello di tecnologia, packaging, affidabilità e modellistica, la soluzione dei quali è oggetto di ampia attività di ricerca.
Scopo della presente proposta è lo sviluppo e verifica di una nuova metodologia per il progetto ottimo di dispositivi RF-MEMS e circuiti ibridi MEMS-CMOS, che superi i limiti attuali negli aspetti di modellistica, caratterizzazione ed affidabilità. Tramite tale metodologia, ci si propone di giungere al design ottimo sia di singoli dispositivi che di blocchi funzionali completi, che porti al superamento dell'attuale stato dell'arte. All'interno della classe di dispositivi RF-MEMS per terminali wireless riconfigurabili, ci si focalizza su microinterruttori ad una o più vie, condensatori variabili e reti lineari adattabili. La verifica sarà basata sulla caratterizzazione sperimentale di prototipi realizzati in due diverse tecnologie a disposizione del progetto.

Quattro sono i principali obiettivi (MILESTONES), a ciascuno dei quali si associa una LINEA DI RICERCA (RL):

RL1: Modellistica non-lineare a domini misti
M1) creazione di un ambiente di simulazione multidominio, basato su modelli compatti non-lineari di componenti strutturali e trasduttori elettrostatici e su metodi numerici avanzati applicati a problemi elettromeccanici accoppiati;
RL2: Progetto di dispositivi RF-MEMS
M2) progetto ottimo e realizzazione di prototipi di dispositivi e blocchi funzionali basati su tecnologia RF-MEMS, con le specifiche richieste per l'integrazione con blocchi circuitali CMOS in un front-end RF riconfigurabile;
RL3: Affidabilità elettrica di interruttori RF-MEMS
M3) messa a punto di metodologie di caratterizzazione e di modelli di affidabilità elettrica di interruttori RF-MEMS, riguardanti l'attuazione elettrostatica e la trasmissione del segnale RF;
RL4: Affidabilità meccanica di microstrutture
M4) messa a punto di metodologie per la caratterizzazione sperimentale del comportamento dinamico e di modelli di affidabilità strutturale e comportamento a fatica di dispositivi RF-MEMS.

Il raggiungimento degli obiettivi suddetti richiede evidentemente competenze scientifiche di tipo fortemente interdisciplinare, su aspetti di modellistica, progettazione e caratterizzazione, sia in campo meccanico che elettrico. A tal fine la presente proposta riunisce l'esperienza di quattro unità operative (UO) da tempo attive in tutti i campi indicati, come descritto in dettaglio in sezione 2.3. Due tecnologie RF-MEMS sono a disposizione del progetto, fornite rispettivamente da STMicroelectronics S.r.l., MEMS Business Unit, Cornaredo (MI) e da ITC-irst, Divisione Microsistemi, Povo (TN). Entrambi i partner tecnologici, dei quali si allegano in seguito le lettere di intenti, parteciperanno al progetto solo indirettamente, a causa della natura esclusivamente accademica della proposta. Per le problematiche di assemblaggio (montaggio dei chip, bonding) si utilizzeranno risorse generalmente disponibili da terzi, in particolare presso l'azienda OptoI di Trento (IT), già fornitrice di tali servizi per la UO1.

Si fornisce ora una visione più dettagliata degli obiettivi indicando i milestones per ogni linea di ricerca.

RL1: Modellistica non-lineare a domini misti
M1-a) Modelli analitici compatti (statico e dinamico) di trave e membrana deformabili elasticamente tramite attuazione elettrostatica verso un substrato, comprendenti effetti non-lineari, stress residui nei materiali e smorzamento viscoso; (UO2)
M1-b) Implementazione dei modelli analitici sviluppati in linguaggio standard HDL per simulazioni miste in ambiente di progettazione di circuiti elettronici Cadence OPUS; (UO1 + UO2)
M1-c) Verifica sperimentale della libreria di modelli sviluppata in linguaggio standard HDL; (UO2)
M1-d) Modelli numerici per la soluzione del problema accoppiato elettrico-meccanico-viscoso, comprensivo di effetti non-lineari e di stress residui nel materiale; (UO2)
M1-e) Riduzione dell'ordine dei modelli numerici accoppiati ed implementazione in linguaggio standard HDL per simulazioni miste in ambiente di progettazione di circuiti elettronici Cadence OPUS; (UO2)
M1-f) Metodologie di estrazione di circuiti RF equivalenti a parametri concentrati di dispositivi RF-MEMS che includono effetti parassiti; (UO1)

