Atualmente existe uma demanda por sistemas de comunicação com altas taxas de transferência de dados, trabalhando em ondas milimétricas (mmW). Além disso, os sistemas devem ser cada vez menores, apresentando um baixo consumo de potência e baixo custo para poderem ser utilizados em aplicações sem fio direcionadas ao mercado do consumidor. Neste trabalho, é proposto um defasador passivo miniaturizado de baixas perdas para aplicações em mmW baseado em um conceito inovador utilizando sistemas micro-eletromecânicos (MEMS) distribuídos e linhas de transmissão coplanares de ondas lentas (S-CPW). Assim, a defasagem é conseguida pela liberação das fitadas da camada de blindagem da S-CPW utilizando um processo de corrosão com vapor de HF. As fitas liberadas podem ser movimentadas quando uma tensão DC é aplicada, o que muda a fase do sinal propagado. É apresentado também um modelo eletromecânico e RF do defasador, compostos de elementos concentrados, permitindo a simulação do comportamento dinâmico do dispositivos e a mudança da fase. O defasador foi fabricado utilizando um processo realizado integralmente no Laboratório de Microeletrônica da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Alguns testes elétricos de atuação, demonstram que o processo de fabricação é viável e permitiu a liberação e atuação do plano de blindagem. / There is a demand for millimeter-wave (mmW) high data-rate communication systems. Systems should have small area as well as low power consumption and low cost in order to address wireless consumer applications. In this work, a low-loss distributed microelectromechanical (MEMS) phase shifter for mmW applications based on an innovative concept using distributed MEMS and slow-wave coplanar transmission lines (S-CPW) is proposed. The phase shift is achieved by releasing the ribbons of the shielding layer of the S-CPW with a HF vapor etching process. In this way the ribbons can be allows actuated when a DC voltage is applied, which changes the phase of the propagating signal. An electromechanical model and a RF model were developed using lumped elements, allowing the simulation of the dynamic behavior of the distributed MEMS and the phase shift. The phase shifter was entirely fabricated at the Laboratory of Microelectronics of the Polytechnic School from the University of São Paulo. Some electrical tests showed that the fabrication process is viable and allowed the correct release of the shielding layer of the phase shifter.

Atualmente existe uma demanda por sistemas de comunicação com altas taxas de transferência de dados, trabalhando em ondas milimétricas (mmW). Além disso, os sistemas devem ser cada vez menores, apresentando um baixo consumo de potência e baixo custo para poderem ser utilizados em aplicações sem fio direcionadas ao mercado do consumidor. Neste trabalho, é proposto um defasador passivo miniaturizado de baixas perdas para aplicações em mmW baseado em um conceito inovador utilizando sistemas micro-eletromecânicos (MEMS) distribuídos e linhas de transmissão coplanares de ondas lentas (S-CPW). Assim, a defasagem é conseguida pela liberação das fitadas da camada de blindagem da S-CPW utilizando um processo de corrosão com vapor de HF. As fitas liberadas podem ser movimentadas quando uma tensão DC é aplicada, o que muda a fase do sinal propagado. É apresentado também um modelo eletromecânico e RF do defasador, compostos de elementos concentrados, permitindo a simulação do comportamento dinâmico do dispositivos e a mudança da fase. O defasador foi fabricado utilizando um processo realizado integralmente no Laboratório de Microeletrônica da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Alguns testes elétricos de atuação, demonstram que o processo de fabricação é viável e permitiu a liberação e atuação do plano de blindagem. / There is a demand for millimeter-wave (mmW) high data-rate communication systems. Systems should have small area as well as low power consumption and low cost in order to address wireless consumer applications. In this work, a low-loss distributed microelectromechanical (MEMS) phase shifter for mmW applications based on an innovative concept using distributed MEMS and slow-wave coplanar transmission lines (S-CPW) is proposed. The phase shift is achieved by releasing the ribbons of the shielding layer of the S-CPW with a HF vapor etching process. In this way the ribbons can be allows actuated when a DC voltage is applied, which changes the phase of the propagating signal. An electromechanical model and a RF model were developed using lumped elements, allowing the simulation of the dynamic behavior of the distributed MEMS and the phase shift. The phase shifter was entirely fabricated at the Laboratory of Microelectronics of the Polytechnic School from the University of São Paulo. Some electrical tests showed that the fabrication process is viable and allowed the correct release of the shielding layer of the phase shifter.

