دانلود پروژه سوئیچ میکروالکترومکانیکی MEMS SWITCH (docx) 57 صفحه
دسته بندی : تحقیق
نوع فایل : Word (.docx) ( قابل ویرایش و آماده پرینت )
تعداد صفحات: 57 صفحه
قسمتی از متن Word (.docx) :
به نام خدا
سوئیچ میکروالکترومکانیکی(MEMS SWITH)
فهرست
مقدمه . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
انواع سویچ ها . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
کاربردهای سویچ های میکروالکترومکانیکی . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
دسته بندی سویچ ها . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
روش های راه اندازی سویچ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
ساختار مکانیکی سویچ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
محاسبه ثابت فنر . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
انحنای بیم به علت یکسان نبودن استرس در طول آن . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
ثابت فنر ناشی از استرس پس ماند . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
اثر حفره ها روی سطح بیم . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
ثابت فنر برای بیم های با K کوچک . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
آنالیز دینامیک خطی بیم . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
محاسبه زمان سوئیچینگ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
راهاندازی الکترواستاتیکی . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
ولتاژ لازم برای پایین نگه داشتن بیم متحرک . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
سوئیچ های خازنی خود راه انداز. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
اثر تغییر دما و نیرو روی عملکرد سویچ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
مدل مداری سویچ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
پارامترهای پراکندگی ( S- Parameter ) . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
تلفات . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
سوئیچ های جانبی . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
آشنایی با سویچ SPDT (single-pole double-throw) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
بررسی مساله چسبندگی در سویچ های میکروالکترومکانیکی . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
پروسه ساخت . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
نمونه ای از سویچ های ارائه شده در مقالات . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
مراجع . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
مقدمه:
سویچ المانی است که به منظور قطع و وصل کردن مسیر سیگنال و یا تغییر مسیر آن در یک مدار الکتریکی استفاده می شود. تا حدود سه دهه قبل، سویچ هایی که در سیستم های الکتریکی استفاده می شدند در دو نوع سویچ های مکانیکی و نیمه هادی بودند اما از حدود سال 1980 میلادی به بعد سویچ های میکروالکترومکانیکی (mems switch) پا به عرصه بازار الکترونیک گذاشتند که نسبت به دو نوع دیگر مزایای قابل توجه و البته معایبی نیز داشتند. استفاده از سویچ های میکروالکترومکانیکی در فرکانس های رادیویی (rf mems switch) در دهه 90 میلادی آغاز شد. سویچ های فرکانس بالا در سیستم هایی که در حوزه مایکروویو استفاده می شوند( مانند تلفن های موبایل و شبکه های بی سیم) و سیستم هایی که در حوزه امواج میلی متری کار می کنند (مانند رادار و سیستم های ماهواره ای) نقش مهمی را ایفا می کنند. در سیستم های بی سیم، سویچ ها غالبا برای انتخاب مسیر سیگنال استفاده می شوند. مثال آن، سیستم با بلوک های مختلف می باشد که با استفاده از سویچ می توان سیگنال ورودی به سیستم را به بلوک موردنظر ارسال کرد. در سیستم های رادار از مجموعه ای از سویچ ها برای ایجاد بلوک های تاخیر یا شیفت فاز استفاده می شود. ارتباطات راه دور دربردارنده رنج وسیعی از فرکانس ها می باشد که با توجه به محدوده فرکانسی مورد نظرمان، مشخصات سویچ می تواند متفاوت باشد. به پارامترهای مختلفی در بررسی سویچ ها می توان اشاره کرد. ایزولاسیون و تلفات، دو پارامتر مهم در بررسی سویچ می باشند. همچنین میزان مصرف توان پارامتر مهمی بویژه در کاربردهای ماهواره است..
انواع سویچ ها:
همانطور که در مقدمه نیز اشاره شد، سویچ ها را می توان به سه دسته کلی تقسیم کرد:
سویچ مکانیکی 2- سویچ نیمه هادی 3- سویچ میکروالکترومکانیکی
در سویچ مکانیکی، عمل قطع و وصل مسیر سیگنال از طریق یک سیگنال کنترل که رله ای مغناطیسی را فعال می کند انجام می شود. این سویچ ها در حین آنکه توانایی انتقال توان بالایی را دارند، تلفات کم و ایزولاسیون بالایی را هم می توانند فراهم کنند. اما ضعف آن ها در زمان سویچینگ بالا (سرعت سویچینگ کم) ، اندازه و وزن زیاد آن ها می باشد.
سویچ های نیمه هادی( PIN دیودها و فت ها)، ایزولاسیون و تلفات مطلوبی که سویچ های مکانیکی داشتند را نمی توانند فراهم کنند ولی از سرعت بالا و ابعاد کوچک تری برخوردار هستند. اندیشه ترکیب کردن ساختار این دو نوع سویچ منجر به ایجاد سویچ میکروالکترومکانیکی می شود. یعنی سویچی ساخته شده با فناوری نیمه هادی و دارای بخشی متحرک برای قطع و وصل مسیر سیگنال. در نتیجه سویچی شکل گرفت که قابلیت های سویچ های مکانیکی و نیمه هادی را با هم داشت. ایزولاسیون و تلفات مناسب به همراه ابعاد کوچک و سرعت مطلوب.
در جدول زیر مقایسه ای بین مشخصات سویچ میکروالکترومکانیکی و سویچ نیمه هادی را مشاهده می کنید.
مزایا و چالش های مربوط به سویچ های میکروالکترومکانیکی را می توان به شکل زیر دسته بندی کرد :
مزایا :
تلفات کم در حالت وصل(به علت مقاومت کوچک حالت وصل)
ایزولاسیون بالا در حالت قطع(ناشی از خازن کوچک حالت قطع و در نتیجه امپدانس خازنی بزرگ)
مصرف توان پایین (به علت جریان بسیار ناچیز عبوری)
خطی بودن
شکل زیر، این مزایا را در مقایسه بین سویچ میکروالکترومکانیکی و ماسفت نشان می دهد.
چالش ها:
بسته بندی : مشخصات عملکردی سویچ میکروالکترومکانیکی بشدت از ذرات معلق در هوا مانند ذرات بخار آب یا هیدروکربن ها و ... تاثیر می پذیرد. این مساله بسته بندی این سویچ ها را با پیچیدگی هایی همراه می سازد و به عنوان چالشی در آن ها مطرح می باشد.
قابلیت اطمینان : سویچ میکروالکترومکانیکی به علت دارا بودن یک بخش متحرک با مشکلات مربوط به ساختارهای مکانیکی روبرو است. مسایلی همچون فرسودگی بخش متحرک، چسبندگی، نقطه جوش شدن در اتصال اهمی و ... از جمله عواملی است که عمر مفید ساختار و قابلیت اطمینان آن را تحت تاثیر قرار می دهد.
سرعت پایین : اگرچه سرعت سویچ میکروالکترومکانیکی نسبت به سویچ مکانیکی بیشتر است ولی نسبت به سویچ نیمه هادی سرعت کم تری دارد.
ولتاژ راه اندازی بالا : بین ولتاژ راه اندازی سویچ میکروالکترومکانیکی و سرعت سویچینگ آن مصالحه ای برقرار است. یکی از اهداف دنبال شده در طراحی این سویچ ها، کاهش ولتاژ راه اندازی به منظور قابلیت مجتمع سازی آن ها در پروسه ساخت آی سی است. اما کاهش ولتاژ به معنی کاهش نیروی الکترواستاتیکی اعمال شده به بخش متحرک سویچ و در نتیجه کاهش سرعت قطع و وصل آن است. لذا در طراحی بنا به کاربرد سویچ، مصالحه ای بین این دو پارامتر باید ایجاد شود.
