شبیه سازی تحلیل و بررسی سوییچ میکروالکترومکانیکی (MEMS Switch) در نرم افزار intellisuite

مقاله کامل در مورد شبیه سازی تحلیل و بررسی سوییچ میکروالکترومکانیکی  (MEMS Switch)  در نرم افزار Intellisuite – از این مطلب میتوانید در پایان نامه و مقاله سمینار و … خود استفاده بنمایید.

 چکیده:

دراین مقاله مراحل مختلف طراحی،ساخت وآزمایش واندازه گیری پارامترهای مختلف عملکردسوییچ های خازنی (ازجنس فلزمس)ساخته شده بااستفاده ازتکنولوژیMEMSوبه فرمها واشکال مختلف(بازوهاومفاصل به تعدادوابعادمتفاوت)که برروی بستری سیلیکونی بامقاومت ویژه نسبتاًبالاایجادگردیده اند،ارائه وموردبررسی قرارمی گیرند.همچنین استفاده ازبازوها(Meanders)درشکل ها،ابعادوتعدادمختلف رادرساخت سوییچ هاموردبررسی قرارمی دهیم،طبق روابط تئوری می بایست شاهدکاهش ثابت سختی فنریاStiffnessآن بوده وولتاژPull-Inنیزتاحدزیادی کاهش یابد.درعمل نیزملاحظه می نماییم که همین مطلب برقرارونتیجه مطلوب حاصل می شود.

مقدمه:

سوییچ هایی که بابهره گیری ازتکنولوژیMEMSوباهزینه ای به مراتب پایین ترساخته می شوند،بهترین گزینه برای جایگزینی سوییچ های متداول ومرسوم ازقبیل ترانزیستورهای اثرمیدانی ساخته شده بااستفاده ازگالیم آرسناید(GaAs FET)ونیزدیودهایp-i-n به منظوربهره گیری درسیستم های مخابراتی درفرکانس های رادیویی ونسبتاًبالامی باشند.

ازویژگی هاومشخصه های مطلوب آنهامی توان به تلفات جااندازی(Insertion Loss)پایین،ایزولاسیون(Isolation)یاعایق سازی نسبتاًمطلوب خروجی ازورودی درهنگام قطع کلید،مشخصه خطی ونیزتوان مصرفی پایین آن اشاره نمود.

سوییچ های خازنی میکروالکترومکانیکی ازفلزات مختلفی چون نیکل،آلومینیم وطلاساخته شده اندولی چیزی که درآنهابه عنوان یک مشکل مطرح می باشد،ولتاژموردنیازبرای انجام عمل سوییچینگ وبرقراری اتصال بین الکترودهامی باشدکه باابتکارات وطرح های به کارگرفته شده دراین مقاله می توان آن راکاهش داده وبه میزان مطلوبی رساند.

طراحی مکانیکی وروابط تئوری:

ولتاژکاری وموردنیازبرای عمل نمودن سوییچ موازی یابه عبارت دیگرولتاژPull-Inصفحه(الکترود) بالایی(Membrane)رامی توان بااستفاده ازثابت سختی مؤثر( (K_zآن به دست آورده وبه صورت زیربیان نمود:

فرمول ولتاژ پولین pull in voltage

که درآنKzثابت مؤثرفنرمربوط به Membrane،d  فاصله هوایی بین الکترودهاوAمساحت صفحه بالایی(Membrane)می باشد.

به منظورکاهش ولتاژموردنیازبرای عمل نمودن سوییچ مربوطه می توان ازروش هایی چون کاهش فاصله هوایی،افزایش سطحMembraneوکاهش ثابت سختی مؤثر(Effective Constant)آن می باشد.

برای یک ماده مشخص،ثابت فنرمربوط به دیافراگم(Membrane)رامی توان بااستفاده ازبازوهایی پیچ دارکه برای ساختارهای پل هوایی(Air-Bridge)مورداستفاده قرارمی گیرد،کاهش می یابد.

ثابت مؤثرفنرساختارپیچ دار(Meander Shaped Structure)درجهتzرامی توان ازطریق رابطه زیرمحاسبه نمود:

ثابت مؤثر فنر ساختار پیچ دار(z) Meander Shaped Structure)

که درآن E یانگ مدولوس و υ نسبت پواسن می باشد.ثابت فنرN  عدد از ساختارهایی که به صورت سری یاموازی باهم قراردارند،به ترتیب برابربا KZ/N و NKZ می شوند.  ولتاژهای Pull-In ساختارهایی با ملاحظات فوق درجدول زیرخلاصه شده است:

پروسه ساخت سوییچ موردنظر:

پروسه ساخت برای این سوییچ موازی(CPW)درشکل زیرنشان داده شده است:

سوییچ هابرروی بسترسیلیکونی بامقاومت ویژه نسبتاًبالا(1000-5000(Ω.Cm))که توسط لایه ای ازجنس اکسیدبه عنوان عایق پوشانده شده است،ساخته می شوند.خطوط سیگنالCPWبا استفاده ازنشاندن لایه هایی ازتیتانیوم،مس وتیتانیوم به ترتیب باضخامت های 3000،300و300آنگسترم ایجادمی شوند.لایه ضخیمی ازجنس سیلیکون و به ضخامت 2000 آنگسترم وبه روشPECVDنشانده شده والگوی موردنظرتوسط ماسک مربوطه روی آن پیاده شده ولایه دی الکتریک بین خط سیگنال ودیافراگم(Membrane)راپدیدمی آورد.

