دانلود پایان نامه مهندسی برق با عنوان سوئیچ های میکروالکترومکانیکی جانبی در فرکانس رادیویی (فایل word)

سوئیچ های میکروالکترومکانیکی سوئیچ هایی هستند که با فناوری نیمه هادی ساخته می‌‌شوند و دارای یک پل برای قطع  و وصل سیگنال می‌‌باشند. این سوئیچ های می‌‌توانند بسیاری از مزایای سوئیچ های نیمه هادی و مکانیکی را با هم داشته باشند. یعنی علاوه بر این که دارای توان تلفاتی پایین و ایزولاسیون بالایی هستند ابعاد کوچکتر  و سرعت مطلوب تری دارند. استفاده‌ی فراوان از سیلیکون برای ساخت قطعات الکترونیکی به دلیل خواص مکانیکی ویژه‌ی آن باعث شد تا فرآیند های ساخت آن از قبیل میکروماشین کاری به سرعت توسعه پیدا کند. از آن جایی که سیلیکون دارای خواص مکانیکی فوق العاده ای است و از طرفی می‌‌تواند با دوپینگ به یک ماده‌ی رسانا تبدیل شود می‌‌توان از آن به عنوان  ماده‌ی پیوند دهنده‌ی الکترونیک و مکانیک یاد کرد.

سوئيچ هاي MEMS داراي اتلاف مقاومتي كم ، توان مصرفي قابل صرف نظر ، Isolation خوب و اداره ي توان بالا هستند. جریانی که از این سوئیچ ها در حالت ON  عبور می‌‌کند به علت سایز کم بسیار ناچیز است، در نتیجه توان مصرفی و تلفاتی آن ها فوق العاده پایین می‌‌باشد. سوئیچ های الکترومکانیکی خاصیت خطی دارند و در حالت قطع معادل با یک خازن خیلی کوچک هستند و در نتیجه امپدانس خازنی خیلی بزرگی را ایجاد می‌‌کنند که باعث بسته شدن مسیر سیگنال می‌‌شود. اگرچه سرعت سویچ  میکروالکترومکانیکی نسبت به سویچ مکانیکی بیشتر است ولی نسبت به سویچ نیمه هادی سرعت کم تری دارد. 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. 

تکنولوژی در حال تحول MEMS در تلاش است تا دستگاه های معمولی RF و اجزای آنها را به سمت کوچک سازی سوق دهد ، که از جمله مزایای کاهش ابعاد دستگاه ها و اجزای آنها می‌‌توان به مصرف برق DC کم ، بالا رفتن عملکرد خطی در یک محدوده فرکانس گسترده ، و کاهش نویز سوئیچ های MEMS که در مقایسه با سوئیچ های دیودی معمولی P-N به وضوح قابل مشاهده است ، اشاره کرد. سوئیچ های RF MEMS  تا به امروز به صورت گسترده در مدارات تنظیم ، آنتن ها و سایرمدارات و برنامه های کاربردی RF مورد استفاده قرار گرفته اند. سوئیچ های MEMS برای کاربرد عملی ، برای اولین بار توسط   Rockwell و  Texas Instrumentsمعرفی و ارائه شدند. می توانید این پروژه مهندسی برق را به صورت فایل word دانلود نمایید.

مقدمه

سوئیچ وسیله ای که برای ایجاد اتصال یا قطع یک مدار الکترونیکی به منظور قطع و وصل کردن مسیر سیگنال و یا تغییر مسیر آن مورد استفاده قرار می‌‌گیرد. سوئیچ ها به طور معمول به 3 دسته تقسیم می‌‌شوند[1] :

