بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
ارائه يک سوئيچ جديد MEMS به منظور کاهش اثر خودتحريکي و چسبندگي
چکيده - در اين مقاله يک ساختار جديد براي سوئيچ هاي يکروالکترومکانيکي نوع موازي ارائه شده است . مشخصه بارز سوئيچ پيشنهاد شده ايزوله شدن بخش مرکزي بازو از زمين است ، که باعث کاهش پديده هاي خودتحريکي و چسبندگي (به دليل ولتاژ موثر حاصل از سيگنال - هاي با توان بالا) در اين ساختار شده است . کاهش پديده هاي خودتحريکي و چسبندگي در سوئيچ هاي ميکروالکترومکانيکي مي تواند باعث افزايش توان قابل حمل اين سوئيچ ها و همچنين افزايش قابليت اطمينان آنها در توان هاي بالا شود. از سوي ديگر ايزوله شدن بخش مرکزي باعث بهبود پارامترهاي پراکندگي در حالت عدم تحريک سوئيچ مي شود. . با توجه به نتايج شبيه سازي ، مقدار تلفات داخلي سوئيچ در حالت عدم تحريک، در فرکانس هاي GHz ۱۰ و GHz ۵۰ به ترتيب برابر با dB ۰.۰۲ و dB ۰.۱۸ است . از طرف ديگر مقدار ايزولاسيون اين سوئيچ در حالت تحريک برابر dB ۱۴ و dB ۳۰ در فرکانس هاي GHz ۱۰ و GHz ۵۰ مي باشد. نتايج ارائه شده در اين مقاله با استفاده از نرم افزارهاي HFSS و COMSOL به دست آمده است .
کليد واژه - توان هاي قابل حمل بالا، چسبندگي ، خودتحريکي ، سوئيچ MEMS، قابليت اطمينان
۱- مقدمه
سوئيچ هاي فرکانس بالاي ميکروالکترومکانيکي (MEMS) به دليل ايزولاسيون بالا، تلفات داخلي کم ، توان تلفاتي پايين و پهناي باند بالا رقيبي جدي براي سوئيچ هاي ديودي و ترانزيستوري به شمار مي روند. اين سوئيچ ها به دليل مشخصات مناسبي که از خود به نمايش مي گذارند، در بسياري از کاربردها از جمله وسايل بي سيم ، وسايل قابل حمل و غيره مورد استفاده قرار مي گيرند [۱]. سوئيچ هاي MEMS در کنار مزاياي ذکر شده داراي معايبي هم هستند. از جمله ي اين معايب مي توان به قابليت اطمينان پايين ، زمان سوئيچ زني زياد، توان قابل حمل کم و نياز به بسته بندي خاص اشاره کرد [۲].
يکي از مهمترين محدوديت هاي سوئيچ هاي MEMS، قابليت اطمينان پايين اين سوئيچ ها است . به همين دليل تحقيقات بسياري در جهت ساخت سوئيچ هاي با قابليت اطمينان بالا [۳-۱۴]. اگرچه عوامل متعددي مي توانند صورت گرفته است باعث کاهش قابليت اطمينان سوئيچ هاي MEMS شوند، اما باردار شدن لايه ي دي الکتريک مهمترين عامل محدود کننده ي قابليت اطمينان سوئيچ هاي MEMS نوع خازني در توان هاي کم (کمتر از mw ۱۰۰ ) است [۱]. با افزايش توان هاي عبوري از اين نوع سوئيچ ها عوامل ديگري همچون چگالي جريان ، پديده هاي خودتحريکي و چسبندگي (به دليل ولتاژ موثر حاصل از سيگنال - هاي با توان بالا) رفته رفته اهميت بيشتري پيدا مي کنند[۴]، به طوري که حداکثر توان قابل حمل در اين سوئيچ ها توسط همين عوامل تعيين مي شود.
پديده ي باردار شدن لايه ي دي الکتريک به دليل القاي بارها در داخل لايه ي دي الکتريک در حالت تحريک و عدم تخليه ي آنها در حالت عدم تحريک به وجود مي آيد. اين پديده مي تواند موجب تغيير مشخصات و يا حتي از کار افتادن سوئيچ شود.