لایه ای ازجنس فتورزیست وبه ضخامت2.5میکرومتروبااستفاده ازروشSpin Coatingبرروی آن نشانده شده وبااستفاده ازماسک مربوطه،الگوپیاده سازی وفاصله هوایی ایجادمی گردد.دیافراگم(Membrane)بانشاندن لایه ای ازجنس مس وبه ضخامت0.6تا1میکرومتروبااستفاده ازروشSputteringایجادوالگوی مربوطه روی آن پیاده سازی می شود.حفره هایی به قطر5میکرومتررابرروی دیافراگم پدیدمی آوریم تالایه قربانی راراحت ترازبین برده وزیردیافراگم راسریعتروساده ترخالی نماییم،علاوه براین کاهش اثرخفگی(Damping)هوا و بهبود مشخصه و رفتار دینامیکی ساختار ازمزایای این حفره هامی باشد.

شبیه سازی:

به منظورشبیه سازی سوییچ هاباساختارهای مختلف،نیازاست تابه ترتیب آنهارادرمحیط 3D-Builderترسیم نموده وپس ازآن بااستفاده ازتحلیل ترموالکترومکانیکی،آنهارابررسی وآنالیز کرده ونتایج مطلوب راتحقیق نماییم. برمبنای مطالب بیان شده درقسمت مربوط به پروسه ساخت،موادمورداستفاده وضخامت لایه های نشانده ازاین موادونیزنحوه لایه نشانی به طورشماتیک درشکل زیرآورده شده است:

پروسه ساخت،موادمورداستفاده وضخامت لایه های نشانده ازاین موادونیزنحوه لایه نشانی

برای شبیه سازی ازساختار2 Meander Cantileverشروع می نماییم،تصویرگرفته شده توسط میکروسکوپ SEM مربوط به سوییج بااین ساختاررادرزیرملاحظه می فرمایید:

شکل زیرساختار رسم شده درمحیط نرم افزار3D-Builder را نمایش می دهد.ابعاد Membraneدر مقاله می باشد و در شبیه سازی های ما انتخاب شده است

شکل ساختار رسم شده درمحیط نرم افزار3D-Builder

پس ازآنکه توسط گزینه check meshصحت شکل رسم شده راتحقیق نموده وصحت آن تأییدگردید،با ذخیره شکل مربوطه(Save As)،ازمسیرزیرنوع تحلیل را  ThermoElectroMechanicalانتخاب می کنیم:

File…Output to Analysis Module

با ورود به صفحه تحلیل در ابتدا باید جنس مواد تعیین شود. روندی که در اینجا یرای این ساختار تعریف می شود دقیقا به ساختار دیگر نیز اعمال می شود.

در صفحه جدید باز شده، ابتدا نوع تحلیلمان را از مسیر زیر انتخاب می کنیم:

Simulation…Simulation Setting

در پنجره باز شده، در بخش محاسبه( Calculation )نوع استاتیک (Static) را انتخاب می کنیم و نوع تحلیل(Analysis type)را همThermoElectroMechanical Relaxation   انتخاب می نماییم. Iteration Number را 2 قرار می دهیم و گزینه Contanct Analysis را فعال نموده وپس ازآن دکمه   ok رابه منظورتایید،انتخاب می نماییم.

جنس مواد از مواد تعریف شده در خود نرم افزار از مسیر زیر تعیین می شود:

Material…Selection Mode…Find in List

Material…Check/Modify

در جدول ظاهر شده با انتخاب هر رنگ on Entity – Select

گزینه  Import Property راانتخاب نموده وازجدول نرم افزارمربوطه(Intellisuite)ماده موردنظرمان را انتخاب می نماییم:

پس ازانتخاب نوع مواد،می بایست سطوح ثابت را نیزتعریف نماییم:

Boundary…Fixed

در این جا ما کف ساختار را به عنوان سطح ثابت انتخاب می نماییم.

در مرحله بعد باید ولتاژ را بین بخش متحرک و الکترود پایین آن اعمال کردکه ازمسیرزیراین امررامحقق

می سازیم:

Loads…Voltage…Entity

ولتاژ 15ولت رابا پله ها(گام های)1ولت به Membraneو ولتاژ صفر ولت را به لایه مسی بین لایه تیتانیوم روی سیلیکون اعمال می نماییم.