هزینه ساخت : هزینه ساخت این سویچ ها 10 تا 20 برابر سویچ های نیمه هادی بیان شده است.
با در نظر گرفتن مجموعه ای از این عوامل، بنا به کاربرد موردنظر از سویچ های میکروالکترومکانیکی در حوزه های مختلف استفاده می شود.
معرفی برخی از کاربردهای سویچ های میکروالکترومکانیکی :
استفاده از مجموعه ای از سویچ ها برای شیفت فاز: در این کاربرد، مجموعه ای از سویچ ها با ایجاد تاخیر در مسیر سیگنال یا از طریق تغییر امپدانس مسیر عبور سیگنال ، فاز سیگنال ورودی را جابه جا می کنند.
استفاده از سویچ ها به منظور ایجاد شبکه سویچینگ : شبکه های سویچینگ در سیستم های مخابراتی به منظور فیلترینگ استفاده می شود. بعلاوه استفاده از سویچ های میکروالکترومکانیکی به علت داشتن مشخصات فرکانس بالای مناسب و وزن کم، امکان ساخت سیستم های مخابراتی قابل حمل را فراهم می آورد.
استفاده از سویچ در مدولاسیون دیجیتال : با استفاده از سویچ در نقش گیت، با عبور یا قطع مسیر سیگنال شکل موج مورد نظر ایجاد می شود.
دسته بندی سویچ های میکروالکترومکانیکی :
سویچ های میکروالکترومکانیکی را می توان به شکل های مختلف دسته بندی کرد:
الف – دسته بندی از لحاظ ساختار مکانیکی
ساختار یک طرف ثابت ساختار دو طرف ثابت (پل)
ب- دسته بندی بر اساس نوع اتصال
لایه عایقاتصال فلز با فلز اتصال فلز- فلز (اهمی) اتصال فلز- عایق- فلز (خازنی)
سویچ های اتصال اهمی از فرکانس صفر تا فرکانس های حدود 30 گیگاهرتز کاربرد دارند و با حرکت به سمت فرکانس های پایین، میزان ایزولاسیون، افزایش می یابد. اما اکثر کاربرد سویچ خازنی در فرکانس های 20 گیگاهرتز به بالا می باشد. زیرا در فرکانس های پایین امپدانس خازنی زیاد و تلفات بالا می رود. شکل زیر منحنی ایزولاسیون برحسب فرکانس برای دو نوع اتصال می باشد.
پ- دسته بندی بر اساس راستای حرکت بخش متحرک(بیم)
حرک بیم در راستای عمودی (سویچ عمودی) حرک بیم در راستای افقی (سویچ جانبی)
استفاده از نوع عمودی به علت آن که فضای کمتری را روی ویفر اشغال می کند، رایج تر می باشد.
ت- دسته بندی از لحاظ نحوه قرارگیری در مدار
اتصال سری سویچ در مدار اتصال موازی سویچ در مدار
سویچ های سری و موازی به هر
دو صورت اتصال اهمی و خازنی استفاده می شوند ولی غالبا در حالت سری از اتصال اهمی و در حالت موازی از اتصال خازنی استفاده می شود.
روش های راه اندازی سویچ:
منظور از راه اندازی سویچ استفاده از مکانیزمی برای اعمال نیرو به بخش متحرک آن و جا به جا کردن آن برای قطع و وصل مسیر سیگنال می باشد. مکانیزم های مختلفی برای اعمال نیرو به سویچ استفاده شده است. استفاده از نیروی الکترواستاتیکی ، نیروی الکترومغناطیسی ، مواد پیزوالکتریک و راه اندازی الکتروحرارتی از جمله این مکانیزم ها می باشد. در شکل زیر این مکانیزم ها را مشاهده می کنید.
نیروی الکترواستاتیکی در اثر اعمال ولتاژ بین دو هادی ( یکی بیم متحرک و دیگری هادی ثابت زیر آن) ایجاد شده و باعث بیم متحرک به سمت هادی پایین می شود.
نیروی مغناطیسی از طریق عبور جریان از داخل سیم پیچی که به دور یک هسته مغناطیسی پیچیده شده ایجاد شده و باعث کشیدن الکترودها به سمت هم می شود.
اعمال ولتاژ الکتریکی به طرفین ماده پیزوالکتریک باعث انبساط آن شده و چون این ماده روی هادی بالا قرار دارد باعث خمیده شدن آن به سمت هادی پایین می شود.
با عبور جریان از داخل یک ماده مقاومتی که روی هادی بالایی قرار می گیرد و انبساط آن در اثر حرارت ایجاد شده، هادی بالا به سمت هادی پایین خمیده می شود.
جدول زیر مقایسه ای را بین روش های راه اندازی اشاره شده، نشان می دهد.
پیچیدگی ساختاندازهزمان سویچینگتوانجریانولتاژ راه اندازیمکانیزم راه اندازیکمکوچکمتوسط به پایینمتوسطالکترواستاتیکیزیادمتوسطکمزیادمتوسط به بالاکمالکترومغناطیسیزیادمتوسطمتوسطمتوسطپیزوالکتریککمبزرگخیلی کمزیادمتوسط به بالاکمالکترو- حرارتی
ساختار مکانیکی سویچ میکروالکترومکانیکی
بررسی ساختار بیم یک طرف ثابت:
ساختار بیم یک طرف ثابت در جاهایی استفاده میشود که امکان استفاده از بیم دو طرف ثابت نباشد. نمونهای از آن سوئیچهای سری در مسیر خط انتقال میباشد اما در نوع دیگر آن، سوئیچ در مسیر خط انتقال نیست.
از آنجا که بیم یک طرف ثابت از یک طرف رها میباشد، ثابت فنری آن فاقد استرس پسماند میباشد. ثابت فنری بیم یک طرف ثابت با استفاده از همان روند طی شده در محاسبه ثابت فنری بیم دو طرف ثابت بدست میآید. ثابت فنری که در اثر اعمال نیرویی یکنواخت روی تمام سطح بیم بدست میآید برابر است با:
اما اگر نیرو در فاصله x تا L روی بیم اعمال میشود رابطه ثابت فنری به صورت زیر میشود :
در شکل زیر ثابت فنری برای دو ماده طلا(Au) وسیلیکن نیترات (SiN) که برای ساخت بیم متحرک از آنها استفاده میشود با استفاده از رابطه بالا با هم مقایسه شدهاست
با مقایسه شکل بالا و شکل متناظر در ساختار بیم دو طرف ثابت مشاهده میشود ثابت فنری بیم یک طرف ثابت بسیار کمتر از ثابت فنری بیم دو طرف ثابت میباشد.