استفاده از مواد با چگالي باردارشدن کمتر، استفاده از ولتاژهاي تحريک دوقطبي [۱]، کاهش سطح تماس ، کاهش ولتاژ تحريک[۵] و استفاده از ساختارهاي بدون دي الکتريک[۶،۷] از جمله روش هايي هستند که از آنها مي توان به منظور کاهش اثر باردارشدن لايه ي دي الکتريک بهره برد.
چگالي جريان نيز يکي از مهمترين عوامل موثر در قابليت اطمينان سوئيچ هاي MEMS است . براي بهبود اين مسئله نيز راه حل هايي پيشنهاد شده است . افزايش ابعاد بازو [۸]، استفاده از آرايه اي از سوئيچ ها به منظور کاهش دادن چگالي جريان [۹] و همچنين استفاده از مواد با خواص بهتر در سطح تماس [۱۰]
نمونه هايي از راه حل هاي پيشنهادي است .
از طرف ديگر عبور سيگنال هاي فرکانس بالا از سوئيچ باعث ايجاد ولتاژ موثر ( ولتاژ معادل DC ) مي شود. در صورتي که ولتاژ معادل ايجاد شده در حالت بالا (عدم تحريک) بيش از ولتاژ تحريک شود، پديده ي خود تحريکي رخ داده و سوئيچ بدون اعمال ولتاژ تحريک به حالت پايين مي رود. در مقابل ، پديده ي چسبندگي در حالت پايين (تحريک) سوئيچ رخ مي دهد، به اين ترتيب که ولتاژ معادل ايجاد شده در حالت پايين ، بعد از قطع شدن ولتاژ نگه دارنده ، مانع بالا رفتن بازو مي شود.
در سوئيچ هاي MEMS ساختارهايي براي از بين بردن اثر پديده ي خود تحريکي و چسبندگي وجود دارد. رايج ترين روش براي مقابله با اين پديده ها استفاده از يک الکترود بالا کشنده در سوئيچ است [۱۱،۱۲]. اين الکترود وظيفه بازگرداندن بازو به حالت اوليه را برعهده دارد. البته اين روش به دو منبع تغذيه و همچنين يک مدار خارجي جهت قطع و وصل کردن سوئيچ ها نياز دارد، که منجر به افزايش توان مصرفي سوئيچ مي شود. روش ديگر براي کاهش اثر پديده ي خود تحريکي استفاده از ساختار الاکلنگي است [۱۳،۱۴]. اين ساختار هم براي قطع و وصل کردن سوئيچ به دو الکترود نياز دارد، اما مشکل اصلي اين نوع سوئيچ ها طول عمر پايين آنها است .
هدف اصلي اين مقاله ارائه ي ساختاري جهت حذف پديده - هاي خود تحريکي و چسبندگي به منظور افزايش قابليت اطمينان سوئيچ هاي MEMS در توان هاي بالا است . مشخصات مربوط به سوئيچ طراحي شده ، در بخش ۲ ارائه مي شود. در بخش ۳ نتايج شبيه سازي سوئيچ پيشنهاد شده توسط نرم افزار HFSS ذکر مي گردد. در بخش ۴ در مورد پديده خود تحريکي و چسبندگي و همچنين تأثير اين پديده ها بر روي ساختار پيشنهادي بحث مي شود. در نهايت در بخش ۵ جمع بندي از مطالب بيان شده ارائه مي گردد.
۲- سوئيچ پيشنهادي
۲-۱- ساختار سوئيچ :
در شکل ۱ نمايي از سوئيچ طراحي شده را مشاهده مي - کنيد. مشخصه بارز اين سوئيچ استفاده از بازويي مطابق شکل ۲ است . اين بازو از سه بخش فلزي کاملا مجزا تشکيل شده که توسط يک لايه Si3N4 به هم متصل شده اند. بخش هاي کناري
شکل ۱ نماي کلي سوئيچ طراحي شده از (الف ) سطح مقطع ، (ب ) بالا
شکل ۲ نماي کلي بازو از (الف ) بالا، (ب ) پايين
به عنوان نواحي تحريک استفاده شده و بخش مرکزي وظيفه ي اتصال خط انتقال را به زمين در حالت تحريک سوئيچ بر عهده دارد. هر چند که استفاده از يک بازوي دو لايه موجب سنگين شدن بازو و افزايش زمان سوئيچ زني در مقايسه با سوئيچ هاي معمولي مي شود. ولي اين ساختار باعث مي شود که بخش مرکزي بازو به صورت مستقيم به زمين متصل نشود. اين امر نه تنها باعث کاهش خازن حالت بالا مي شود، بلکه عامل خودتحريکي را نيز از بين مي برد. همچنين به علت ايزوله بودن ناحيه وسط از زمين مشکل چسبندگي به علت ولتاژ ؤثر سيگنال ورودي نيز وجود نخواهد داشت .