در این مرحله باید صفحاتی که با هم تماس پیدا می کنند را مشخص کنیم.برای این منظور مسیر زیر را طی می کنیم:

Boundary…Contact…Face Pair Definition…Face A

صفحه زیرین Membraneبه عنوان Face A انتخاب می کنیم. سپس صفحات زیرین آن یعنی سطح سیلیکون ناترایدواکسیدرا به عنوان Face B از مسیر زیر انتخاب می شوند:

Boundary…Contact…Face Pair Definition…Face B…Rigid

حال باید صفحاتی که می خواهیم اتصال آن ها در تحلیل در نظر گرفته شود تعریف نماییم:

Boundary…Contact…Face Pair Definition…Complete Pair

سپس مش بندی را انجام داده (Mesh…Auto)وازقسمت

Analysis…Start Static Analysis

تحلیل را انجام می دهیم:

به منظورمشاهده نتیجه اولیه،مسیرزیرراانتخاب می نماییم:Result…Displacement…Z

همچنین  منحنی میزان جا به جایی بر اساس ولتاژ اعمال از مسیر زیر قابل مشاهده است:

Result …. 2D plots Electromechanical Analysis

(X coordinate : voltage ,Y coordinate: Z Displacement)

با توجه به این نکته که پدیده متوقف کنندگی(Pull-In) دردوسوم فاصله هوایی(فاصله هوایی،2 میکرومتر می باشد)رخ می دهد و با توجه به شکل می توان گفت مقدار آن در حدود 1.8 ولت می باشد.

باجایگذاری مقادیرمربوطه(L_C،L_S،t،w،Eو…)درروابطی که به منظورمحاسبهK_zوV_Pull-Inدرمتن مقاله وگزارش ذکرگردیده است،می توان ولتاژمتوقف کنندگی(Pull-In)رانیزازنقطه نظرتئوری محاسبه نمود.

درساختاربالا،مقدارولتاژPull-Inازروابط تئوری برابربا2.1vبه دست می آید.

ساختار دوم، ساختار 2 Meander Bridgeیابه عبارت بهتر می باشدکه درمحیط3D-Builderبه صورت زیر رسم شده است:

تعداد 120 حفره با ابعاد  در روی Membraneموجودمی باشد.این حفره ها به کاهش مقاومت هوا و درنتیجه کاهش میزان ولتاژمتوقف کنندگی(Pull-In)کمک می نمایند.

ترتیب لایه ها و جنس مواد درهرسه ساختاریکسان می باشد.با انجام روند تحلیلی که برای ساختار قبل پیاده نمودیم.نتایج شبیه سازی برای ساختاردوم به صورت زیر به دست می آید:

و منحنی جابه جایی(Displacement) بر حسب ولتاژ :

با توجه به نمودارفوق(Z-Displacement Vs Voltage) میزان ولتاژمتوقف کنندگی( (Pull-Inبرای این ساختاردر حدود 5.4 ولت می باشد.

باجایگذاری مقادیرمربوطه(L_C،L_S،t،w،Eو…)درروابطی که به منظورمحاسبهK_zوV_Pull-Inدرمتن مقاله وگزارش ذکرگردیده است،می توان ولتاژمتوقف کنندگی(Pull-In)رانیزازنقطه نظرتئوری محاسبه نمود.

درساختاربالا،مقدارولتاژPull-Inازروابط تئوری برابربا5.8vبه دست می آید. وساختار سوم، 4 Meander Bridge می باشدکه تصویرسوییچ ساخته شده بااین ساختاردرزیرمیکروسکوپSEMدرذیل نشان داده شده است:

میزان ولتاژمتوقف کنندگی((Pull-Inدرحدود 14 ولت می باشد. باجایگذاری مقادیرمربوطه(L_C،L_S،t،w،Eو…)درروابطی که به منظورمحاسبهK_zوV_Pull-Inدرمتن مقاله وگزارش ذکرگردیده است،می توان ولتاژمتوقف کنندگی(Pull-In)رانیزازنقطه نظرتئوری محاسبه نمود.

درساختاربالا،مقدارولتاژPull-Inازروابط تئوری برابربا14.5vبه دست می آید.

در این حالت، نسبت به سویچ قبلی  Meander ها با هم موازی شدند.لذا انتظار می رود ثابت فنری ساختار، زیاد شده و ولتاژ Pull-In نسبت به حالت قبل بیشتر شود که همین طور هم بوده است.حال می خواهیم تعداد Meander همین ساختار را افزایش دهیم. برای این منظور تعدادی Meander را با Meander های موجود سری کرده ایم. انتظار می رود به علت کاهش ضریب فنری، ولتاژ Pull-Inکاهش یابد.

ولتاژ Pull-In در حدود 7.1 ولت می باشد که نسبت به حالت قبل(14 ولت) کاهش قابل ملاحظه ای دارد. با جایگذاری مقادیر مربوطه (L_C،L_S،t،w،Eو…) در روابطی که به منظور محاسبه K_zوV_Pull-Inدر متن مقاله وگزارش ذکرگردیده است،می توان ولتاژمتوقف کنندگی(Pull-In)رانیزازنقطه نظرتئوری  به صورتی محاسبه نمود و……

 

 

امید داریم تا اینجای مطلب مورد توجه شما قرار گرفته باشد. جهت دریافت ادامه مطلب ،روشها و توضیحات مربوطه و… به صورت کامل  WORD + PDF  به لینک دریافت زیر مراجعه نمایید.

برای دریافت pdf + word بر روی کلیدزیر ،کلیک نمایید . 

قیمت: 20000 تومان