بررسی ساختار بیم دو طرف ثابت:
ثابت فنر:
اگر در عملکرد ساختار، محدودیت نوسانات کوچک داشته باشیم همانگونه که در اکثر ابزارهای RF MEMS چنین شرایطی داریم ، رفتار مکانیکی می تواند به وسیله یک ثابت فنر خطی K (N/m) مدل شود در این صورت انحراف مکانی (Δg) برای یک یک beam دو طرف ثابت یا یک طرف ثابت در صورت اعمال نیروی F به صورت زیر مدل می شود
F=K∆g
بیم های دو طرف ثابت معمولا به دلیل داشتن ثابت فنر بالا و سادگی ساخت مورد استفاده قرار می گیرند ثابت فنر برای بیم های دو طرف ثابت به دو بخش مدل می شود. یک بخش ان k1 بیانگر سختی ماده می باشد و به میزان یانگ مدولوس و اینرسی بستگی دارد و یک بخش دیگر آن k2 می باشد که ناخاسته می باشد و در فرآیند ساخت به وجود می آید
ثابت فنر بیم دو طرف ثابت با نیروی وارد شده مطابق شکل زیر بنا به معادلات ذکر شده درمنابع بدست می اید
901065116840
819150147320
-164465337185
3604895128905
-68414248229
800100323850که در آن l طول بیم ، MA گشتاور عکس العمل در گوشه سمت راست و RA گشتاور عمودی در گوشه سمت راست می باشد ،ممان اینرسی برای سطح متقاطع مستطیلی با رابطه بدست می اید که W پهنا و t ضخامت بیم می باشد
در کاربردهای MEMS بار معمولا در سطح بیم چخش می شود و انحرافات مرکز بیم را به عنوان عامل تعیین کننده در ثابت فنر در نظر می گیرند پس با جایگزین کردن x=l/2 در رابطه بالا میزان انحراف در مرکز به دست می آید برای پیدا کردن انحراف در بار توزیع شده اصل بر هم نهی برقرار می باشد . برای مثال برای زمانی که بار در کل سطح بیم پخش شده باشد میزان انحراف با محاسبه انتگرال زیر به دست می اید:
31324968415
1885950-4445503872514605265430631190که در آن بار واحد طول می باشد بنابراین کل بار از رابطه بدست می اید از انجاییکه ساختار متقارن است بازه انتگرال از l/2 تا l حساب شده و دو برابر شده است
257175390525
466725175260ثابت فنر از رابطه زیر بدست می اید :
0-1047751495425-571503535680-95254419600-95250شکل فوق تغییرات را بر حسب برای بیم طلا نشان می دهد نمودار
4412615960755-14287546355تغییرات برای بیم الومینیومی هم مشابه نمودار فوق می باشد با این تفاوت که برای الومینیوم می باشد . عموما در ساختار ها طول بیم بین رنج 200 – 500 um و ضخامت بیم بین 0.5 – 2 um می باشد بنابرای یک بیم از جنس طلا با طول 300 um و ضخامت 1 um و w = 100 um ثابت فنر در حدود دارد و اگر همین ابعاد بیم ولی از جنس آلومینیوم داشته باشیم k= 8.2 N/m بدست می آید و اگر ضخامت بیم را تا 2 um افزایش دهیم ثابت فنر تا 76 N/m برای طلا و 65 N/m برای الومینیوم افزایش می یابد
56769048260
63817559055
475421728814نیروی وارد شده مطابق شکل بالا ممکن است به طور یکنواخت روی مرکز بیم دو طرف ثابت وارد شود در این حالت انتگرال بالا باید از l/2 تا x محاسبه شود عبارت کلی برای ثابت فنر در این حالت به صورت زیر می باشد
ثابت فنر برای بار متمرکز در بیم زمانی که x= l/2 است مشخص می شود و برای بار توزیع شده در کل بیم زمانی که x=l که معادله مذکور در بالا را نتیجه می دهد مشخص می شود
511492527940نمودار برای بار توزیع شده روی 1/3 مرکز بیم در بالا رسم شده است همانطور که مشاهده می شود هرچه بار به سمت مرکز بیم تمرکز یابد ثابت فنر نسبت به حالتی که بار روی کل بیم بیم توزیع یابد کوچکتر می شود برای مثال تابت فنر برای بیم با ابعاد 300 * 1 * 100 um زمانی که بار روی 1/3 مرکز بیم تمرکز داشته باشد برای طلا به 5.2 N/m و برای الومینیوم به 4.5 N/m تنزل می یابد.
-3429001495425
حالت دیگر مطابق شکل فوق زمانی اتفاق می افتد که نیرو در دو انتهای بیم توزیع یابد در این صورت ثابت فنر با محاسبه انتگرال ذکر شده در بازه x تا l به صورت زیر بیان می شود
109247653064137858556515
3581400402590شکل فوق ثابت فنر محاسبه شده برای بیم طلا با روابط فوق را بر حسب x/l نشان می دهد در نمودار بالا
254317519685ثابت فنر در حالت x/l=0.5 برای و x/l=1 برای با هم برابرند زیرا در این دو حالت سایر نیرو وارد شده روی کل بیم توزیع می شود
همانگونه که انتظار می رفت تمرکز نیرو در دو طرف بیم نسبت به مرکز آن ثابت فنر بزرگتری (جابه جایی کمتری ) را از خود نشان می دهد
انحنای بیم به علت یکسان نبودن استرس در طول آن :
یکی از اثرات اجتناب ناپذیر نشاندن لایههای نازک، یکسان نبودن میزان استرس ماده در قسمتهای مختلف لایه است. در بسیاری از طراحیها، کاهش این اثر بسیار مهم میباشد. زیرا سبب انحنای ساختار در یک جهت میباشد. یکی از دلایل ایجاد این اثر، استفاده از چند لایه با استرس متفاوت در ساخت بیم است. مثال آن، اثر متفاوت بودن استرس دو ماده است که در ساخت بیم یک طرف ثابت استفاده شده است و در شکل زیر مشاهده میشود..
میزان انحنایی که در لبه بیم ناشی از استفاده از دو ماده با استرس متفاوت ایجاد می شود با رابطه زیر محاسبه شده است :
، طول بیم و ضخامت دو لایه استفاده شده در ساخت بیم و نیز استرس دو ماده می باشد. با تعریف یانگ مدولوس میانگین برای دو ماده با رابطه زیر، می توان میزان انحنا را محاسبه کرد:
مثال این رابطه استفاده از دو ماده طلا و نیترات در ساخت بیم متحرک با ضخامت های 0.5 و 1.5 میکرومتر می باشد. اگر طول بیم 150 میکرومتر و و با در نظر گرفتن اینکه:
میزان جابه جایی در حدود 0.4 میکرو متر است که برای غالب سویچ ها که فاصله هوایی آن ها در حدود 2 تا 3 میکرون است، این مقدار بر عملکرد سویچ بسیار اثر می گذارد.
