سوئیچ میکروالکترومکانیکی (MEMS SWITH)

سوئیچ میکروالکترومکانیکی (MEMS SWITH)

تحقیقی بسیار جامع

57 صفحه در قالب word

فهرست

مقدمه                      .                  .  4

انواع سویچ ها                                  4 

کاربردهای سویچ های میکروالکترومکانیکی                        7

دسته بندی سویچ ها                                 . 8

روش های راه اندازی سویچ                             10

ساختار مکانیکی سویچ                                  11

محاسبه ثابت فنر              .                         . 12

انحنای بیم به علت یکسان نبودن استرس در طول آن                  . 17

ثابت فنر ناشی از استرس پس ماند                         . 81

اثر حفره ها روی سطح بیم                            . 19

ثابت فنر برای بیم های با  K کوچک                               21    

آنالیز دینامیک خطی بیم           .                  . 22

محاسبه زمان سوئیچینگ                            32

راه­اندازی الکترواستاتیکی                                  25

ولتاژ لازم برای پایین نگه داشتن بیم متحرک                     28

سوئیچ ­های خازنی خود راه انداز                          29

اثر تغییر دما و نیرو روی عملکرد سویچ                      .  31

مدل مداری سویچ                              . 33

پارامترهای پراکندگی ( S- Parameter  )  . .                  .  34

تلفات                                            35 

سوئیچ­ های جانبی                                      .  38

آشنایی با سویچ  SPDT (single-pole double-throw)               43

بررسی مساله چسبندگی در سویچ های میکروالکترومکانیکی               .  44

پروسه ساخت                                   48

نمونه ای از سویچ های ارائه شده در مقالات                      50

مراجع                      .                  .  54

مقدمه:

سویچ المانی است که به منظور قطع و وصل کردن مسیر سیگنال و یا تغییر مسیر آن در یک مدار الکتریکی  استفاده می شود. تا  حدود سه دهه قبل، سویچ هایی که در سیستم های الکتریکی استفاده می شدند در دو نوع سویچ های مکانیکی و نیمه هادی بودند اما از حدود سال 1980 میلادی به بعد سویچ های میکروالکترومکانیکی (mems switch) پا به عرصه بازار الکترونیک گذاشتند که نسبت به دو نوع دیگر  مزایای قابل توجه و البته معایبی نیز داشتند. استفاده از سویچ های میکروالکترومکانیکی در فرکانس های رادیویی (rf mems switch)  در دهه 90 میلادی آغاز شد. سویچ های فرکانس بالا در سیستم هایی که در حوزه مایکروویو استفاده می شوند( مانند تلفن های موبایل و شبکه های بی سیم) و سیستم هایی که در حوزه امواج میلی متری کار می کنند (مانند رادار و سیستم های ماهواره ای) نقش مهمی را ایفا می کنند. در سیستم های بی سیم، سویچ ها غالبا برای انتخاب مسیر سیگنال استفاده می شوند. مثال آن، سیستم با بلوک های مختلف می باشد که با استفاده از سویچ می توان سیگنال ورودی به سیستم را به بلوک موردنظر ارسال کرد. در سیستم های رادار از مجموعه ای از سویچ ها برای ایجاد بلوک های تاخیر یا شیفت فاز استفاده می شود. ارتباطات راه دور دربردارنده رنج وسیعی از فرکانس ها می باشد که با توجه به محدوده فرکانسی مورد نظرمان، مشخصات سویچ می تواند متفاوت باشد. به پارامترهای مختلفی در بررسی سویچ ها می توان اشاره کرد. ایزولاسیون و تلفات، دو پارامتر مهم در بررسی سویچ می باشند. همچنین میزان مصرف توان پارامتر مهمی بویژه در کاربردهای ماهواره است..

انواع سویچ ها:

همانطور که در مقدمه نیز اشاره شد، سویچ ها را می توان به سه دسته کلی تقسیم کرد:

سویچ مکانیکی     2- سویچ نیمه هادی             3- سویچ  میکروالکترومکانیکی

در سویچ مکانیکی، عمل قطع و وصل  مسیر سیگنال از طریق یک سیگنال کنترل که رله ای مغناطیسی را فعال  می کند انجام می شود. این سویچ ها در حین آنکه  توانایی انتقال توان بالایی را دارند، تلفات کم و ایزولاسیون بالایی را هم می توانند فراهم کنند. اما ضعف آن ها در زمان سویچینگ بالا (سرعت سویچینگ کم) ، اندازه و وزن زیاد آن ها می باشد.

