بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
طراحی و تحلیل سوئیچ سری جدید RF MEMS، با ولتاژ تحریک پایین
چکیده
در این مقاله ساختار جدیدی از سوئیچ خازنی سری MEMS، با استفاده از دو فنر L-shaped ارائه شده است. با استفاده از این دو فنر که بین نگه دارنده و بیم تعبیه شده اند ثابت فنر و در نتیجه ولتاژ تحریک کاهش داده شده است. با قراردادن برجستگی در انتهای بیم به افزایش نیروی تماس و کاهش سطح تماس برای جلوگیری از چسپندگی نیز استفاده شده است که با شبیه سازی سوئیچ در نرم افزار Intellisuite ولتاژ تحریک در حد 2ولت بدست آمده است. این سوئیچ دارای ابعاد کوچک به اندازه 110×60 میکرومتر است که در مقایسه با سوئیچ های حالت کانتیلور تحریک الکتروستاتیک داری ولتاژ پایینی میباشد. همچنین با شبیه سازی ساختار سوئیچ در نرم افزار HFSS9.1 پارامترهای پراکندگی آن را بدست آورده شد که توان تلفاتی دارای مقدار 0.07dB و توان بازگشتی دارای مقدار 25dB، ایزولاسیون 17dB در فرکانس 40GHz میباشد که در مقایسه با سوئیچهای دیگر دارای ولتاژ کمتری می باشدکه نسبت به سوئیچهای دیگر عملکرد بهتری دارد.
واژگان کلیدی: ثابت فنر، سوئیچ سری، تحریک الکتروستاتیکی، پارامترهای پراکندگی، RF MEMS
مقدمه
در زمینه ارتباطات بی سیم سیستم های میکروالکترومکانیکیRF MEMS، مهمترین جزء از قطعات الکترونیکی به شمار میآیند. سیستم های ارتباطی بی سیم برای عملکردهای آزاد نیاز به اجزاءالکترونیکی با قابلیت اطمینان بالا و توان مصرفی پایین دارند و به منظور مجتمع سازی بهتر در ماهواره ها تا جاییکه امکان دارد باید کوچک شوند. سوئیچ های میکروالکترومکانیکی فرکانس بالا یکی از بهترین گزینه ها در زمینه برآوردن این نیازها در مقایسه با سوئیچ های FET و Pin Diode می باشند که قابلیت مجتمع شدن با قطعات Cmos، را دارند. ولی یکی از معایب این سوئیچ ها ولتاژ تحریک بالای آنها میباشد که در سیستم های بی سیم مشکل بزرگی ایجاد می کنند. در سالهای اخیر، توسعه های زیادی به منظور بهبود عملکرد این سوئیچها و کاهش ولتاژ تحریک بکار رفته است. در کارهای قبلی از طراحی بیم های جدید با سه میله متصل بین نگه دارنده و بیم به منظور کاهش ثابت فنر((Rahman and Rumer,2009 و همچنین ارائه مدلی برای ثابت فنر کنتلیور
یکنواخت با بخش عریضتر در انتهای بیم به منظور افزایش نیروی تحریک (Sasha et al,2009)و در نتیجه کاهش ولتاژ تحریک استفاده شده است . در کارهای دیگری نیز از طراحی سوئیچ سری، با ساختار بیم جدید و استفاده از برجستگی1 در انتهای بیم کانتلیور برای افزایش نیروی تماس و کاهش ولتاژ (Rahman at el, 2008) ،( (Rahman at el,2010،
سوئیچهای الاکلنگی (Kim et al ,2009) ، ساخت سوئیچ با تحریک پیزوالکتریک (Lee et al,2005) و سوئیچهایی با ساختار فنرهای مارپیچیMoloudian and Pirbonyeh,2014) ،2014 ، (
(Suparana and Juliet،(2013 ،(Bagher Fathi، که با پیچیدگی ساخت همراه است، استفاده شده است. در این مقاله با طراحی جدیدی از بیم علاوه بر کاهش ولتاژ تحریک نسبت به کارهای گذشته، ابعاد سوئیچ نیز کاهش یافته است.