RL2: Progetto di dispositivi RF-MEMS
M2-a) Progetto di interruttori RF-MEMS di tipo ohmico o capacitivo ad una via o più vie, di tipo ohmico o capacitivo, di condensatori variabli e di induttori ad alto fattore di qualità, secondo le specifiche compatibili ad un ricetrasmettitore RF riconfigurabile nella banda 1-6 GHz; (UO1)
M2-b) Caratterizzazione sperimentale comprendente condizioni operative a radiofrequenza e comportamento elettromeccanico, di prototipi di microinterruttori, ad una o più vie, condensatori variabili ed induttori ad alto fattore di qualità; (UO1)
M2-c) Progetto di reti passive riconfigurabili integrabili con eventuale parte attiva in CMOS per l'adattamento di impedenze in amplificatori o la selezione di frequenza in oscillatori per front-end wireless riconfigurabili; (OU1)
M2-d) Caratterizzazione sperimentale in condizioni operative a radiofrequenza dei prototipi di reti passive riconfigurabili. (UO1)

RL3: Affidabilità elettrica di interruttori RF-MEMS
M3-a) Progetto di strutture di test di prima generazione per lo studio di affidabilità elettrica di interruttori RF-MEMS ad attuazione elettrostatica; (UO1 + UO3)
M3-b) Definizione delle metodologie di caratterizzazione di dispositivi RF-MEMS di test per lo studio di tipo affidabilistico, con riferimento al comportamento elettro-meccanico e del segnale RF (prove accelerate, controllo dell'atmosfera, temperatura); (UO1 + UO3)
M3-c) Creazione di una metodologia per lo studio di affidabilità elettrica e funzionale di interruttori RF-MEMS; (UO3)
M3-d) Progetto di strutture di test di seconda generazione per lo studio di affidabilità elettrica di interruttori RF-MEMS, basati sui risultati delle caratterizzazioni effettuate; (UO3)
M3-e) Creazione di modelli per l'invecchiamento e la rottura di contatti ohmici elettro-meccanici, per l'affidabilità di trasduttori elettrostatici, con attenzione alla deriva della tensione di attuazione dovuta ad accumulo di carica elettrostatica in dielettrici ed alle condizioni ambientali, validi in interruttori RF-MEMS; (UO3)
M3-f) Definizione di regole di design per l'ottenimento di specifiche di affidabilità in interruttori RF-MEMS compatibili ad applicazioni in terminali wireless riconfigurabili; (UO4)

RL4: Affidabilità meccanica di microstrutture
M4-a) Messa a punto di algoritmi di estrazione sperimentale dei parametri caratteristici della dinamica strutturale nel dominio del tempo e delle frequenze; (UO4)
M4-b) Progetto di strutture di test per lo studio di fatica ed affidabilità meccanica di microstrutture ad attuazione elettrostatica; (UO1+UO4)
M4-c) Modelli di invecchiamento meccanico e di meccanismi di rottura strutturale in microsistemi di test per interruttori RF-MEMS; (UO4)
M4-d) Definizione di regole di design per l'ottenimento di dispositivi RF-MEMS con specifiche di affidabilità meccanica compatibili ad applicazioni in terminali wireless riconfigurabili. (UO4)