ثابت فنر ناشی از استرس پس ماند :
ان بخش از ثابت فنر که به دلیل استرس پس ماند دو طرف روی بیم تشکیل می شود به صورت سیم کشیده شده به صورت زیر مدل می شود
-3524251856740
2284730649605باید دقت شود که این مدل فقط برای استرس کششی مدل می شود استرس پس ماند دو طرفه δ ، نیروی S را نتیجه می دهد
که به دو طرف بیم وارد می شود . ν ضریب پواسون می باشد . وقتی نیروی عمودی P وارد می شود ، بیم به مقدار u در محل اعمال نیرو منحرف می شود این انحراف بیم را می کشد که منجر به افزایش استرس در بیم می شود همچنین نیروی اعمال شده به گوشه ها به اندازه زیر زیاد می شود
615315128270
Δ1 , Δ2 طول هایی هستند که در اثر کشش بیم در دو طرف محل اعمال نیروی عمودی P پدید آمده اند و مقدار آنها با توجه به شکل بالا برابر است با :
122416143123
766472435113با برابر قرار دادن نیروی اعمالی P با نیرو های وارد شده به بیم در جهت عمودی و با فرض انحراف کوچک معادله زیر برای u بدست می اید
456372417416در رابطه فوق نیروهای اضافی ناشی از Δ1 , Δ2 و در نظر گرفته نشده است بنابراین انحراف در مرکز بیم(x=l/2) به دست می آید
2348230336550
میزان انحراف برای بار توزیع شده روی کل سطح بیم از رابطه زیر بدست می اید
265430157480
12241782771
اثر حفره ها روی سطح بیم :
34036001036320در بسیاری از ورکتورها و سوئیچ های MEMS حفره هایی با قطر کوچک حدود 3-8 um روی سطح بیم ایجاد می کنند تا اثر دمپینگ را کاهش دهند همچنین زمان سوئیچینگ را در سوئیچ های MEMS افزایش دهند. الگوی سوراخ گذاری ها به وسیله ضریب پیوند تعیین می شود
-7905751717040
4806950725805495300478155حفره ها تاثیر استرس پسماند را کم می کنند و همچنین ضریب یانگ مدولوس را در ساختار MEMS کاهش می دهند کاهش استرس پسماند تقریبا برابر است با ، استرس پسماند بدون حفره می باشد
یانگ مدولوس تا 25 درصد برای u=0.625 کاهش می یابد حفره ها همچنین جرم ساختار را سبکتر می کند لذا این توانایی را به ساختار می دهد تا فرکانس رزونانس بالاتری داشته باشد
بنابراین حفره ها اثرات زیر را از خود نشان می دهند
1- فرآیند ساخت را اسان تر می کند (لایه قربانی را حتتر از بین می رود)
2- اثر دمپینگ هوا را کاهش می دهد
3- سرعت سویچینگ سویچ های ممزی را افزایش می دهد
4- اثر استرس پسماند را کمتر می کند
5- یانگ مدولوس ساختار MEMS را کاهش می دهد
6- مقدار خازن را کمتر می کند در نتیجه ایزولیشن بهتری خواهیم داشت
ثابت فنر برای بیم های با K کوچک :
تکنیک های زیادی وجود دارند تا بتوان ثابت فنر را در ساختار های MEMS کاهش دهند . که چند نمونه از پرکاربردترین روشها در شکل زیر نشان داده شده اند و معادله مربوط به ثابت فنر آنها در ادامه اورده شده است باید دقت داشت که در معادلات زیر اثر استرس پسماند در نظر گرفته نشده است
3644845228159
-361950112395
-857250201295
10604503334385
-9525026035N در رابطه بالا تعداد میندر ها(meander) و مدول پیچش ، اینرسی ، و j ثابت پیچش به صورت زیر می باشد:
991014261123
1619250228600در شکل بالا برای زمانی که la<
2 زمان استقرار طولانی را وقتی که بیم رها شود نتیجه می دهد
محاسبه زمان سوئیچینگ :
مدت زمانی که طول می کشد تا بیم متحرک کل مسیر فاصله هوایی را طی کند را زمان سوئیچینگ می نامند که با توجه به معادله جابه جایی بیم به دست می آید
1152525264795شکل زیر این زمان را برای Q های مختلف نشان می دهد
در شکل بالا برای Q بین 0.5 تا 2 کاهش قابل ملاحظه ای برای زمان سویچینگ داریم در حالیکه برای Q>2 این کاهش ناچیز می باشد
457200361950برای بیم های با ضریب دمپینگ کوچک و Q>2 معادله حرکت به صورت زیر تبدیل می شود
390525321310در این صورت ts به صورت زیر به دست می آید
1155700-704850
شکل فوق زمان سوئیچینگ را برای مقادیر مختلف Vs نشان می دهد با توجه به رابطه بالا با افزایش Vs زمان سوئیچینگ کاهش می یابد
523875367665برای سیستم های با دمپینگ بالا و Q<0.5 معادله حرکت به صورت زیر تبدیل می شود
3098800299085
1809750564515که در آن می باشد در این شرایط زمان سوئیچینگ از رابطه زیر به دست می آید
با توجه به شکل و معادله بالا وقتی Q را کاهش دهیم
زمان سوئیچینگ افزایش می یابد که مطلوب نیست
150812563500
راهاندازی الکترواستاتیکی :
هنگامیکه ولتاژ بین بیم متحرک و الکترود (هادی) ثابت زیرین آن اعمال میشود نیروی الکتروستاتیکی به بیم اعمال میشود. برای تقریب این نیرو، بیم و الکترود زیرین آن با یک خازن با صفحات موازی مدل میشود. با در نظر گرفتن آنکه عرض بیم ، w و عرض الکترود زیرین آن W است (A=Ww) ظرفیت خازن شکلگرفته برابر میشود با
g فاصله بیم تا الکترود زیرین آن میباشد.
بنابراین نیروی الکتروستاتیکی اعمال شده به بیم به صورت زیر قابل محاسبه است
V ، ولتاژ اعمال شده بین بیم و الکترود زیرین آن میباشد.
نیروی الکترواستاتیکی به شکل یکنواخت روی سطح بیم اعمال میشود بنابراین با استفاده از رابطه ثابت فنری ساختار که در بخش قبل محاسبه شد، میتوان میزان جابهجایی بیم را از طریق معادله بالا محاسبه کرد. توجه به این نکته ضروری است که ثابت فنری مربوط به، جابهجایی انجام شده در محمل اعمال نیرو باید لحاظ شود. با برابر قرار دادن نیروی الکتروستاتیکی با نیروی مکانیکی بازدارنده به علت سختی بیم، (F=kx) ، داریم:
g0 ،فاصله بیم از الکترود زیرین در زمانی می باشد که هیچ ولتاژی اعمال نشده است. در نتیجه تساوی بالا رابطه ای به شکل زیر بدست می آید که میزان ولتاژ اعمالی و فاصله هوایی (به نوعی میزان جا به جایی بیم) را با هم مرتبط می سازد:
g،فاصله بین بیم با الکترود زیرین آن تحت اعمال ولتاژ میباشد که به آن فاصله هوایی میگویند. منحنی فاصله هوایی بیم برحسب ولتاژ اعمالی در شکل زیر نمایش داده شدهاست. همانطور که در شکل مشاهده میشود فاصله ساختار دچار ناپایداری شده و مسیر منحنی قطع میشود.
این مطلب را میتوان با بررسی نیروی الکتروستاتیکی بر حسب میدان الکتریکی اعمال شده به بیم بررسی کرد
Q بار روی بیم و ، میدان الکتریکی ناشی از ولتاژ اعمالی V است هنگامی که ولتاژ زیاد میشود به علت افزایش بار، نیروی الکتروستاتیکی اعمال شده به بیم افزایش مییابد. در افزایش نیروی الکتروستاتیکی بیشتر از افزایش نیروی بازدارنده میشود و در نتیجه بیم دچار تزلزل میشود و به یکباره فرو میریزد.
با استفاده از رابطه ولتاژ و فاصله هوایی، ولتاژی که به ازای آن در ،ساختار فرو میریزد به صورت زیر بدست می آید .
، ولتاژ راه اندازی سویچ می باشد.
شکل زیر، ولتاژ راه اندازی را برای ساختار پل(دو طرف ثابت) از جنس طلا وآلومینیوم با استرسهای صفر و 30و60 که با توجه به روابط بدست آمده را، نشان میدهد.
در شکل زیر همین منحنی برای بیم یک طرف ثابت بدست آمده و از آنجا که ثاب فنری آن کوچکتر از ساختار پُل است، به طور متناظر در ارتفاعهای معین، ولتاژ راه اندازی کمتری دارد.
