Rf mems anahtarının tasarım ve yorulma analizi

Abstract

Teknolojinin hızla ilerlemesi mikro-nanoteknoloji uygulamalarını popüler hale getirmiştir ve bu alanda önemli bir yere sahip olan mikro-elektromekanik sistemlerin (MEMS) uygulamaları da doğru orantılı olarak artmıştır. MEMS grubuna ait Radyo Frekansı (RF) uygulamaları özellikle haberleşme alanında çok önem kazanmıştır. Bunun en önemli sebeplerinden birkaçı, çok düşük ekleme kaybı, çok düşük güç gereksinimi ve yarı iletken anahtarlar kullanılarak daha yüksek izolasyon elde etme gibi özellikleridir. Bu avantajları sayesinde oldukça popüler hale gelmişlerdir. RF MEMS cihazların tasarımı için yapılan çalışmaların çoğunda ya statik ve yorulma hesabı yapılmakta, ya çekme gerilme voltajı hesaplanmakta ya da üretim süreçleri anlatılmaktadır. Bu 3 kriter birleştirilerek en verimli anahtar tasarımı ve üretimi için yapılan çalışma sayısı literatürde yok denecek kadar azdır. Bu tezde eksik olan bu 3 kriterin de olduğu bir çalışma yaparak (statik, yorulma analizi, çekme voltaj hesabı, üretim prosesi) daha etkili bir RF kiriş anahtar ortaya koymak hedeflenmiştir. Bu tasarım da konsol tipi RF anahtar yapısının paralel plâka kapasitörleri göz önüne alınarak tasarımı gerçekleştirilmiş ve sonlu elemanlar yöntemi ile statik analizi, yorulma analizi ve analitik olarak da çekme voltajı sonuçları hesaplanmıştır. Bu analizler devamlı yüke maruz kalan kiriş tipi anahtarın güvenli bir şekilde ve daha uzun döngüde çalışması için oldukça önemlidir. Ayrıca incelenen yapıların daha verimli hale gelmesi için geometri üzerinde iyileştirmeler yapılarak yorulma ömründe, çekme gerilmesinde azalma sağlanmıştır.

The rapid advance of technology has made micro-nanotechnology applications popular and the applications of micro-electromechanical systems (MEMS), which have an important place in this field, have increased in proportion. Radio Frequency (RF) applications belonging to MEMS group have gained importance especially in the field of communication. Some of the most important reasons for this are features such as very low insertion loss, very low power requirement and higher isolation using semiconductor switches. Thanks to these advantages they have become quite popular. In most of the work done for the design of RF MEMS devices, either static and fatigue calculations are made, tensile stress voltage is calculated or production processes are explained. By combining these 3 criteria, the number of studies for the most efficient switch design and production is almost nonexistent in the literature. In this thesis, it is aimed to reveal a more effective RF beam switch by conducting a study with these 3 criteria (static, fatigue analysis, tensile voltage calculation, production process) which are missing in this thesis. In this design, the console type RF switch structure was designed by taking parallel plate capacitors into consideration and the static voltage, fatigue analysis and analytically pull in voltage results were calculated with the finite element method. These analyzes are essential for the safe and long cycle operation of the beam type switch, which is constantly exposed to the cycle load. In addition, improvements have been made on geometry to make the structures examined more efficient, thereby reducing fatigue life and pull in stress.