سویچ های نیمه هادی( PIN دیودها و فت ها)، ایزولاسیون و تلفات مطلوبی که سویچ های مکانیکی داشتند را نمی توانند فراهم کنند ولی از سرعت بالا و ابعاد کوچک تری برخوردار هستند. اندیشه ترکیب کردن ساختار این دو نوع سویچ منجر به ایجاد سویچ میکروالکترومکانیکی می شود. یعنی سویچی       ساخته شده با فناوری نیمه هادی و دارای بخشی متحرک برای قطع و وصل مسیر سیگنال. در نتیجه سویچی شکل گرفت که قابلیت های سویچ های مکانیکی و نیمه هادی را با هم داشت. ایزولاسیون و تلفات مناسب به همراه ابعاد کوچک و سرعت مطلوب.

مزایا و چالش های مربوط به  سویچ های میکروالکترومکانیکی را می توان به شکل زیر دسته بندی کرد :

مزایا :

تلفات کم در حالت وصل(به علت مقاومت کوچک حالت وصل)ایزولاسیون بالا در حالت قطع(ناشی از خازن کوچک حالت قطع و در نتیجه امپدانس خازنی بزرگ)مصرف توان پایین (به علت جریان بسیار ناچیز عبوری)خطی بودن

چالش ها:

بسته بندی : مشخصات عملکردی سویچ میکروالکترومکانیکی  بشدت از ذرات معلق در هوا مانند ذرات بخار آب یا هیدروکربن ها و ...  تاثیر می پذیرد. این مساله بسته بندی این سویچ ها را با پیچیدگی هایی همراه می سازد و به عنوان چالشی در آن ها مطرح می باشد.قابلیت اطمینان : سویچ میکروالکترومکانیکی به علت دارا بودن یک بخش متحرک با مشکلات مربوط به ساختارهای مکانیکی روبرو است. مسایلی همچون فرسودگی بخش متحرک، چسبندگی، نقطه جوش شدن در اتصال اهمی و ... از جمله عواملی است که عمر مفید ساختار و قابلیت اطمینان آن را تحت تاثیر قرار می دهد. سرعت پایین : اگرچه سرعت سویچ میکروالکترومکانیکی نسبت به سویچ مکانیکی بیشتر است ولی نسبت به سویچ نیمه هادی سرعت کم تری دارد. ولتاژ راه اندازی بالا : بین ولتاژ راه اندازی سویچ میکروالکترومکانیکی و سرعت سویچینگ آن مصالحه ای برقرار است. 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. اما کاهش ولتاژ به معنی کاهش نیروی الکترواستاتیکی اعمال شده به بخش متحرک سویچ و در نتیجه کاهش سرعت قطع و وصل آن است. لذا در طراحی بنا به کاربرد سویچ، مصالحه ای بین این دو پارامتر باید ایجاد شود.هزینه ساخت : هزینه ساخت این سویچ ها 10 تا 20 برابر سویچ های نیمه هادی بیان شده است.

با در نظر گرفتن مجموعه ای از این  عوامل، بنا به کاربرد موردنظر از سویچ های میکروالکترومکانیکی در حوزه های مختلف استفاده می شود.

چون فقط تکه هایی از متن برای نمونه در این صفحه درج شده است ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود، ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل می‌باشد.
متن کامل با فرمت word را که قابل ویرایش و کپی کردن می باشد، می توانید در ادامه تهیه و دانلود نمائید.