ولتاژ لازم برای پایین نگه داشتن بیم متحرک:
سوئیچهای میکروالکترومکانیکی از 1000 تا 2000 آنگستروم لایه عایق بین بیم و الکترود زیرین آن برای ایزوله کردن انها هنگامی که سوئیچ وصل است استفاده میکنند. هنگامی که با اعمال ولتاژ راه اندازی، سویچ وصل می شود یعنی بیم متحرک بر روی الکترود ثابت زیر آن فرو می ریزد این تصور را ایجاد می کند که با کاهش مقدار ولتاژ از مقدار راه اندازی دوباره بیم به بالا و حالت اولیه خود بر می گردد. ولی در محاسبات زیر نشان داده می شود که در حالت وصل هم ظرفیتی خازنی خواهیم داشت زیرا در حدود 0.3 تا 0.6 میکرومتر فاصله هوایی بین بیم و الکترود ثابت زیر آن وجود دارد. اگر محاسبات انجام شده درمحاسبه ولتاژ راه اندازی را در این جا نیز تکرار کنیم مرز ولتاژی که به ازای ولتاژهای کمتر از آن، سویچ قطع می شود کم تر از مقدار ولتاژ راه اندازی است. این ولتاژ را ولتاژ پایین نگه دارنده می نامند.
ظرفیت خازنی ساختار با در نظر گرفتن لایه عایق برابر خواهد بود.
فاصله بین بیم و الکترود ثابت ، می باشد که در حدود 0.3 تا 0.6 میکرومتر است.
و به ترتیب ضخامت و ضریب دیالکتریک لایه عایق میباشند. نیروی الکتروستاتیکی بین بیم و الکترود ثابت زیرین به صورت زیر بدست میآید.
ناهمواریهای سطح تماس باعث کاهش ظرفیت خازنی میشود لذا به طور تجربی ضریبی به نام ، تعریف می کنند تا این اثر در رابطه لحاظ شود.
مدل مکانیکی ساده از نیروی بازدارنده که بر روی بیم اعمال میشود عبارت است از:
. Ke ،ضریب فنری معادل است.
برای آنکه سوئیچ در حالت وصل باقی بماند نیروی الکتروستاتیکی باید از نیروی بازدارنده مکانیکی بزرگتر باشد بر این اساس حداقل ولتاژ پایین نگه دارنده به صورت زیر بدست میآید:
در شکل زیر منحنی تغیرات ولتاژ پایین نگه دارنده به ازای ثابتهای فنری مختلف دیده میشود.
سوئیچ های خازنی خود راه انداز:
در سوئیچهای خازنی به علت آنکه سطح تماس بین بیم و خط انتقال زیاد میباشد توان منتقل شده روی خط، روی سوئیچ اثرگذار است ولی در سوئیچهای نوع اتصال اهمی به علت آنکه این سطح تماس بسیار کم است، توان عبوری از سوئیچ، روی آن تاثیر گذار نیست.
اما منظور از تاثیر گذار بودن توان عبوری از خط انتقال بر روی سویچ چیست؟
یک سوئیچ خازنی موازی را در نظر بگیرید فرض کنید روی خط انتقال منبع سینوسی با فرکانس و دامنه Vpk جاری میباشد در سوئیچ موازی به علت آنکه خازن حالت قطع سوئیچ، بسیار کوچک است ضریب انعکاس سوئیچ ناچیز است ((V- << V+
درنتیجه ولتاژ روی سوئیچ برابر است با :
P ، توان سیگنال و Z0 ، امپدانس مشخصه خط انتقال است. نیروی الکترواستاتیکی اعمال شده به سویچ در اثر ولتاژ روی خط برابر است با:
Vdc-eq ، ولتاژ ثابت معادل ناشی از توان روی خط انتقال است.از آنجا که سویچ به فرکانس2 پاسخ نمی دهد(زیرا این فرکانس بسیار بالاتر از فرکانس رزونانس سویچ است) لذا خواهیم داشت :
بنابراین اگر توان عبوری به اندازه کافی بزرگ باشد به طوری که ولتاژ ثابت ایجاد شده از ولتاژ راه اندازی بیشتر باشد باعث راهاندازی سوئیچ میشود. از این خاصیت برای محدود کردن توان ارسالی از خط انتقال استفاده میشود در این حالت ماکزیمم توانی که میتواند از خط عبور کند برابر است با:
در سوئیچ خازنی سری به علت آنکه خواهیم داشت:
ولتاژ ثابت معادل برابر خواهد بود با :
در نتیجه :
بنابراین ماکزیمم توانی که از طریق سوئیچ خازنی سری میتواند منتقل شود 4/1 توان عبوری از سویچ موازی است.
اثر تغییر دما روی عملکرد سویچ:
مهمترین اثر تغییر دما تغییر استرس ذاتی بیم میباشد که به نوبه خود ثابت فنری را تغییر میدهد. به عنوان مثال در بیم دو طرف ثابت با تغییر دما در محدوده 20- تا 85 درجه سانتیگراد، ثابت فنری در حدود تغییر میکند که باعث تغییر در مقدار ولتاژ راه اندازی میشود.
اثر نیروهای صوتی و اعمال شتاب بر روی سوئیچ :
الف- میزان انحنای بیم به علت شتاب داده شده به آن برابراست با:
m ، جرم بیم می باشد. سوئیچهای میکروالکترومکانیکی به علت آنکه ثابتهای فنری بزرگ و جرم کمی دارند به شتاب حساس نمیباشند. مثال آن، بیمی از جنس طلا با طول و عرض و ضخامتی به ترتیب برابر 300 و 100و 1 میکرومتر که دارای جرمی برابر با است ، تحت شتاب جاذبه زمین یعنی g = 9.8 m/s2 قرار داده شده است میزان انحنای بیم در اثر این شتاب در حدود 0.57 نانومتر است که مقدار بسیار ناچیزی می باشد.
ب- میزان انحنای ناشی از نیروی صوتی برابر است با :
P فشار صوتی اعمال شده روی بیم و A سطح بیم است.
به عنوان مثال برای فشار Pa0.1 که معادل فشار صوت dB74 و سطح نیروی حاصل است که باعث انحنای در ثابت فنری N/m10 میشود.
بنابراین شتاب و فشار امواج صوتی پیرامون سوئیچ ، تاثیر قابل توجهی روی عملکرد آن نخواهد داشت.
مدل مداری سویچ میکروالکترومکانیکی
مدل مداری سویچ میکروالکترومکانیکی سری :
در شکل زیر یک سویچ سری که در مسیر خط انتقال سیگنال قرار دارد به همراه مدل مداری آن مشاهد می کنید.
در مدل بالا ، به ترتیب امپدانس مشخصه خط انتقال و بیم می باشند. ، خازن بین خط انتقال و بیم و ، خازن بین دو سر خط انتقال است. بدین ترتیب ظرفیت خازنی حالت قطع سویچ برابر است با:
مقدار این خازن برای امواج با طول موج میلی متری در حدود 2 تا 6 فمتو فاراد می باشد.
در حالتی که سویچ وصل می شود مدل سویچ یک مدل مقاومتی _ سلفی به صورت زیر می شود :
، به ترتیب مقاومت ناحیه اتصال، مقاومت بیم و تلفات خط که به شکل مقاومت مدل شده است، می باشد.، اندوکتانس خط انتقال است. لذا مقاومت حالت وصل سویچ را به صورت زیر داریم:
مقدار این مقاومت در حدود 1 تا 2 اهم می باشد.