<<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Il prerequisito dei sistemi microelettromeccanici (MEMS) è la capacità di creare strutture meccaniche controllabili e mobili utilizzando la tecnologia dei circuiti integrati (IC) [Petersen, 82]. Le prime applicazioni erano principalmente focalizzate su sensori di pressione e temperatura, accelerometri, gas-cromatografi ed altri tipi di sensori. Alla fine degli anni '90, le tecnologie MEMS divennero uno dei campi a crescita più rapida per la ricerca e l'industria tecnologica. Il potenziale impatto della miniaturizzazione di quasi tutti i tipi di dispositivi e sistemi apparve rapidamente una grossa opportunità per i profitti commerciali e per le positive ricadute tecnologiche [Bryzek, 96]. La radicale trasformazione, resa possibile dai MEMS, di dimensioni, prestazioni e costi utilizzando tecniche di fabbricazione batch ed economie di scala già impiegate con successo dalle industrie di IC è oggi diretta verso campi di applicazione molto diversificati, per esempio biomedicali [Lee ,04], aerospaziali [Bohringer, 01] ed automotive [Valldorf, 04].

Tra le diverse applicazioni di dispositivi MEMS, tra le più promettenti sono di recente emerse quelle per la radio frequenza, raggruppate sotto l'acronimo di RF-MEMS [De Los Santos, 02; Rebeiz, 03]. Si riscontrano notevoli sforzi di ricerca a livello internazionale riguardanti in particolare lo sviluppo di microrisonatori [Bannon, 00], interruttori [Rebeiz, 03; Pothier, 02; Gaddi, 04], condensatori variabili [Dec, 00] ed induttori [Yoon, 02] per reti riconfigurabili ad alto Q. Dal punto di vista commerciale, numerose aziende nel settore della microelettronica si sono inserite nella ricerca per applicazioni wireless di dispositivi MEMS (Analog Devices, STMicroelectronics, Intel, Fairchild Semiconductor, Agilent Technologies, Motorola, NASA, DARPA), mentre nuove aziende sono nate come fornitrici di tecnologia e sviluppo di dispositivi MEMS, anche per applicazioni RF (MEMSCAP, RadantMEMS, Discera). Ciò nonostante, allo stato attuale solo un numero limitato di prodotti hanno effettivamente raggiunto il mercato, per lo più ancora come campioni disponibili per una valutazione preliminare. Il settore wireless-RF viene comunque previsto in aumento più di ogni altro campo applicativo dei MEMS per il periodo 2004-2008, con una prospettiva cautamente ottimistica [WTC-consult, 05].
A giustificare questa visione vi sono i notevoli vantaggi dell'applicazione della tecnologia MEMS rispetto alle soluzioni tradizionali, in parte già verificati a livello di prototipi. Di particolare rilievo sono gli interruttori MEMS, che rispetto ai dispositivi a stato solido quali diodi pin o interruttori FET presentano:
- consumo di potenza quasi nullo
- isolamento elevato fino a 40 GHz
- perdite di inserzione inferiori a 0.1 dB fino a 40 GHz
- prodotti di intermodulazione molto bassi (inferiori di 30 dBc rispetto agli interruttori pin o FET)
Restano però ancora da superare limiti per ottenere una realizzabilità matura di dispositivi singoli e blocchi circuitali basati su RF-MEMS, riguardanti principalmente la controllabilità del processo tecnologico, l'ottenimento di metodologie di progetto accurate, l'acquisizione di tecniche di packaging ermetico a basso costo ed il raggiungimento di sufficienti livelli di affidabilità per il dispositivo finito. Anche nell'ambito delle prestazioni restano alcuni limiti che i dispositivi futuri dovranno essere in grado di superare. Con riferimento ancora agli interruttori MEMS, si sottolineano:
- velocità di commutazione relativamente bassa (dell'ordine dei 1-50 µs)
- limiti di potenza massima (stato dell'arte nell'ordine del Watt [Peroulis, 04])
- elevata tensione di attuazione (tipicamente 10-100 V)
- scarsa affidabilità
- packaging non standard e costosi

