طراحی، شبیه‌سازی و بهینه‌سازی سوئیچ خازنی میکروالکترومکانیکی rf به‌منظور کاهش ولتاژ تحریک

بالا بودن ولتاژ تحریک یکی از مهم‌ترین محدودیت‌های سوئیچ‌های rf mems است. یکی از روش های کاهش ولتاژ تحریک، کاهش ثابت فنری در ساختار سوئیچ است. در این مقاله ثابت فنری سوئیچ rf mems با روش انرژی مدل شده و ثابت فنری آن به‌صورت تحلیلی به‌دست‌آمده است. نتیجه این تحلیل یک راهنمای طراحی است که حداقل میزان مجاز ثابت فنری را نشان می دهد. سپس ساختار جدیدی با ولتاژ تحریک بسیار پایین برای سوئیچ های rf mems ارائه می‌شود که محدودیت فوق در آن رعایت شده است. نتایج تحلیل، مقدار ثابت فنری 0.0714 نیوتن بر متر و مقدار ولتاژ تحریک1.61ولت را نشان می‌دهد. به‌منظور ارزیابی عملکرد ساختار ارائه‌شده و صحه‌گذاری نتایج تحلیل، سوئیچ طراحی‌شده با استفاده از نرم‌افزار comsol شبیه‌سازی‌شده است. نتایج این شبیه‌سازی، ولتاژ تحریک 1.8 ولت، زمان سوئیچینگ 25.6میکروثانیه، فون مایسس 4.5 مگا پاسکال، فرکانس طبیعی 3118.6 هرتز، جرم آن 0.206 نانوگرم و درنهایت ثابت فنر 0.079 نیوتن بر متر را نشان می‌دهد. جنس پل و بیم‌ها از طلا است و از si3n4 به‌عنوان دی‌الکتریک استفاده‌شده است. درنهایت، عملکرد فرکانس بالای سوئیچ طراحی‌شده با استفاده از نرم‌افزار hfss شبیه‌سازی‌شده است. این شبیه‌سازی، ایزولاسیون 25 دسی‌بل، اتلاف عبوری 0.7 دسی‌بل و اتلاف بازگشتی 16 دسی‌بل را در فرکانس 10 گیگاهرتز نشان می‌دهد.

Design, simulation and optimization of an RF MEMS capacitive switch to reduce actuation voltage

High actuation voltage is one of the most important limitations of RF MEMS switches. One way to reduce the actuation voltage is to reduce the spring constant in the switch structure. In this paper, we model the spring constant using Energy Model and we obtain an analytic equation to calculate it. The result is an analytic design guide that determines the minimum value of the spring constant. Then, a new RF MEMS structure with very low actuation voltage is presented. The structure is modeled by the energy method and the spring constant is calculated analytically. Analysis results show the spring constant of 0.0714 N/m and an actuation voltage of 1.61 V. To evaluate the performance of the proposed structure and to validate the results of the analysis, a switch was designed using simulated COMSOL software. 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.