مدل مداری سویچ موازی :
638175113030
هدف از ارائه مدلی برای سویچ ، محاسبه پارامترهایی همچون تلفات، ایزولاسیون و تلفات برگشتی می باشد. تلفات برای سویچ در حالت وصل ، ایزولاسیون در حالت قطع و تلفات برگشتی برای هر دو حالت قطع و وصل تعریف می شود.
پارامترهای پراکندگی ( S- Parameter ) :
اگر به سویچ به عنوان المان دو قطبی نگاه کنیم، هنگامی که در فرکانس های بالا کار می کنیم، اندازه گیری ولتاژ و جریان و تحقق شرایط اتصال کوتاه و مدار باز دشوار است است. لذا نمی توانیم از مدل های امپدانسی ، ادمیتانسی و ... در توصیف رفتار المان دوقطبی مورد نظر استفاده کنیم. در این حالت از ماتریس دوقطبی به نام ماتریس پراکندگی استفاده می کنیم که اعضای آن به جای آن که معرف رابطه ولتاژها و جریان ها باشد، تبادل توان ها را در دو طرف دوقطبی بیان می کنند.
: ضریب انعکانس ورودی است و به نوعی بیان کننده آن است که چه مقدار از توان ورودی به دوقطبی از آن منعکس شده است.
: ضریب انتقال از ورودی به خروجی می باشد و نشان می دهد چه مقدار از توان ورودی به دو قطبی از آن عبور کرده و به سمت خروجی منتقل شده است.
به همین ترتیب دو پارامتر دیگر برای سمت خروجی تعریف می شوند.
محاسبه تلفات :
با توجه به شکل زیر هنگامی که توان روی خط انتقال به سویچ می رسد اگر سویچ هیچ تلفاتی نداشته باشد، بخشی از توان از سویچ عبور کرده و بخش دیگر آن منعکس می شود
. اما اگر سویچ دارای تلفات باشد مقدار ی از توان ورودی در سویچ تلف می شود. تلفات در سویچ به شکل زیر تعریف شده است:
از آن جا که در سویچ سری در حالت وصل، توان انعکاسی بسیار ناچیز است، خواهیم داشت :
همانطور که مشاهده می شود، تلفات با پارامتر متناسب است. حال اگر مدل سویچ در حالت وصل را به صورت زیر در نظر بگیریم:
محاسبه تلفات برگشتی:
تفات برگشتی اشاره به مقدار توان برگشتی دارد و ناشی از عدم تطابق امپدانس مشخصه سویچ و امپدانس مشخصه خط انتقال می باشد که به صورت زیر تعریف می شود.
= تلفات برگشتی
که برای یک سویچ وصل به با توجه به مدل ارائه شده در بخش محاسبه تلفات برابر است با:
این تلفات برای حالت قطع هم قابل محاسبه است. در شکل زیر منحنی تغییرات هر دو نوع تلفات بیان شده بر حسب فرکانس را مشاهده می کنید.
محاسبه ایزولاسیون :
برای سویچ در حالت باز (قطع)، ایزولاسیون نیز با پارامتر بیان می شود.
= ایزولاسیون
و به صورت زیر محاسبه می شود :
در حالت قطع، سویچ رفتاری خازنی دارد. بنابراین با افزایش فرکانس امپدانس کمتر شده و در نتیجه عبارت بزرگتر می شود. اما چون مقدار در هر صورت کوچکتر از یک است، با افزایش فرکانس منحنی به سمت مقدار صفر دسی بل حرکت می کند. هرچه مقدار ایزولاسیون بیشتر باشد منحنی به سمت مقادیر منفی تر حرکت می کند.
سوئیچ های جانبی:
در شکل زیر ساختار یک سویچ جانبی را مشاهده می کنیم.
نمای بالانمای روبرو
در ساختار بالا بیم در یک سمت ثابت شده است و سر دیگر آن که رها است با حرکت افقی امکان عبور و قطع مسیر سیگنال را فراهم می آورد. خطوط زمین شده در طرفین بیم برای جلوگیری از افزایش بیش از حد امپدانش مشخصه سویچ می باشند. فاصله بیم با این خطوط در حدود 20 تا 30 میکرو متر می باشد. در این ساختار خط زمین شده ای که در فاصله کمتری از بیم قرار دارد در نقش الکترود ثابت می باشد.با اعمال ولتاژ بین آن و بیم، امکان جا به جایی بیم فراهم می شود. همان طور که مشاهده می شود ابعاد این نوع سویچ ها از سویچ های عمودی که در فصل های گذشته بررسی کردیم، بزرگ تر می باشد .این مساله قابلیت مجتمع سازی آن ها را کاهش می دهد.
مدل مداری سوئیچ جانبی :
شکل زیر، مدار معادل سوئیچ جانبی را نشان میدهد که شامل امپدانس مشخصه Z0 برای ورودی و خروجی خط انتقال، مقاومت سوئیچ R1 و خاصیت سلفی آن L خازن سری Cs حالت قطع و مقاومت اتصال R2 (حالت وصل) و خازن تزویج موازی Cg است
با استفاده از مدل T برای ساختار ضریب S21 را میتوان به شکل زیر محاسبه کرد:
در حالت قطع، خازن Cs فاکتور مهم و تاثیر گذار روی ایزولاسیون میباشد.
در نتیجه مقدار ایزولاسیون سوئیچ را با عبارت زیر میتوان تقریب زد:
شکل زیر منحنی تغییرات ایزولاسیون به ازای تغیرات Cs را نشان میدهد.همانطور که مشاهده می کنید با کاهش Cs مقدار ایزولاسیون بیشتر میشود.
در حالت وصل، تلفات و تلفات برگشتی را میتوان به شکل زیر بیان کرد:
در فرکانس پایین که خواهیم داشت :
شکل زیر نتایج شبیه سازی تلفات سویچ در حالت وصل به ازای مقادیر متفاوت () را نشان می دهد. با توجه به نمودار مشاهده می شود که با کاهش ()، میزان تلفات کمتر و تلفات برگشتی کمتر می شود. با افزایش ضخامت بیم، مقاومت کاهش و تلفات بهبود می یابد.
طراحی مکانیکی:
شکل زیر، ساختار یک سویچ جانبی را نشان می دهد.
آن چه که در طراحی سویچ مدنظر است، کاهش ولتاژ راه اندازی می باشد. هنگامی که ولتاژ ثابت بین بیم و الکترود ثابت (که یکی از خطوط زمین شده می باشد.) اعمال می شود، نیروی الکترواستاتیکی ، بیم را به سمت الکترود ثابت می کشاند. اگر جابه جایی بخش OA و AC از محل اولیه خود به ترتیب باشد، نیروی الکترواستاتیکی برابر است با:
هنگامی که بیم ، جابه جا می شود یک نیروی بازدارنده به آن اعمال می شود که تمایل دارد آن را به موقعیت اولیه خود برگرداند. این نیروی بازدارنده را در انتهای الکترود بخش AB ، می توان به شکل زیر بیان کرد:
K ، ثابت فنری معادل برای بیم است.
منحنی به صورت تابعی از جابه جایی نرمالیزه شده () در شکل زیر نشان داده شده است. از آن جا که برای یک ساختار مشخص، k مقدار ثابتی دارد لذا منحنی ، یک خط و منحنی ، یک هذلولی می باشد. در ولتاژ راه اندازی () دو منحنی با هم مماس می شوند و در مقادیر بزرگتر از آن دو منحنی هیچ تماس با یکدیگر ندارند.