I progressi tecnologici in continua evoluzione portano a miglioramenti in termini di prestazioni, tuttavia le tecnologie disponibili sono ancora troppo diverse e frammentarie, ed una metodologia di progetto che possa sfruttare pienamente i dispositivi RF-MEMS all'interno di un terminale wireless richiederebbe un certo livello di standardizzazione tecnologica. Tecniche di micromachining superficiale basate su uno o più strati sacrificali sono ampiamente applicate, ma la scelta dei materiali per gli strati strutturali, gli strati sacrificali ed i dielettrici è ancora un problema aperto [Kovacs, 98]. Metalli quali oro, alluminio e tungsteno sono stati utilizzati per gli strati strutturali di interruttori e varactor MEMS [Rebeiz, 03; Peroulis, 04], mentre per i risonatori è più adatto il silicio mono o poli-cristallino [Bannon, 00]. Lo strato sacrificale, che viene rimosso completamente per attacco chimico come passo finale di fabbricazione, è tipicamente un ossido o un polimero, a seconda della natura del materiale strutturale. Il controllo delle proprietà meccaniche del materiale strutturale è pure importante per la stabilità e ripetibilità del processo. Sforzi e gradienti di sforzi residui sono studiati in termini di caratterizzazione e modellistica del processo, tuttavia la disponibilità di processi ben ripetibili e caratterizzati è tuttora limitata, specialmente in confronto al livello di maturazione delle tecnologie microelettroniche.

Per quanto riguarda la metodologia di progetto, sia per il singolo dispositivo che per l'intero circuito, essa costituisce un aspetto fondamentale non ancora giunto ad un grado di maturazione adeguato. Infatti, a fronte della crescente disponibilità di piattaforme tecnologiche per RF-MEMS da parte di fonderie sia accademiche che industriali [MEMSCAP], mancano ancora metodologie di progetto standardizzate supportate da solide piattaforme per la modellistica e la simulazione. In particolare l'aspetto chiave del flusso di progetto è mirare all'ottimo globale di un circuito RF basato su MEMS, prendendo in considerazione allo stesso tempo specifiche e trade-off sia elettrici che meccanici [Fedder, 99; Gaddi, 03]. Ciò può essere ottenuto basando l'analisi su modelli compatti di dispositivi MEMS inseriti in un ambiente di simulazione circuitale, con un approccio gerarchico e a domini misti. A tal fine, tali modelli compatti possono essere basati su analisi nodale modificata gerarchica [Clark, 00; Gaddi, 03], oppure su una riduzione dell'ordine del modello a partire dall'analisi numerica [Rundnyi, 04].

Un rilevante aspetto di progetto è l'accoppiamento elettro-meccanico, che richiede lo sviluppo di modelli nel dominio misto strutturale ed elettromagnetico [Hsu, 02]. Dal punto di vista topologico, componenti meccanici di dimensioni micrometriche introducono diversi problemi che non hanno analogo a livello macroscopico; nel dominio micrometrico anche il calcolo dei carichi che agiscono sulla struttura deve tener conto degli effetti di scala, che rendono, per esempio, le forze elettrostatiche dominanti [Fukuda, 98; Hsu, 02; Madou 97]. Sul progetto meccanico in presenza di campi accoppiati, la letteratura offre diversi riferimenti basati su metodi assestati normalmente applicati al progetto meccanico di strutture, attualmente in fase di ottimizzazione per la micro ingegneria. Le principali novità dal punto di vista metodologico riguardano: l'accoppiamento elettromeccanico, le non linearità geometriche e la dinamica. Algoritmi per la risoluzione del problema accoppiato con un metodo iterativo [Cai, 93] hanno condotto allo sviluppo di codici commerciali [Coventor] o a procedure incorporate all'interno di codici FEM commerciali e general purpose [Gugliotta, 00], ma tali metodi tuttora necessitano di essere consolidati [Somà, 01]. Per le non linearità cosiddette geometriche finora soluzioni analitiche sono note solo per poche geometrie idealizzate [DeBona, 97], mentre soluzioni di tipo numerico in codici di tipo commerciale si basano su tecniche di tipo incrementale [Zienkiewitcz, 91]. Sono in corso di sviluppo da parte dei proponenti anche soluzioni dirette [Munteanu 04], recentemente introdotte anche in alcuni codici commerciali (Coventor Ware, Ansys, Algor), tramite algoritmi che tuttavia richiedono ancora prove di validazione accurata.

