الكهروميكانيكية متناهية الصغر للترددات اللاسلكية (RF MEMS) لأنظمة الاتصالات المستقبلية

د. عبدالرحمن السلمي الهندسة الكهربائية – مدينة الملك عبد العزيز للعلوم والتقنية – السعودية

النظم الكهروميكانيكية متناهية الصغر (MEMS) هي تقنيات تُستخدم لإنتاج الأنظمة والأجهزة والمنتجات؛ عن طريق مزج المكونات الكهربائية والميكانيكية دون أن تفقد خصائصها وكفاءتها في الأبعاد المجهرية. وبما أن هذه النظم في بُعد مجهري، فإنها تتطلب طاقة منخفضة، ومساحة أقل، وتكلفة إنتاج منخفضة، ومن ناحية أخرى فهي أكثر موثوقية، وأسرع بكثير، ويمكن معالجتها على دفعات، وهي قادرة على دمج وظائف متعددة ومعقدة. ولذلك امتدت تطبيقاتها من مجرد مستشعرات ضغط ودرجة حرارة إلى مجموعة واسعة من التطبيقات مثل الفضاء، والسيارات، والتكنولوجيا الحيوية، والمنتجات الاستهلاكية، والدفاع، والاتصالات. تم تطوير تقنيات RF MEMS بشكل كبير مقارنة بالتقنيات الأخرى، وذلك بفضل الأداء الرائع لأنظمة MEMS على الترددات اللاسلكية بالإضافة إلى تصغير أنظمة الترددات اللاسلكية إلى أبعاد متناهية الصغر.

يمكن تصنيف أجهزة RF-MEMS إلى قسمين: أجهزة MEMS نشطة (مفاتيح، مكثفات متغيرة ومفاتيح)، وأجهزة MEMS خاملة (قارنات، فلاتر وخطوط نقل). وتتمتع الأجهزة الكهروميكانيكية متناهية الصغر للترددات اللاسلكية (RF MEMS) بميزة زيادة الوظائف، وتحسينات كبيرة في الأداء، وخفة حركة عالية، ونمطية وإعادة تشكيل. تعد مفاتيح RF MEMS أول وأهم أجهزة MEMS المصممة لتقنية التردد اللاسلكية. تُظهر مفاتيح RF MEMS أداءً أفضل مقارنة بنظيراتها من أشباه الموصلات مثل الثنائيات FET و PIN؛ حيث إن اللاخطية الحالية للجهد الذي يمثل عائقًا لأجهزة أشباه الموصلات غير موجودة في حالة مفاتيح RF MEMS . يتم تصنيف مفاتيح RF MEMS على أساس تقنيات التشغيل إلى أربع تقنيات، وهي الكهروستاتيكية، والكهروحرارية، والكهرومغناطيسية، والكهروضغطية. ومميزات كل تقنية موضحه بالجدول.

الطاقة التي تستهلكها هذه المفاتيح أقل بكثير؛ لأن معظم المفاتيح تستخدم التشغيل الكهروستاتيكي والكهروضغطي، والذي يتطلب طاقة قليلة. كما أنها لا تعاني من مشاكل التوافقيات والتشكيل البيني للإشارات، وتظهر خسارة إدخال منخفضة جدًا في النطاق 0.05- إلى 0.2- ديسيبل عند تردد 40 جيجاهرتز. كما أنها تمتلك عزلة عالية جدًا في نطاق 40- ديسيبل عند نفس التردد. العيب الوحيد هو أن سرعة التبديل الخاصة بمفاتيح RF MEMS أقل بكثير مقارنة بنظرائهم من أشباه الموصلات. ومع ذلك، فإن هناك العديد من دوائر الاتصالات عالية الأداء مثل أنظمة الدفاع والأقمار الصناعية، التي لا تكون السرعة هي المعيار فيها، إذ إن استهلاك الطاقة المنخفض والأداء العالي للترددات الراديوية يُعد من الخصائص الرئيسة المطلوبة لهذه التطبيقات. نظرًا لهذه الميزات، فإن مفاتيح RF MEMS تعمل على تحسين الأداء العام للأنظمة التي يتم دمجها فيها.

 تُصنع أجهزة MEMS عن طريق استخدام تقنيات خاصة تسمى بالتصنيع الدقيق متناهي الصغر (micromachining)، وذلك من خلال استخدام مجموعة من أدوات التصنيع القائمة على تقنيات تصنيع الطبقات الرقيقة والسميكة المستخدمة بشكل شائع في صناعة الإلكترونيات، وأيضًا لإنشاء هياكل صغيرة ثلاثية الأبعاد بأبعاد تتراوح من أجزاء السنتيمترات إلى أجزاء الميكرومترات. وتُصنع الغالبية العظمى من هياكل النظم الكهروميكانيكية الصغرى باستخدام عملية التصنيع الدقيق بالتضخم (Bulk Micromachining) . يتضمن هذا حفر الرقاقة المتضخمة مما يؤدي إلى هياكل ثلاثية الأبعاد مثل الأذرع والكيابل والتجاويف. يمكن تحقيق هذه العمليات على رقائق أساسية مثل رقائق السيليكون والزجاج وأرسينيد الغاليوم وما إلى ذلك. يمكن أن يتراوح سُمك هذه الهياكل من بضعة ميكرومتر إلى 200 مم. الأبعاد الناتجة من الهياكل المجهرية بالتضخم أكبر بكثير مقارنة بعملية التصنيع الدقيق للسطح. يعتمد التصنيع الدقيق للسطح على بناء طبقات المواد ثم الاحتفاظ بها بشكل انتقائي أو الحفر من خلال المعالجة المستمرة. يبقى الجزء الأكبر من الرقاقة الأساسية بدون أي تأثر. يمكن استخدام مواد أخرى غير السيليكون، على سبيل المثال، يمكن تصنيع المعادن والبلاستيك والأجهزة ذات النسب العالية جدًا لإنشاء هياكل الأجهزة.

حققت مفاتيح RF MEMS خلال العقدين الماضيين مكانًا فريدًا في تصميم أنظمة RF نظرًا لأدائها العالي في العمليات متعددة الترددات. تؤدي مفاتيح المقاومة RF MEMS متطلبات جهد منخفض جدًا في أنظمة RF MEMS، وبالتالي بالنسبة لتطبيقات الطاقة المنخفضة، يمكن تفضيل مفتاح MEMS ذي التصميم الكيبلي على أي تصميمات مفاتيح أخرى. رغم أن محولات RF MEMS لها أيضًا نصيبها من المشكلات، مثل: السرعة المنخفضة نسبيًا، ومعالجة الطاقة، ومحرك الجهد العالي، والموثوقية، والتعبئة، والتكلفة. إلا أنه ستكون هناك حاجة إلى مفاتيح RF-MEMS عند ترددات في نطاق عشرات الجيجاهيرتز (GHz). من مجالات التطبيق الرئيسة، التي تتطلب تقنيات مفاتيح RF-MEMS هي: أنظمة الرادار للتطبيقات الدفاعية، وأنظمة الاتصالات عبر الأقمار الصناعية، وأنظمة الاتصالات اللاسلكية، وأنظمة الأجهزة.