آشنایی با سویچ SPDT (single-pole double-throw) :
سویچ میکروالکترومکانیکی ، نه تنها به عنوان قطعه ای به تنهایی کاربرد دارد، بلکه به عنوان بلوکی پایه ای در مدارات پیچیده مثل شیفت دهنده های فاز، فیلترهای قابل تنظیم و خطوط انتقال قابل تنظیم نیز کاربرد گسترده ای دارد. یک سویچ SPDT ، نمونه ای از سویچ های چند دریچه ای است که بخش غیرقابل تفکیک در بسیاری از سیستم های مایکروویو می باشد.
نحوه کار سویچ :
این سویچ ها معمولا برای تعیین مسیر سیگنال ورودی بین دو دریچه خروجی استفاده می شوند.به گونه ای که در یک مسیر، سیگنال به خروجی متصل و در مسیر دیگر قطع می باشد و یا در یک مسیر، سیگنال به خروجی راه دارد و در مسیر دیگر، خط سیگنال، زمین می شود.
شکل زیر نحوه چینش سویچ ها را در یک سویچ SPDT نشان می دهد.
هنگامی که هر دو سویچ در حالت باز (قطع) هستند، سیگنال از طریقه دریچه (2) عبور داده شده و لی از دریچه (3) ، سیگنالی عبور نمی کند. اما هنگامی که با اعمال ولتاژ هر دو سویچ وصل می شوند، سیگنال از دریچه(3) عبور می کند.
بررسی مساله چسبندگی در سویچ های میکروالکترومکانیکی :
یکی از مسائل مربوط به قابلیت اطمینان در سویچ، چسبندگی بین الکترود ثابت و متحرک می باشد. همانطور که گفتیم سویچ میکروالکترومکانیکی از لحاظ نحوه اتصال به دو نوع با اتصال اهمی و خازنی تقسیم می شود. چسبندگی هنگامی رخ می دهد که با قطع ولتاژ اعمالی، الکترود متحرک از الکترود ثابت جدا نشده و به حالت اولیه خود (حالت قطع) بر نمی گردد. در سویچ الکترواستاتیکی ولتاژی بین دو الکترود اعمال می شود. با افزایش ولتاژ، الکترود متحرک به سمت الکترود ثابت کشیده شده و در ولتاژ راه اندازی به یکباره بر روی آن فرو می ریزد. در نوع خازنی برای جلوگیری از اتصالدو الکترود، عایقی روی الکترود ثابت قرار داده شده است. از لحظه ای که ولتاژ بین دو الکترود اعمال می شود، بارهای الکتریکی از الکترود ثابت به لایه عایق روی آن منتقل می شود. همچنین هنگامی که الکترود متحرک هم فرو می ریزد و روی لایه عایق قرار می گیرد مقداری بار بر روی عایق تزریق می کند.اغلب اوقات مقدار بار به دام افتاده در لایه عایق به مقداری می باشد که می تواند بایاس موثری را بین دو الکترود ایجاد کند که مقدار آن بیشتر از حداقل ولتاژ پایین نگه دارنده سویچ است. بنابراین وقتی میزان ولتاژ اعمالی را از ولتاژ پایین نگه دارنده سویچ می کنیم با آنکه انتظار داریم الکترود متحرک از الکترود ثابت جدا شود، اتصال همچنان باقی می ماند.
علت دیگر چسبندگی، نیروی کشش سطحی بین قطرات مایع موجود در سطح تماس الکترودها می باشد. دو عامل را برای وجود قطرات مایع روی سطوح تماس می توان بیان کرد. یکی ضعف در فرآیند خشک کردن در پروسه ساخت می تواند باشد و عامل دیگر، بسته بندی ضعیف سویچ است که باعث ورود ذرات مایع معلق در هوا به داخل سویچ می شود.
نوع دیگر چسبندگی مربوط به اتصال اهمی می باشد. در این نوع سویچ که از اتصال اهمی برای داشتن مسیر انتقال سیگنال با امپدانس کم استفاده می شود، وجود ناهمواری های سطح تماس و اصطکاک بین سطوح تماس، باعث ایجاد جوش میکرونی در نقاط مختلف تماس دو سطح می شود.
روش های کاهش چسبندگی:
به طور کلی نیروی بازدارنده مکانیکی در سویچ میکروالکترومکانیکی متناسب با میزان سختی ساختار است. مثال آن، ساختار بیم یک طرف ثابت را در نظر بگیرید که رابطه زیر در آن برقرار است:
با توجه نیروی بازدارنده مکانیکی، با افزایش جرم بیم یا انتخاب مناسب می تواند افزایش یابد. در حالت ایده آل بیمی با اندازه کوچکتر ، پهن تر و ضخیم تر، نیروی بازدارنده بیشتری دارد. از طرفی با بالا رفتن سختی بیم نیاز به ولتاژ راه اندازی بالاتری می باشد.بنابراین تغییر ابعاد و یا انتخاب نوع مواد باید به گونه ای انجام شود که ولتاژ راه اندازی و زمان سویچینگ مناسبی بدست آید. لذا مصالحه ای بین چندین پارامتر باید انجام شود.
از طرفی نیروی چسبندگی بین سطوح تماس به میزان سطح تماس نیز بستگی دارد لذا با کاهش سطح تماس می توان نیروی چسبندگی را کاهش داد. یکی از طراحی های ارائه شده را در شکل زیر مشاهده می کنید. در این ساختار، الکترودها طوری طراحی شده اند که کم ترین سطح تماس را داشته باشند.
روش دیگر کاهش سطح تماس، ایجاد حفره هایی روی سطح بیم است.
روش دیگری که برای حذف چسبندگی ارائه شده است ، ساختارهایی می باشند که بدون تماس الکترودها، انتقال سیگنال را میسر می سازند. برای این منظور سویچ های شانه ای که حرکت الکترود های آن در راستای افقی است، طراحی شده اند. سویچ زمانی روشن می شود که الکترودها در فاصله بسیار کمی از هم قرار بگیرند. نقص این ساختار، فضای زیادی است که روی ویفر اشغال می کند..
یکی دیگر از ساختارهای موثر دیگری که برای غلبه بر اثر چسبندگی ارائه شده است، سویچ های چند وضعیتی می باشد. در این نوع سویچ ها، عمل قطع و وصل با الکترود های جداگانه ای انجام می شود. استفاده از الکترودهای اضافی، امکان غلبه بر نیروی چسبندگی را فراهم می کند.
پروسه ساخت:
پروسه ساخت و انتخاب مواد در ساخت ادوات میکروالکترومکانیکی باید با استانداردهای پروسه ساخت آی سی سازگاری داشته باشد. در حالت کلی، سویچ میکروالکترومکانیکی با ترکیبی از فرایندهای مربوط به ساخت مدار مجتمع و ماشین کاری سطحی ساخته می شود. اکثر سویچ های گزارش شده در مقالات با استفاده از پنج ماسک ساخته شده اند. موادی که برای ساختار اصلی سویچ و اتصالات موجود در ساختار استفاده می شود، تعیین کننده پارامترهای سویچ از جمله مقاومت ناحیه اتصال و میزان چسبندگی فلز و طول عمر آن می باشند.
علیرغم طراحی ها و پیاده سازی های مختلف ، گام های اساسی مشابه، در پروسه ساخت سویچ های میکروالکترومکانیکی را می توان به صورت زیر خلاصه کرد:
زیر لایه: زیر لایه ای با تلفات کم و مقاومت ویژه بالا به عنوان ماده اولیه در ساخت استفاده می شود مثال آن سلیکن یا اکسید های سیلیکن با مقاومت های ویژه بالا (بیشتر از ) می باشد.