در جدول ۱ جزئيات دقيق تري از اين سوئيچ آورده شده است .
۲-۲- ثابت فنر
همان طور که در شکل ۱ هم مشاهده مي شود، در اين سوئيچ از ساختار تاشده استفاده شده است . اين يک ساختار رايج به منظور طراحي سوئيچ هاي با مساحت کم و ولتاژ تحريک پايين است [۱۶،۱۵]. مقدار تقريبي ثابت فنر براي سوئيچ طراحي شده از رابطه زير به دست مي آيد[۱۵].
در اين جا N تعداد پيچ ها است مدول يانگ و v ثابت پواسون است .
با توجه ابعاد سوئيچ پيشنهاد شده ، مقدار تقريبي ثابت فنر براي اين سوئيچ برابر N.m ۰.۴۷ خواهد شد. البته اين نکته را هم بايد در نظر گرفت که مقدار واقعي ثابت فنر در هنگام ساخت ، به دليل وجود عواملي همچون تنش باقي مانده ، بيشتر از مقدار محاسبه شده خواهد بود[۱۵،۱۶]. در اين صورت به منظور کاهش ثابت فنر و رسيدن به مقدار مطلوب مي توان از تعداد پيچ هاي بيشتري استفاده کرد.
۲-۳- ولتاژتحريک:
براي تحريک کردن سوئيچ ، ولتاژ تحريک به بخش هاي کناري بازو اعمال مي شود. در نتيجه يک نيروي الکترواستاتيکي ايجاد مي شود و بازو را به سمت پايين مي کشد. مقدار ولتاژ مورد نياز براي اينکه سوئيچ به حالت پايين برود از رابطه زير به دست مي آيد[۱].
در اين رابطه k ثابت فنر، g٠ ارتفاع بازو از الکترود پاييني و A مساحت ناحيه ي تحريک است . با توجه به روابط (۱-۳) مقدار ولتاژ مورد نياز برابر ۴ ولت مي باشد.
براي محاسبه ي دقيق تر مقادير ثابت فنر و ولتاژ تحريک سوئيچ طراحي شده ، از نرم افزار COMSOL که تقريبا کليه ي ويژگي هاي مکانيکي را در نظر گرفته ، استفاده شده است . با توجه به نتايج شبيه سازي ، مقدار ولتاژ مورد نياز براي تحريک اين سوئيچ ، ۶ ولت به دست آمده است .
۳- تعيين پارامترهاي RF در حالت بالا و پايين
براي محاسبه ي پارامترهاي پراکندگي از نرم افزار شبيه ساز HFSS استفاده گرديده است . اين پارامترها در شکل ۳ نمايش داده شده است .
با توجه به نتايج شبيه سازي مشاهده مي شود که سوئيچ در باند فرکانسي ۱۰ تا ۵۰ گيگا هرتز از مشخصات مطلوبي برخوردار است . فرکانس پايين توسط مقدار ايزولاسيون در حالت پايين و فرکانس بالا توسط تلفات داخلي در حالت بالاي سوئيچ محدود مي گردد. همان طور که در نتايج شبيه سازي مشاهده مي شود، اين سوئيچ در حالت بالا (وصل ) رفتار بسيار مطلوبي را از خود نشان مي دهد. مهم ترين دليل آن هم زمين نبودن بخش مرکزي بازو مي باشد. به اين ترتيب بخش کمتري از سيگنال ورودي از طريق بازو به زمين منتقل مي شود. همين امر موجب شده تا تلفات داخلي سوئيچ در فرکانس هاي کمتر از GHz ۵۰ بهتر از dB ۰.۱۸ شود. البته ايزوله شدن بخش مرکزي از زمين باعث