Gli aspetti dinamici hanno un'importanza chiave nel progetto di RF MEMS [De Los Santos, 01; Senturia, 00], in termini di frequenza di risonanza di un risonatore in funzione dell'attuazione elettromeccanica [Kwon,01], oppure di risposta dinamica di un interruttore. Due aspetti sono stati finora sviluppati in letteratura: l'analisi del comportamento dinamico dei MEMS [Burdess, 97; Shi, 96], e la riduzione dell'ordine del modello [Gaddi, 03; Brusa, 03]. Poco noti sono gli effetti di diversi tipi di smorzamento, per esempio dovuti all'accoppiamento fluido-struttura legato allo strato di aria fra la parte deformabile ed il substrato [Vemuri, 00]. I modelli compatti dei dispositivi RF MEMS pongono alcuni problemi legati alla previsione del comportamento elettromagnetico e della risposta a radio frequenza. L'estrazione di circuiti equivalenti a parametri concentrati dai prototipi fabbricati è un metodo largamente accettato per la modellistica di dispositivi a stato solido per applicazioni RF [Dambrine, 88]. La sua applicazione ai dispositivi RF MEMS porta ad un circuito equivalente valido su una banda di frequenze, con una parte intrinseca ed un'altra dovuta ai parassiti [Gaddi, 04].

Il possibile impatto dei dispositivi RF-MEMS all'interno di un ricetrasmettitore RF è stato oggetto di ricerca negli ultimi anni [Richards, 01; De Los Santos, 01; Nguyen, 98]. All'interno di un'architettura tradizionale, sono identificabili componenti che se sostituiti con un equivalente RF-MEMS porterebbero vantaggi nelle prestazioni, in termini di compattezza, basso consumo di potenza, riconfigurabilità e basse perdite. D'altra parte, le nuove funzionalità disponibili tramite l'utilizzo di dispositivi RF-MEMS aprono il campo ad una revisione dell'architettura stessa. In generale, le potenzialità applicative dei dispositivi RF-MEMS si inseriscono in modo ottimale nella sempre maggiore richiesta di soluzioni di tipo multi-banda e multi-standard per terminali wireless di prossima generazione [DeNatale, 04]. L'aspetto chiave della riconfigurabilità in frequenza sta sempre più evidenziando i limiti delle soluzioni circuitali basate su tecnologie microelettroniche tradizionali. Al contrario, recenti studi hanno confermato le potenzialità di reti passive a basse perdite riconfigurabili basate su elementi MEMS a commutazione elettro-meccanica. La più immediata applicazione riguarda le reti di adattamento di impedenza per amplificatori di potenza ed i risonatori LC per oscillatori controllati in tensione (VCO) [Borwick, 03; Papapolymerou, 03], oppure le reti passive per il filtraggio del segnale, anch'esse riconfigurabili tramite interruttori o condensatori variabili RF-MEMS [Entesari, 05]. Problemi circa la definizione delle specifiche richieste ed ottenibili, di tipo elettromeccanico ed RF, per i dispositivi RF-MEMS restano comunque tuttora aperti [DeNatale, 04; Lin, 04]. Per esempio, alcune specifiche chiave per gli interruttori MEMS sono la tensione di attuazione, la perdita di inserzione, l'isolamento ed il tempo di commutazione. Anche il problema aperto della coesistenza di dispositivi MEMS con l'elettronica CMOS ha recentemente visto lo sviluppo di approcci alternativi. L'integrazione su un unico substrato di silicio attraverso processi MEMS post-CMOS o pre-CMOS, risulta non essere vincente a causa dell'alto costo e della complessità di processo delle tecnologie RF-CMOS attuali. Invece approcci di tipo system-on-package vengono largamente utilizzati, lasciando tuttavia aperti problemi relativi all'adattamento d'impedenza ed alle perdite che risultano dal montaggio e dal packaging [Dec, 00; Saias, 03; Chandrasekhar, 03].