خط انتقال : خط انتقال و خطوط ارتباطی با نشاندن لایه ای ضخیم ( 3 تا 5 میکرو متر ) مثل طلا ، مس، آلومینیوم پیاده سازی می شود. تکنیک های لایه نشانی با دمای کم از قبیل sputtering یا electroplating عموما برای نشاندن لایه فلزی ترجیح داده می شود. در اتصال خازنی ممکن است از یک یا تعداد بیشتری لایه (از جنس Ti، Al، Si ، TIN) برای کاهش مقاومت مسیر انتقال سیگنال استفاده شود.
لایه عایق : یک لایه عایق نازک (100 تا 300 نانومتر ) برای سویچ خازنی و ایزولاسیون بین دو الکترود سویچ نشانده می شود. برای این منظور پروسه ای با دمای کم لازم است. زیرا دمای بالا می تواند باعث آسُیب دیدن لایه های نشانده شده زیرین باشد. غالبا از سیلیکن نیترات و سیلیکن اکساید که با روش PECVD لایه نشانی می شوند به عنوان عایق استفاده می شود.
فاصله هوایی : گام بعدی نشاندن لایه قربانی و ایجاد طرح مورد نظرمان روی آن است. پلیمر ها به مانند فوتورزیست مثبت یا پلی آمید با ضخامت 2 تا 4 میکرون که با spin-coater نشانده می شوند، غالبا به عنوان لایه قربانی استفاده می شوند. ضخامت لایه قربانی، فاصله هوایی بین دو الکترود سویچ را بیان می کند.
بیم : الکترود متحرک با نشاندن 1 تا 2 میکرون لایه فلزی ضخیم روی لایه قربانی ایجاد می شود. برای بیم ، فلزی با هدایت بالا و پایداری دمایی بالا ترجیح داده می شود. در طراحی های موجود، غالبا از آلیاژهای آلومینیوم ، طلا و نیکل استفاده می شود.
گام آخر : حذف لایه قربانی با استفاده از پروسه مناسب .( تا مانع از ایجاد چسبندگی در ساختار شود). این پروسه در دماهای پایین باید انجام شود، مثلا در حالتی که فوتورزیست یا پلی آمید به عنوان لایه قربانی استفاده می شود از Dry etching در پلاسمای اکسیژن است.
گام های بالا، کم ترین تعداد گام های مورد نیاز برای ساخت یک سویچ خازنی که با نیروی الکترواستاتیکی راه اندازی می شود، می باشد. برای سویچ با اتصال اهمی مرحله نشاندن لایه عایق روی محل اتصال دو الکترود با نشاندن لایه فلزی مثل طلا جایگزین می شود.
نمونه ای از سویچ های ارائه شده در مقالات:
شکل زیر ساختار سوئچی را نشان می دهد که در آن بر خلاف سویچ هایی که ما بررسی کردیم، الکترود زیرین نقش الکترود متحرک را ایفا می کند. نویسنده مقاله با بیان اینکه، در این ساختار برای جابه جا کردن الکترود پایینی تنها لازم است بر نیروی وزن غلبه شود، اشاره به این نکته دارد که مقدار نیرو الکترواستاتیکی لازم برای غلبه بر نیروی وزن در این حالت کمتر از مقداری است که در ساختارهای متداول گذشته (اعمال نیرو به الکترود بالایی) برای غلبه بر نیروی حاصل از خاصیت فنری بیم لازم بود. نیاز به نیروی الکترواستاتیکی کمتر به معنای نیاز به ولتاژ راه اندازی کمتر می باشد. در نتیجه یکی از اهداف پیگیری شده در سویچ ها که کاهش ولتاژ راه اندازی می باشد با این ساختار محقق شده است.
مشخصات این سویچ عبارت است از:
ولتاژ راه اندازی کمت از 5 ولت
در فرکانس های حدود 50 گیگا هرتز
میزان تلفات و ایزولاسیون به ترتیب
برابر با 0.5 و 55 دسی بل می باشد.
زمان سویچینگ، 130 نانو ثانیه است.
عمر مفید و به عبارتی تعداد دفعات قطع
و وصل سویچ ، 200 بیلیون سیکل می باشد.
در شکل زیر یک سویچ اُپتیکی را مشاهده می کنید. سویچ های اُپتیکی در خطوط فیبر نوری استفاده می شوند و با فناوری سویچ های میکروالکترومکانیکی پیاده سازی می شوند. مکانیزم اعمال نیرو، به صورت الکترومغناطیسی می باشد. اگرچه زمان سویچینگ بدست آمده در این مقاله بسیار بزرگ است ولی ولتاژ اعمالی، بسیار ناچیز است که هدف مقاله هم کاهش سطح ولتاژ می باشد.
مشخصات سویچ:
ولتاژ راه اندازی کمتر از 0.5 ولت
تلفات اُپتیکی، برابر با 0.2 دسی بل
توان مصرفی در حدود 3.5 میلی وات
در شکل زیر، یک سویچ چند وضعیتی را مشاهده می کنید. در این ساختار بنا به بیان مقاله وابستگی بیم به انکرها کمتر و جابه جایی آن راحت تر انجام می شود. در نتیجه ولتاژ راه اندازی کمتری نیاز دارد. علاوه بر آن ویژگی بارز سویچ چند وضعیتی کاهش اثر چسبندگی و افزایش طول عمر سویچ می باشد.
مشخصات سویچ :
ولتاژ راه اندازی کمتر از 5 ولت
در فرکانس 10 گیگاهرتز میزان تلفات
و ایزولاسیون به ترتیب برابر است با 0.45
و 30 دسی بل .
شکل های زیر نتایج یک کار شبیه سازی را در ساختار جدیدی که برای کاهش ضریب فنری سویچ موازی ارائه شده را نشان می دهد. در این ساختار meander ها به صورت چرخشی قرار داده شده اند. با توجه به مقاله این نحوه قرارگیری با کاهش ثابت فنری ساختار می تواند باعث کاهش ولتاژ راه اندازی شود. نتایج سبه سازی ولتاژ حدود 1.5 ولت را نشان می دهد.
مراجع:
RF MEMS: Theory, Design, and Technology , Gabriel M. Rebeiz
RF MEMS Switches and Integrated Switching Circuits Design, Fabrication, and Test
“An RF-MEMS Switch With Low-Actuation Voltage and High Reliabili” ,Seong-Dae Lee, Byoung-Chul Jun, Sam-Dong Kim, Hyun-Chang Park, Member, IEEE, Jin-Koo Rhee, Senior Member, IEEE, and Koji Mizuno, Fellow, IEEE
“Design and Analysis of a Novel Low Actuation Voltage Capacitive RF MEMS Switches” Mingxin Song, Jinghua Yin, Xunjun He, Yue Wang School of Applied Sciences, Harbin University of Science and Technology, china
“Low Actuation Voltage Totally Free Flexible RF MEMS Switch With Antistiction System”
S. Touati1, N. Lorphelin1, A. Kanciurzewski, R. Robin, A.-S. Rollier, O. Millet, K. Segueni
“Low-Actuation-Voltage MEMS for 2-D Optical Switches” Hsin-Ta Hsieh, Chen-Wei Chiu, Tom Tsao, Fukang Jiang, and Guo-Dung John Su, Member, IEEE