O desenvolvimento deste trabalho foi motivado pela alta demanda de novas aplicações para o mercado do consumidor que necessitam de sistemas de transmissão e recepção de dados sem fio trabalhando na região de ondas milimétricas (mmW - entre 30 GHz e 300 GHz). Para estes tipos de sistemas, os defasadores são cruciais por definir o custo e o tamanho do dispositivo final. A pesquisa bibliográfica mostra que a melhor opção são os defasadores passivos do tipo linha carregada que utilizam Sistemas Microeletromecânicos (MEMS) como elemento de ajuste para a mudança de fase. Por esse motivo neste trabalho foi feito o estudo de diferentes tecnologias para o desenvolvimento de defasadores baseados em MEMS distribuídos e linhas de transmissão com efeito de ondas lentas de tipo shielded-CoPlanar Stripline (S-CPS) e shielded-Coplanar Waveguide (S-CPW). Foram estudadas três diferentes tecnologias: a tecnologia CMOS; a tecnologia dedicada desenvolvida pelo Laboratoire d\'électronique des technologies de l\'information (CEA-Leti) e a tecnologia in-house desenvolvida no Laboratório de Microeletrônica da Universidade de São Paulo. Utilizando a tecnologia CMOS foram fabricadas linhas de transmissão de tipo S-CPS utilizando a tecnologia de 250 nm da IHP (Innovations for High Performance Microelectronics) e a tecnologia de 0,35 µm da AMS (Austria Micro Systems). A tecnologia de 0,35 µm da AMS foi utilizada também para o desenvolvimento de defasadores de 2-bits e 3-bits baseados em linhas de transmissão de tipo S-CPW. Para estes defasadores foi definido um processo de liberação da camada de blindagem, reprodutível, que permitiu a atuação do dispositivo. Outros defasadores baseados em S-CPW que foram desenvolvidos anteriormente com a tecnologia dedicada CEA-LETI, foram modelados eletrostaticamente utilizando o Comsol MultiPhysics e o Ansys Workbench. Os modelos desenvolvidos permitiram entender o comportamento eletromecânico do defasador e foram utilizados reprojetar o defasador com um desempenho otimizado. Finalmente, visando o desenvolvimento dos dispositivos otimizados utilizando a tecnologia in house com os materiais e métodos disponíveis no Laboratório de Microeletrônica da USP (LME-USP), foram estudadas algumas etapas críticas do processo de fabricação. / The development of this work is motivated by the high demand for new applications for the consumer market that require wireless systems for data transmission and reception working in the millimeter wave region (mmW - between 30 GHz and 300 GHz). For these kinds of systems, the phase shifter are crucial to define the cost and size of the final device. The bibliographical research shows that the best option are the passive load line-type phase shifters using Microelectromechanical Systems (MEMS) as tuning element. Therefore, in this work, the study of different technologies for the development of phase shifter based on distributed MEMS and slow-wave transmission lines. The two types of transmission lines considered were the shielded-CoPlanar Stripline (S-CPS) and shielded-Coplanar Waveguide line (S-CPW). Three different technologies were studied: CMOS technology; the dedicated technology developed by the Laboratoire d\'électronique des technologies de l\'information (CEA-Leti) and the in-house technology developed at the Microelectronics Laboratory of the University of São Paulo. Using the CMOS technology, S-CPS-type transmission lines were fabricated using IHP\'s 250 nm CMOS technology and AMS\'s 0.35 µm CMOS technology. AMS\'s 0.35 µm technology has also been used for the development of 2-bit and 3-bit phase-shifters based on S-CPW type transmission lines. For these phase shifters, a reproducible shielding layer release process was defined that allowed the device to operate. Also, another phase shifter based in S-CPW-type transmission lines that were previously developed with dedicated CEA-LETI technology was electrostatically modeled using Comsol MultiPhysics and Ansys Workbench. The developed models allowed to understand the electromechanical behavior of the phase shifter and was used for a new design of the phase shifter with an optimized performance. Finally, in order to develop the optimized devices using the in-house technology with the materials and methods available at the USP Microelectronics Laboratory (LME-USP), some critical stages of the fabrication process were studied.

O desenvolvimento deste trabalho foi motivado pela alta demanda de novas aplicações para o mercado do consumidor que necessitam de sistemas de transmissão e recepção de dados sem fio trabalhando na região de ondas milimétricas (mmW - entre 30 GHz e 300 GHz). Para estes tipos de sistemas, os defasadores são cruciais por definir o custo e o tamanho do dispositivo final. A pesquisa bibliográfica mostra que a melhor opção são os defasadores passivos do tipo linha carregada que utilizam Sistemas Microeletromecânicos (MEMS) como elemento de ajuste para a mudança de fase. Por esse motivo neste trabalho foi feito o estudo de diferentes tecnologias para o desenvolvimento de defasadores baseados em MEMS distribuídos e linhas de transmissão com efeito de ondas lentas de tipo shielded-CoPlanar Stripline (S-CPS) e shielded-Coplanar Waveguide (S-CPW). Foram estudadas três diferentes tecnologias: a tecnologia CMOS; a tecnologia dedicada desenvolvida pelo Laboratoire d\'électronique des technologies de l\'information (CEA-Leti) e a tecnologia in-house desenvolvida no Laboratório de Microeletrônica da Universidade de São Paulo. Utilizando a tecnologia CMOS foram fabricadas linhas de transmissão de tipo S-CPS utilizando a tecnologia de 250 nm da IHP (Innovations for High Performance Microelectronics) e a tecnologia de 0,35 µm da AMS (Austria Micro Systems). A tecnologia de 0,35 µm da