21798

21798

طراحي، شبيه‌سازي و بهينه‌سازي سوئيچ خازني ميكروالكترومكانيكي RF به‌منظور كاهش ولتاژ تحريك

كارشناسي ارشد

الكترونيك - مدارهاي مجتمع خطي

95-98

1398/8/27

دكتر جواد ياوند حسني

برق

در سال‌هاي اخير در مورد سامانه‌هاي ميكروالكترومكانيكي مطالعه‌هاي گسترده‌اي صورت گرفته است. سوئيچ‌هاي ميكروالكترومكانيكي به دليل كاربرد وسيعي كه در مخابرات، هوافضا، صنايع نظامي و تلفن‌هاي همراه دارند در اين سامانه‌ها داراي اهميت خاصي هستند. سوئيچ¬هاي RF MEMS داراي تلفات داخلي پايين، ايزولاسيون بالا، رنج عريض پهناي باند، توان مصرفي كم، وزن، حجم، و نيز سازگاري با فناوري CMOS هستند. اين ويژگي‌ها از مزاياي عمده اين سوئيچ¬ها نسبت به سوئيچ‌هاي نيمه‌هادي و ديودهاي پين به شمار مي‌آيند. بالا بودن ولتاژ تحريك يكي از مهم‌ترين محدوديت‌هاي سوئيچ‌هاي RF MEMS است. يكي از روش¬هاي كاهش آن، كاهش ثابت فنري ساختار سوئيچ است. اما بايد در نظر داشت كه كاهش بيش‌ازحد ثابت فنري سوئيچ باعث بروز مشكل مي¬شود. در اين تحقيق پس از بررسي روش‌هاي مختلف براي كاهش ولتاژ تحريك، از روش كاهش ثابت فنري ساختار، براي كاهش ولتاژ تحريك استفاده‌شده و ساختار جديدي ارائه‌شده است، براي ساختار پيشنهادشده ثابت فنري با روش كار و انرژي مدل شده و به‌صورت تحليلي مقدار ثابت فنري 0.0714 نيوتن بر متر و مقدار ولتاژ تحريك 1.61ولت به‌دست‌آمده است. ساختار ارائه‌شده با شبيه‌ساز مكانيكي، داراي ولتاژ تحريك 1.8 ولت و زمان سوئيچينگ 25.6ميكروثانيه و با حداكثر استرس قابل‌تحمل 4.5 مگا پاسكال، فركانس طبيعي سوئيچ3118.6 هرتز و جرم آن 0.206 نانوگرم و درنتيجه ثابت فنر 0.079 نيوتن بر متر است. سپس با ارائه يك تحليل رياضي جديد مقدار حداقل ثابت فنري به دست آورده شده است. مقدار حداقل ثابت فنري براي ساختار ارائه‌شده 0.0247 نيوتن بر متر به‌دست‌آمده و درنتيجه ساختار پيشنهادي ايمن طراحي‌شده است. جنس پل و بيم‌ها از طلا و دي‌الكتريك از Si3N4 استفاده‌شده است و ايزولاسيون براي ساختار ارائه‌شده، 25 دسي‌بل در 10 GHz، اتلاف عبوري 0.7 دسي‌بل و اتلاف بازگشتي 16¬ دسي‌بل به‌دست‌آمده است. براي شبيه‌سازي مكانيكي از نرم‌افزار COMSOL و براي شبيه‌سازي مشخصه‌هاي فركانس بالا از HFSS استفاده‌شده است. واژه‌هاي كليدي: سوئيچ‌هاي RF MEMS، ثابت فنري، ولتاژ تحريك، زمان سوئيچينگ، روش انرژي

1398/11/16

Design, simulation and optimization of microelectromechanical RF capacitance switch to reduce actuation voltage

11/17/2020 12:00:00 AM

In recent years, MEMS switches are becoming more popular in various fields ranging from telecommunication devices, military appliances, biomedical instruments, and many other micro structures .Gradually, it has been replacing its traditional counterparts such as PIN diode, FETswitches, and other mechanical switches owing to its advantages of low power consumption, high reliability, and less manufacturing costs.But the highest concern in RF MEMS Switches is its high actuation voltage. The best way to reduce the actuation voltage is the spring constant reduction. However, the overextended reduction disables the switch. In this reaserch, first, a new analytical method to obtain the minimum spring constant is introduced then a new RF MEMS Switch structure has been proposed. Simulation results show high Reliability and lower actuation voltage for the proposed structure in comparison with the conventional structure. The results of this simulation show the actuation voltage of 1.8 volts, the switching time of 25.6 microseconds, the 4.5 MPa Von Mises stress, the natural frequency of 3118.6 Hz, its mass of 0.206 ng and finally the spring constant of 0.079 N/m. The beam is made of gold and Si3N4 is used as a dielectric. Finally, the high frequency performance of the switch is designed using simulated HFSS software. The simulation shows a 25 dB isolation, a 0.7 dB insertion loss, and a 16 dB return loss at 10 GHz. Keywords: RF MEMS switch, Low actuation voltage, Spring Constant, Switching Time, Energy Method