1)         سوئیچ های مکانیکی

2)         سوئیچ های نیمه هادی

3)         سوئیچ های میکروالکترومکانیکی

سوئیچ های میکروالکترومکانیکی سوئیچ هایی هستند که با فناوری نیمه هادی ساخته می‌‌شوند و دارای یک پل برای قطع وصل سیگنال می‌‌باشند. این سوئیچ های می‌‌توانند بسیاری از مزایای سوئیچ های نیمه هادی و مکانیکی را با هم داشته باشند. یعنی علاوه بر این که دارای توان تلفاتی پایین و ایزولاسیون بالایی هستند ابعاد کوچکتر  و سرعت مطلوب تری دارند[2].  استفاده‌ی فراوان از سیلیکون برای ساخت قطعات الکترونیکی به دلیل خواص مکانیکی ویژه‌ی آن باعث شد تا فرآیند های ساخت آن از قبیل میکروماشین کاری به سرعت توسعه پیدا کند. از آن جایی که سیلیکون دارای خواص مکانیکی فوق العاده ای است و از طرفی می‌‌تواند با دوپینگ به یک ماده‌ی رسانا تبدیل شود می‌‌توان از آن به عنوان  ماده‌ی پیوند دهنده‌ی الکترونیک و مکانیک یاد کرد.

 سوئیچ های الکترومکانیکی در سیستم های مخابراتی ، رادار ها و نیز سیستم های دفاعی و ارتباط ماهواره ای کاربردهای فراوانی دارند[4, 5]. این سوئیچ ها در شبکه های سویچینگ به منظور فیلترینگ استفاده می‌‌شود. 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 می‌‌آورد.

دستگاه های الکترونیکی کوچک که سیگنالهای رادیویی را ارسال و دریافت می‌‌کنند بطور گسترده ای در ناوبری و کشتیرانی ، سنجش و ارتباطات استفاده می‌‌شوند. به دلیل کاربرد بالای دستگاه ها ، همواره فشار مداومی ‌‌برای بهبود عملکرد المان و اجزای مورد استفاده برای دستکاری سیگنال های فرکانسی ریزموج استفاده شده در دستگاه ها وجود دارد. در فرکانس های ریزموج  ، سوئیچ های RF MEMS با سوئیچ های نیمه هادی در رقابت هستند ، و در مقایسه با سوئیچ های نیمه هادی دارای ایزولاسیون، میزان تلفات و افت و مصرف توان قابل قبول و بهتری هستند. همچنین  سوئیچ های MEMS دارای عملکرد خطی بهتری بوده و میزان اعوجاج سیگنال را تا حد خوبی کاهش می‌‌دهد. سوئیچ های MEMS می‌‌توانند به عنوان بخشی از انتقال دهنده های فاز، فیلترها و به عنوان بازسازهای سیگنال در ابتدا و انتهای رادارها، ماهواره ها و ارتباطات تلفن همراه مورد استفاده قرار گیرند. تکنولوژی در حال تحول MEMS در تلاش است تا دستگاه های معمولی RF و اجزای آنها را به سمت کوچک سازی سوق دهد ، که از جمله مزایای کاهش ابعاد دستگاه ها و اجزای آنها می‌‌توان به مصرف برق DC کم ، بالا رفتن عملکرد خطی در یک محدوده فرکانس گسترده ، و کاهش نویز سوئیچ های MEMS که در مقایسه با سوئیچ های دیودی معمولی P-N به وضوح قابل مشاهده است ، اشاره کرد. سوئیچ های RF MEMS  تا به امروز به صورت گسترده در مدارات تنظیم ، آنتن ها و سایرمدارات و برنامه های کاربردی RF مورد استفاده قرار گرفته اند. سوئیچ های MEMS برای کاربرد عملی ، برای اولین بار توسط   Rockwell و  Texas Instrumentsمعرفی و ارائه شدند ، در آغاز این قرن بسیاری از سوئیچ های MEMS به مرحله پیاده سازی و اجرا رسیدند.