.1 طراحی سوئیچسری
سوئیچ سری تماس فلز به فلز روی خط CPW با ابعاد G/S/G=20/60/20 µm طراحی شده است. به دلیل مدول الاستیسیته بالای طلا (E=80GPa) و سختی لازم طلا، برای برگرداندن بیم به حالت اولیه بعد از قطع ولتاژ، جنس بیم و خطوط CPW از طلا انتخاب شده است. همچنین از یک لایه دی الکتریک سیلیکان نیتراید روی خط بایاس استفاده شده است. این لایه سبب ایجاد یک خازن با مقدارخیلی بالا بین بیم و خط سیگنال مرکزی به هنگام تحریک سوئیچ و پایین آمدن بیم بروی خط سیگنال میشود که مانع از اتصال کوتاه شدن بیم و خط سیگنال مرکزی میشود. از ساختار کنتیلوری برای سوئیچ ساختار خازنی استفاده شده است که دارای بیم یک طرف ثابت و یک طرف آزاد میباشد. اگرچه ثابت فنر پایین برای فراهم کردن کاهش ولتاژ تحریک سوئیچ ضروری است اما جلوگیری از حالت چسپندگی نیز همان اندازه مهم است سوئیچ دارای ولتاژ تحریک کم، یک نیروی بازگرداننده نسبتا ضعیفی را در حالت پایین ایجاد میکند که ممکن است این نیرو به اندازهی کافی نباشد که سوئیچ را به حالت بالا ببرد. بیم های کانتیلوری هیچ اجزاء کششی ندارند اما به علت آزاد بودن در یک طرف بیم، یک استرس گرادیان در قسمت بالای بیم وجود دارد که بیم را یک مقدار به سمت بالا یا پایین میکشاند. در این ساختار از یک برجستگی در انتهای بیم استفاده شده است که سبب کاهش استرس و جابه جایی اولیه سوئیچ در حالت خاموش و افزایش نیروی فشار بین خط سیگنال و بیم میشود و از مشکلات چسپندگی سوئیچ نیز جلوگیری میکند.
.2 مد الکترومکانیکسوئیچ
سوئیچهای میکروالکترومکانیکی فرکانس بالا در دو مدل معادل الکتریکی و مکانیکی آنالیز و بررسی می شوند.این دو مدل در شکل (1) نشان داده شده اند. سوئیچ ساختار خازنی دارد و به خاطر قرار دادن گودی تقریبا با حالت موازی پایین می آید.
.2-1 مدل الکتریکی:
طراحی الکتروستاتیکی برای فراهم شدن نیروی لازم برای حرکت مکانیکی نیاز است. با اعمال ولتاژ بین دو صفحه بالا و پایین یک نیروی الکتروستاتیکی ایجاد میشود که این نیرو باعث تغییر مقدار خازن میشود. به طوریکه با افزایش ولتاژ اعمـالی ایـن نیروی جاذبه الکتروستاتیکی باعث جذب صفحه بالایی به سمت پایین میشود و فاصله بین دو صفحه کاهش مییابد که مقـدار خازن آن به طور تقریبی از رابطه ی 1 بدست آورده میشود.
برای اینکه یک ساختار خازنی را تحلیل نماییم، بایستی ساختاری که در حوزه الکتریکی وجود دارد به حوزهی مکانیکی تبدیل نموده و ساختار را از لحاظ مکانیکی بررسی کنیم. تبدیلات الکتریکی و مکانیکی به صورت شکل((2 میباشد.
شکل 2تبدیل الکتریکی به مکانیکی
با استفاده از شکل -(1)ب مدار معادل الکتریکی بصورت معادله ی 2 حساب میشود.
و همچنین با استفاده از تبدیلات الکتریکی به مکانیکی شکل (2) معادله حرکت بیم به صورت رابطه ی 3 بدست میآید.
که نیروی الکتروستاتیکی از مشتق انرژی ذخیره شده در خازن از رابطه ی 4 بدست میآید.
از معادل کردن روابط 3 و 4 معادله ی جابه جایی بیم برحسب ولتاژ اعمالی بیم به رابطه ی 5 دست پیدا میکنیم.
که مقدار g0 برابر با 1,5 میکرومتر در این ساختار در نظر گرفته شده است.
.2-2 مدل مکانیکی:
در این سوئیچ دو فنر L-shape به کار رفته است که ابعاد هرکدام از این فنرها نیز در شکل (3) نشان داده شده است.همانطور که مشاهده میشود مقدار ثابت فنر به پارامترهای فیزیکی فنر وابسته است، که معادله ی آن برای بیمهای یک طرف ثابت طبق رابطه ی 7 حساب میشود((Rebeiz, 2003
فنرهای L1 وL2 باهم سریاند و دو فنر L-shape کل بیم باهم موازی میشوند که ثابت فنر کل ساختار با محاسبهی این فنرها از رابطه ی 8 بدست میآید.