AMS foi utilizada também para o desenvolvimento de defasadores de 2-bits e 3-bits baseados em linhas de transmissão de tipo S-CPW. Para estes defasadores foi definido um processo de liberação da camada de blindagem, reprodutível, que permitiu a atuação do dispositivo. Outros defasadores baseados em S-CPW que foram desenvolvidos anteriormente com a tecnologia dedicada CEA-LETI, foram modelados eletrostaticamente utilizando o Comsol MultiPhysics e o Ansys Workbench. Os modelos desenvolvidos permitiram entender o comportamento eletromecânico do defasador e foram utilizados reprojetar o defasador com um desempenho otimizado. Finalmente, visando o desenvolvimento dos dispositivos otimizados utilizando a tecnologia in house com os materiais e métodos disponíveis no Laboratório de Microeletrônica da USP (LME-USP), foram estudadas algumas etapas críticas do processo de fabricação. / The development of this work is motivated by the high demand for new applications for the consumer market that require wireless systems for data transmission and reception working in the millimeter wave region (mmW - between 30 GHz and 300 GHz). For these kinds of systems, the phase shifter are crucial to define the cost and size of the final device. The bibliographical research shows that the best option are the passive load line-type phase shifters using Microelectromechanical Systems (MEMS) as tuning element. Therefore, in this work, the study of different technologies for the development of phase shifter based on distributed MEMS and slow-wave transmission lines. The two types of transmission lines considered were the shielded-CoPlanar Stripline (S-CPS) and shielded-Coplanar Waveguide line (S-CPW). Three different technologies were studied: CMOS technology; the dedicated technology developed by the Laboratoire d\'électronique des technologies de l\'information (CEA-Leti) and the in-house technology developed at the Microelectronics Laboratory of the University of São Paulo. Using the CMOS technology, S-CPS-type transmission lines were fabricated using IHP\'s 250 nm CMOS technology and AMS\'s 0.35 µm CMOS technology. AMS\'s 0.35 µm technology has also been used for the development of 2-bit and 3-bit phase-shifters based on S-CPW type transmission lines. For these phase shifters, a reproducible shielding layer release process was defined that allowed the device to operate. Also, another phase shifter based in S-CPW-type transmission lines that were previously developed with dedicated CEA-LETI technology was electrostatically modeled using Comsol MultiPhysics and Ansys Workbench. The developed models allowed to understand the electromechanical behavior of the phase shifter and was used for a new design of the phase shifter with an optimized performance. Finally, in order to develop the optimized devices using the in-house technology with the materials and methods available at the USP Microelectronics Laboratory (LME-USP), some critical stages of the fabrication process were studied.

L’objectif de ce travail est de concevoir et de caractériser un front-end millimétriqueutilisant des lignes de propagation à ondes lentes S-CPW optimisées en technologies CMOS avancées.Ces lignes présentant des facteurs de qualité 2 à 3 fois supérieurs à ceux des lignes classiques de typemicroruban ou CPW.Dans le premier chapitre, l’impact de l’évolution des noeuds technologiques CMOS sur lesperformances des transistors MOS aux fréquences millimétriques et sur les lignes de propagation ainsiqu’un état de l’art concernant les performances des front-end sont présentés. Le deuxième chapitreconcerne la réalisation des lignes S-CPW dans différentes technologies CMOS et la validation d’unmodèle phénoménologique électrique équivalent. Le troisième chapitre est dédié à la conceptiond’amplificateurs de puissance à 60 GHz utilisant ces lignes S-CPW en technologies CMOS 45 et65 nm. Cette étude a permis de mettre en évidence l’apport des lignes à ondes lentes aux performancesdes amplificateurs de puissance fonctionnant dans la gamme des fréquences millimétriques. Uneméthode de conception basée sur les règles d’électro-migration et permettant une optimisation desperformances a été développée. Finalement, un amplificateur faible bruit et un commutateur d’antennetravaillant à 60 GHz et à base de lignes S-CPW ont été conçus en technologie CMOS 65 nm afin degénéraliser l’impact de ce type de lignes sur les performances des front-end millimétriques. / The objective of this work is to design and characterize a millimeter-wave front-end usingthe optimized slow-wave transmission lines S-CPW in advanced CMOS technologies. The qualityfactor of these transmission lines is twice to three times higher than that of the conventionaltransmission lines such as microstrip lines and coplanar waveguides.In the first chapter, the influence of CMOS scaling-down on the performance of transistors atmillimeter-wave frequencies and on the transmission lines was studied. In addition, a state of the artwith regard to the performance of the front-end was presented. The second chapter concerns about therealization of the S-CPW lines in different CMOS technologies and the validation of an electricalequivalent model. The third chapter is dedicated to the design of 60-GHz power amplifiers using theseS-CPW lines in CMOS 45 and 65 nm technologies. This study highlighted the performanceenhancement of power amplifiers operating at millimeter-wave frequencies by using the slow-wavetransmission lines. A design method based on the electro-migration rules was also developed. Finally,a low noise amplifier and an antenna switch operating at 60 GHz were designed in CMOS 65 nm inorder to generalize the impact of such transmission lines on the performance of the millimeter-wavefront-end.