فهرست مطالب

1- فصل اول        9

1-1- مقدمه          10

2- فصل دوم        12

2-1- انواع سوئیچ ها          13

2-1-1- سوئیچ مکانیکی      13

2-1-2- سوئیچ نیمه هادی    13

2-1-3- سوئیچ RF MEMS  13

2-1-4- چالش های مکانیکی و ساخت سوئیچ های میکروالکترومکانیکی        15

2-2- کاربردهای سوئیچ های میکروالکترومکانیکی         15

2-2-1- شیفت دهنده فاز       15

2-2-2- شبکه سوئیچینگ     16

2-2-3- مدولاسیون دیجیتال  16

2-3- دسته بندی سوئیچ های  میکروالکترومکانیکی         16

2-4- مکانیزم های تحریک سوئیچ الکترومکانیکی           19

2-4-1- مکانیزم الکترواستاتیکی        20

2-4-2- مکانیزم مغناطیسی   22

2-4-3- مکانیزم پیزوالکتریک و گرمایی          23

2-5- ساختار مکانیکی سویچ میکروالکترومکانیکی          25

2-5-1- بررسی ساختار بیم یک طرف ثابت       25

2-6- بررسی مساله چسبندگی در سویچ های میکروالکترومکانیکی   26

2-7- اثر دما روی ولتاژ تحریک سوئیچ            27

3- فصل سوم        29

3-1- یک سوئیچ الکترومکانیکی با ساختار ایزولاسیون پرلین         31

3-2- سوئیچ جانبی ساخته شده بر پایه‌ی دی الکتریک HfO2           32

3-3- یک سویچ جانبی میکرو الکترو مکانیکی با ولتاژ عملکرد پایین            35

3-4- سوئیچ های میکرو الکترومکانیکی جانبی میکرو استریپ       37

3-5- طراحی و شبیه سازی یک سوئیچ الکترومکانیکی جانبی با ساختار تحریک الکتروحرارتی    40

3-6- یک سوئیچ جانبی الکترومکانیکی جدید     43

3-7- یک سوئیچ جانبی با ولتاژ عملکرد پایین برای کاربرد در فرکانس های بالا            45

3-8- یک SPDT با استفاده از سوئیچ جانبی میکروالکترومکانیکی    48

3-9- سوئیچ میکروالکترومکانیکی جانبی با قابلیت اطمینان بالا       51

4- نتیجه گیری      55

5- مراجع            56

6-         57

فهرست شکل‌ها

شکل 1. دیود PIN که می‌‌تواند به عنوان یک سوئیچ PIN استفاده شود           13

شکل 2. کاربرد سوئیچ به عنوان شیفت دهنده فاز.            15

شکل 3. نمای شماتیک از شبکه سوئیچینگ       16

شکل 4. نمای شماتیک از مدولاسیون دیجیتال     16

شکل 5. سوئیچ یک طرف ثابت         16

شکل 6. سوئیچ دو طرف ثابت (پل)    17

شکل 7. اتصال فلز با فلز (اهمی‌‌)        17

شکل 8.  اتصال فلز عایق فلز (خازنی) 17

شکل 9. سوئیچ عمودی       18

شکل 10. سوئیچ جانبی       18

شکل 11. بستن سوئیچ به صورت موازی در مدار           18

شکل 12. اتصال موازی سوئیچ در مدار           19

شکل 13.  مکانیزم های تحریک سوئیچ            20

شکل 14. سوئيچ موازي كه با دو خازن ويك فنر مدل زده شده است   20

شکل 15. : نمودار يك سوئيچ (ميزان انحراف بر حسب ولتاژ تحريك)            22

شکل 16. منحنی تغییرات ولتاژ پایین نگه دارنده با تغییر ثابت فنری  22

شکل 17. مکانیزم تحریک الکترومغناطیسی      23

شکل 18. تحریک گرمایی سویچ میکروالکترومکانیکی بر اساس خمش باریکه 24

شکل 19. طرح تحریک کننده گرمایی U شکل    25

شکل 20. بیم یک طرف ثابت            25

شکل 21. نمودار ثابت فنری سیلیکون نیترات و طلا        26

شکل 22. نمای شماتیک سوئیچ ساخته شده در [3]           31

شکل 23. سوئیچ ساخته شده در   [3]   32

شکل 24. ساختار شکل تحریک سوئیچ جانبی بر پایه‌ی دی الکتریک HfO2    33

شکل 25. سوئیچ جانبی ساخته شده بر پایه‌ی دی الکتریک HfO2     34

شکل 26. نتایج حاصله از سوئیچ جانبی ساخته شده بر پایه‌ی دی الکتریک HfO2          35