شیفت دهنده ی فاز ممز

شیفت دهنده ی فاز ممز

28 صفحه در قالب word

مقدمه:

یک شیفت دهنده ی فاز یک شبکه ی دو دهانه است که در آن اختلاف فاز بین ورودی و خروجی با یک سیگنال کنترلی که معمولا یک  بایاس DC است کنترل می شود.شیفت دهنده های با تلفات ورودی و توان راه اندازی پایین قابلیت تنظیم پیوسته و هزینه ی ساخت پایین کلید اساسی برای ساخت ارایه های آنتن با اختلاف فاز می باشد.این آنتن ها در مقیاس امواج مایکرومتر ومیلیمتر به این دلیل مورد توجه اند که می توان امواج الکترومغناطیسی را بدون حرکت دادن فیزیکی آنتن جهت داد.این مسئله می تواند با کنترل الکترونیکی فاز سیگنال امکان پذیر باشد..یک آرایه ی آنتن می تواند از هزاران عنصر آنتن که هرکدام هدایت کننده ی موجی اند که بواسطه ی شیفت دهنده ی فاز در جهت متفاوت حرکت می کند.تشکیل شده باشد. بنابراین طراحی شیفت دهنده های فاز کم اتلاف و سبک و کم هزینه برای ساخت این آنتن ها ضروری می باشد.در این تحقیق ما به بررسی انواع شیفت دهنده های فاز پرداخته و مزایا و معایب هر کدام را بیان می نماییم  و تا حد امکان معادلات ریاضی ممکن را برای هر کدام از آنها استخراج می نماییم.

دسته بندی شیفت دهنده های فاز:

شیفت دهنده های فاز در حالت کلی به دو دسته تقسیم می شوند. شیفت دهنده های فاز دیجیتال  که در آن شیفت فاز می تواند تنها مقادیر گسسته ی از پیش تعیین شده ای نظیر 45°,90°,… را اتخاذ کنند و معمولا با کمک سوییچ ها ساخته می شوند. برای مثال یک شیفت دهنده های فاز سه بیتی بر پایه ی شبکه های تاخیر 45/90/180° بوده و می تواند با توجه به ترکیب بیتهای استفاده شده تاخیر فاز هایی مثل    0,45,90,135,180,225,270,315°ایجاد کند. نوع دوم شیفت دهنده های فاز آنالوگ هستند که در آن تغییر فاز پیوسته ممکن است.این شیفت دهندهای فاز معمولا با کمک دیود های وراکتور ساخته می شوند.

امروزه تقاضا برای دو نوع  شیفت دهنده ی فاز وجود دارد،1)فاز ثابت در مقابل فرکانس 2)فاز خطی در مقابل فرکانس.

طراحی های با فاز ثابت در پردازش سیگنال های ماهواره ای،سیستمها و ادوات ارتباطی باند وسیع(میکسر های SSB ،مدولاتور های برداری ،تقویت کننده های متعادل و...) و در سیستمهای ابزاری با دقت بالا کاربرد داشته و در بهترین حالت با شبکه های سوییچینگ و تکنیکهای خطوط انتقال بار شده ساخته می شوند.طراحی های با فاز خطی در مقابل فرکانس هم به طور گسترده ای در ارایه های فازی با تاخیر زمانی واقعی مخصوصا آنهایی که پهنای باند بالایی را پوشش می دهند استفاده شده و براحتی می توانند به وسیله ی خطوط تاخیر ساز با سوییچ ساخته شوند.

در آرایه های آنتنی که از شیفت دهنده ی فاز استفاده می کنند این عنصر طول موثر خط انتقال مسیر سیگنال را تغییر داده که باعث فاز متفاوت برای هر عنصر می شود .پارامتر هایی نظیر  تطبیق امپدانس مناسب قابلیت مدیریت مناسب توان ، توان راه اندازی پایین و سرعت پاسخ دهی بالا پارامترهای مهم در شیفت دهنده ی فاز اند.تا کنون شیفت دهنده های فاز زیادی برای دستیازی به این پارامترها ساخته شده اند.برای مثال شیفت دهنده ی فاز متغیر الکترونیکی که در سال 1957 ساخته شد به دلیل فراهم آوردن تغییر فاز پیوسته در مدت زمان کوتاه گام بزرگی به حساب می آمد.علاوه بر شیفت دهنده های فاز فریتی نوع مهم دیگری از این عناصر در اواسط 1960پدیدار شد که به علت استفاده از دیود PIN به عنوان شیفت دهنده ی فاز نیمه هادی  دسته بندی شد.از آن زمان پیشرفت های زیادی در زمینه ی شیفت دهنده های فاز الکترونیکی بوجود آمد.با کمک تکنولوژی نیمه هادی نوع جدیدی از شیفت دهنده ی فاز مثل ترانزیستور های GaAs ایجاد شد و این شیفت دهنده های فاز می توانند به طور مجتمع ساخته شوند.

