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This thesis deals with two important research aspects concerning radio frequency (RF) microresonators and switches. First, a new approach for compact modeling and simulation of these devices is presented. Then, a combined process flow for their simultaneous fabrication on a SOI substrate is proposed. Compact models for microresonators and switches are extracted by applying mathematical model order reduction (MOR) to the devices finite element (FE) description in ANSYS c° . The behaviour of these devices includes forms of nonlinearities. However, an approximation in the creation of the FE model is introduced, which enables the use of linear model order reduction. Microresonators are modeled with the introduction of transducer elements, which allow for direct coupling of the electrical and mechanical domain. The coupled system element matrices are linearized around an operating point and reduced. The resulting macromodel is valid for small signal analysis around the bias point, such as harmonic pre-stressed analysis. This is extremely useful for characterizing the frequency response of resonators. Compact modelling of switches preserves the nonlinearity of the device behaviour. Nonlinear reduced order models are obtained by reducing the number of nonlinearities in the system and handling them as input to the system. In this way, the system can be reduced using linear MOR techniques and nonlinearities are introduced directly in the reduced order model. The reduction of the number of system nonlinearities implies the approximation of all distributed forces in the model with lumped forces. Both for microresonators and switches, a procedure for matrices extraction has been developed so that reduced order models include the effects of electrical and mechanical pre-stress. The extraction process is fast and can be done automatically from ANSYS binary files. The method has been applied for the simulation of several devices both at devices and circuit level. Simulation results have been compared with full model simulations, and, when available, experimental data. Reduced order models have proven to conserve the accuracy of finite element method and to give a good description of the overall device behaviour, despite the introduced approximations. In addition, simulation is very fast, both at device and circuit level. A combined process-flow for the integrated fabrication of microresonators and switches has been defined. For this purpose, two processes that are optimized for the independent fabrication of these devices are merged. The major advantage of this process is the possibility to create on-chip circuit blocks that include both microresonators and switches. An application is, for example, aswitched filter bank for wireless transceiver. The process for microresonators fabrication is characterized by the use of silicon on insulator (SOI) wafers and on a deep reactive ion etching (DRIE) step for the creation of the vibrating structures in single-crystal silicon and the use of a sacrificial oxide layer for the definition of resonator to electrode distance. The fabrication of switches is characterized by the use of two different conductive layers for the definition of the actuation electrodes and by the use of a photoresist as a sacrificial layer for the creation of the suspended structure. Both processes have a gold electroplating step, for the creation of the resonators electrodes, transmission lines and suspended structures. The combined process flow is designed such that it conserves the basic properties of the original processes. Neither the performance of the resonators nor the performance of the switches results affected by the simultaneous fabrication. Moreover, common fabrication steps are shared, which allows for cheaper and faster fabrication.

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In questa tesi verranno trattati sia il problema della creazione di un ambiente di simulazione a domini fisici misti per dispositivi RF-MEMS, che la definizione di un processo di fabbricazione ad-hoc per il packaging e l’integrazione degli stessi. Riguardo al primo argomento, sarà mostrato nel dettaglio lo sviluppo di una libreria di modelli MEMS all’interno dell’ambiente di simulazione per circuiti integrati Cadence c . L’approccio scelto per la definizione del comportamento elettromeccanico dei MEMS è basato sul concetto di modellazione compatta (compact modeling). Questo significa che il comportamento fisico di ogni componente elementare della libreria è descritto per mezzo di un insieme limitato di punti (nodi) di interconnessione verso il mondo esterno. La libreria comprende componenti elementari, come travi flessibili, piatti rigidi sospesi e punti di ancoraggio, la cui opportuna interconnessione porta alla realizzazione di interi dispositivi (come interruttori e capacità variabili) da simulare in Cadence c . Tutti i modelli MEMS sono implementati per mezzo del linguaggio VerilogA c di tipo HDL (Hardware Description Language) che è supportato dal simulatore circuitale Spectre c . Sia il linguaggio VerilogA c che il simulatore Spectre c sono disponibili in ambiente Cadence c . L’ambiente di simulazione multidominio (ovvero elettromeccanico) così ottenuto permette di interfacciare i dispositivi MEMS con le librerie di componenti CMOS standard e di conseguenza la simulazione di blocchi funzionali misti RF-MEMS/CMOS. Come esempio, un VCO (Voltage Controlled Oscillator) in cui l’LC-tank è realizzato in tecnologia MEMS mentre la parte attiva con transistor MOS di libreria sarà simulato in Spectre c . Inoltre, nelle pagine successive verrà mostrata una soluzione tecnologica per la fabbricazione di un substrato protettivo (package) da applicare a dispositivi RF-MEMS basata su vie di interconnessione elettrica attraverso un wafer di Silicio. La soluzione di packaging prescelta rende possibili alcune tecniche per l’integrazione ibrida delle parti RF-MEMS e CMOS (hybrid packaging). Verranno inoltre messe in luce questioni riguardanti gli effetti parassiti (accoppiamenti capacitivi ed induttivi) introdotti dal package che influenzano le prestazioni RF dei dispositivi MEMS incapsulati. Nel dettaglio, tutti i gradi di libertà del processo tecnologico per l’ottenimento del package saranno ottimizzati per mezzo di un simulatore elettromagnetico (Ansoft HFSSTM) al fine di ridurre gli effetti parassiti introdotti dal substrato protettivo. Inoltre, risultati sperimentali raccolti da misure di strutture di test incapsulate verranno mostrati per validare, da un lato, il simulatore Ansoft HFSSTM e per dimostrate, dall’altro, la fattibilit`a della soluzione di packaging proposta. Aldilà dell’apparente debole legame tra i due argomenti sopra menzionati è possibile identificare un unico obiettivo. Da un lato questo è da ricercarsi nello sviluppo di un ambiente di simulazione unificato all’interno del quale il comportamento elettromeccanico dei dispositivi RF-MEMS possa essere studiato ed analizzato. All’interno di tale ambiente, l’influenza del package sul comportamento elettromagnetico degli RF-MEMS può essere tenuta in conto per mezzo di modelli a parametri concentrati (lumped elements) estratti da misure sperimentali e simulazioni agli Elementi Finiti (FEM) della parte di package. Infine, la possibilità offerta dall’ambiente Cadence c relativamente alla simulazione di dipositivi RF-MEMS interfacciati alla parte CMOS rende possibile l’analisi di blocchi funzionali ibridi RF-MEMS/CMOS completi.