La crescente disponibilità di dispositivi RF MEMS negli ultimi dieci anni ha fornito la possibilità di iniziare studi sull'aspetto fondamentale dell'affidabilità, che si riconosce essere il principale ostacolo da superare perché la tecnologia MEMS possa avere ampia applicazione commerciale. Fra i dispositivi MEMS, i micro-interruttori hanno raggiunto il livello più alto di maturità e sono attualmente oggetto di quasi tutti gli studi di affidabilità documentati [DeNatale, 03; Melle, 03; Chan, 03]. Allo stato attuale, molti interruttori MEMS sono stati collaudati fino a 100 miliardi di cicli senza guasti meccanici osservabili attorno agli ancoraggi (dove lo sforzo è massimo). Per gli interruttori ohmici i meccanismi di guasto tendono ad essere di tipo resistivo, mentre per quelli capacitivi sono tipicamente dovuti a fenomeni di aderenza. Fenomeni di stress che possono portare alla rottura hanno origine negli effetti meccanici, elettrici, chimici e termici. Gli interruttori ohmici con contatto metallo-metallo sono soggetti a meccanismi che interrompono la conduzione ohmica fra i contatti [Melle, 03]. Gli interruttori capacitivi sono suscettibili a meccanismi di intrappolamento di carica legati agli alti campi elettrici nel dielettrico di contatto [Chan, 03]. Per entrambi i tipi di interruttori l'affidabilità dipende fortemente dalle condizioni operative, per esempio commutazione con o senza segnale RF applicato (hot o cold switching). Il packaging e l'ambiente sono elementi critici per l'affidabilità degli interruttori RF-MEMS, a causa della natura superficiale di tali dispositivi. Anche l'umidità può avere un forte impatto, dovuto alle forze di capillarità alle piccole dimensioni.

Si deve porre speciale attenzione ai meccanismi di affidabilità e di guasto legati alla risposta del materiale alle condizioni di carico dinamiche [Wellman, 03]. Attualmente in letteratura compaiono pochi studi al riguardo, a causa sia della difficoltà intrinseca di approntare test di fatica meccanica per dimensioni micrometriche, che del fatto che tali test devono basarsi su una buona conoscenza della dinamica del dispositivo. Ottenere una corretta comprensione della dinamica strutturale per mezzo di tecniche di identificazione del comportamento meccanico delle microstrutture è un aspetto chiave, sia nel dominio del tempo che delle frequenze. Un notevole lavoro è stato fatto in questo campo sulla caratterizzazione sperimentale dei modelli di ordine ridotto. In [Gabbay, 98] si simula il comportamento accoppiato elettromeccanico per mezzo di un modello di ordine ridotto. L'applicazione di tale metodo al caso della micro-trave è in buon accordo con i risultati sperimentali, ma in generale sono necessari ulteriori sforzi. Tale compito è oggi reso possibile dalla disponibilità di strumenti quali vibrometri a laser o profilometri ottici, equipaggiati con obiettivi interferometrici ed illuminazione stroboscopica per l'analisi del moto. Inoltre di grande importanza nel campo degli RF MEMS, è la conoscenza dei parametri di smorzamento dovuto all'interazione fluido-struttura. La letteratura riporta molti lavori di modellistica di questo fenomeno [Zhang, 03] e di fondamentale importanza è l'allestimento di test sperimentali sia nel vuoto [He, 99] che in atmosfera controllata [Schrag, 02].
Fra i vari fenomeni che richiedono attenzione negli studi di affidabilità strutturale sono gli effetti dei parametri di processo, della geometria, dei carichi e delle condizioni di utilizzo ed ambientali. I materiali MEMS sono di solito usati in film sottili e questo rende la caratterizzazione meccanica più complessa ed allo stato attuale non sono disponibili procedure standard per l'estrazione di proprietà quali il modulo elastico, gli sforzi residui, la resistenza alla fatica, sebbene siano stati fatti tentativi in questa direzione [Fischer, 02]. Tuttavia sono note molte metodologie di test: in [Kahn, 02] sono state sviluppate strutture on-chip basate sull'attuazione elettrostatica, mentre altrove sono stati condotti test di trazione secondo metodologie tradizionali [Yi, 99]. <<<