به طور کلی شیفت دهنده های فاز فریتی تلفات ورودی کمترو قابلیت مدیریت توان بیشتری را دارا می باشند ولی از  هزینه ی ساخت و پیچیدگی بالایی برخوردارند ولی شیفت دهنده های فاز نیمه هادی هزینه  کمتری  دارند و ابعادشان کوچکتر می باشد ولی کاربرد آنها به دلیل تلفات ورودی بالا محدود می باشد.اخیرا نوع دیگری از شیفت دهنده های فاز بر پایه ی تکنولوژی MEMS مورد توجه قرار گرفته اند تا بتوانند بر محدودیت های فوق غلبه کنند.

انواع شیفت دهنده های فاز و محدودیت های آنها:

شکل صفحه ی بعد  اصول کار یک آرایه ی آنتن را بر پایه ی شیفت دهنده های فاز نشان می دهد.جهت پرتو می تواند با توجه به فاصله ی نسبی بین دو عنصر آنتن کنترل شود.

دو روش اصلی برای طراحی شیفت دهنده های فاز وجود دارد:

1)استفاده از مواد فریتی که در آن شیفت فاز با تغییر  میدان بایاس تغییر می کند

2)استفاده از ادوات نیمه هادی

شیفت دهنده های فاز فریتی:

کارکرد این نوع شیفت دهنده های فاز بر پایه ی اثر متقابل بین امواج الکترو مغناطیسی و الکترونهای چرخان در یک فریت مغناطیس شده می باشد.جهت چرخش یا همان اسپین الکترون با توجه به میدان مغناطیسی فراهم شده تغییر می کند که این باعث تغییر نفوذ پذیری مغناطیسی فریت می شود.بنابراین با کنترل الکتریکی میدان مغناطیسی فراهم شده می توان ثابت انتشار امواج الکترو مغناطیسی و در نتیجه فاز آنها را عوض نمود. شیفت دهنده های فاز فریتی میتوانند در طراحی های مختلفی نظیر موجبر ها ،کابلهای کواکسیال و خطوط استریپ و مایکرو استریپ و در هر دو مد انالوگ و دیجیتال استفاده شوند.

شیفت دهنده های فاز فریتی در آرایه های آنتنی به دلیل وزن سبک و ابعاد نسبتا کوچکشان به طور وسیع مورد استفاده قرار گرفته اند ولی پیچیدگی و محدودیتهای فرکانسی آنها باعث شده تا نشود در بسیاری از مصارف نظامی و همچنین در ادوات ارتباطات سیار مورد استفاده قرار گیرند.

شیفت دهنده های فاز نیمه هادی:

این شیفت دهنده های فاز معمولا به دو دسته ی شیفت دهنده های فاز دیود PIN و شیفت دهنده های فاز FET با توجه به عنصر کنترل کننده ی مورد استفاده در آنها به عنوان سوییچ، تقسیم می شوند.

شیفت دهنده های فاز دیود PIN:

دیود PIN یک پیوند P-N است که داری  ناحیه ی تخلیه ی  بزرگتری از دیود عادی بین دو ناحیه ی N وP  است.افزودن این ناحیه ی ذاتی باعث نتایج متعددی نظیر قابلیت کنترل میزان هدایت در بایاس مستقیم و کاهش خازن در بایاس معکویس می شود.و بدیهی است که کاهش خازن در بایاس معکوس باعث افزایش امپدانس در این مسیر گشته و دیود را هر چه بیشتر به سوییچ ایده ال نزدیک می کند.دیود های PIN  به طرز وسیعی در مدارات مایکروویو برای مدولاسیون دامنه به کار می روند و همچنین سوییچ ها، شیفت دهنده های فاز و محدود کننده های فوق العاده ای در زمینه ی RF محسوب می شوند.

در شیفت دهنده های فاز، دیود PIN به عنوان سوییچ های الکترونیکی استفاده می شوند.شکل زیر مشخصه ی I-V ای دیود را نشان می دهد.

چون فقط تکه هایی از متن برای نمونه در این صفحه درج شده است ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود، ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل می‌باشد.
متن کامل با فرمت word را که قابل ویرایش و کپی کردن می باشد، می توانید در ادامه تهیه و دانلود نمائید.