شکل 27. یک نمای شماتیک  از سویچ جانبی میکرو الکترو مکانیکی پیشنهاد شده  با ولتاژ عملکرد پایین     35

شکل 28. تصویر سویچ جانبی میکرو الکترو مکانیکی ساخته شده    36

شکل 29. مقدار تلفات توان را در حالتی که سوئیچ دروضعیت روشن قرار دارد.           37

شکل 30. نمودار ایزولاسیون برای سویچ ساخته شده در حالت قطع   37

شکل 31. سوئیچ های میکرو الکترومکانیکی جانبی میکرو استریپ ساخته شده            38

شکل 32. پارامتر های S برای سوئیچ های میکرو الکترومکانیکی جانبی میکرو استریپ ساخته شده           38

شکل 33. یک خط انتقال میکرو استریک به همراه عملگر آن          39

شکل 34. نمودار ایزولاسیون و توان بازگشتی برای سوئیچ میکروالکترومکانیکی جانبی میکرو استریپ ساخته شده    39

شکل 35. شکل شماتیک از سوئیچ الکترومکانیکی طراحی شده با ساختار تحریک الکترومکانیکی  40

شکل 36. مکانیزم روشن شدن سوئیچ با ساختار الکتروحرارتی        42

شکل 37. مکانیزم خاموش شدن برای ساختار الکتروحرارتی پیشنهاد شده        42

شکل 38. یک سوئیچ الکترومکانیکی جانبی ساخته شده     44

شکل 39. نمودار تلفات بازگشتی و تلفات عبوری برای سوئیچ جانبی ساخته شده           44

شکل 40. شکل شماتیکی اصول عملکرد میکرو رله‌ی پیشنهاد شده   45

شکل 41. شکل شماتیکی a) عملگر سه بیم b) عملگر شش بیم        46

شکل 41. نمودار جابه جایی بر حسب ولتاژ برای  سوئیچ پیشنهاد شده            47

شکل 43. تصویرSEM را برای سوئیچ ساخته شده با شش بیم موازی 48

شکل 44. شکل شماتیک سوئیچ پیشنهاد شده       49

شکل 45. نمودار ایزولاسیون برای سوئیچ پیشنهاد شده      50

شکل 46. نمودار تلفات توان عبوری و تلفات توان بازگشتی سوئیچ پیشنهاد شده            50

شکل 47. یک نمای شماتیک از a) سوئیچ پیشنهاد شده b) سوئیچ گزارش شده در مقاله‌ی قبلی و همچنین c) یک سطح مقطع جانبی از اتصال پلی سیلیکون دوپ نشده d) یک سطح مقطع جانبی از اتصال لایه‌ی نیترات          51

شکل 48. شبیه سازی استرس در لایه‌ی نیترات a)تحریک کششی b) تحریک فشاری     52

شکل 49. تصویری از سوئیچ ساخته شده با سیلیکون دوپ نشده       52

شکل 50. یک ساختار مکانیکی برای سوئیچ در طی فرآیند روشن شدن a) تحریک فشاری b)  تحریک کششی           53

شکل 51. پروفایل دمایی برای سه نوع شکل ساختاری پیشنهاد شده با استفاده از پلی سیلیکون دوپ نشده       54

 شکل 52. پروفایل دمایی با استفاده از لایه‌ی نیترات         54