一个电容式MEMS开关的动态研究双Clamped-Clamped微光束

文摘

我们研究电容式MEMS开关由两个clamped-clamped exible微光束。我们首先建立一个数学模型的MEMS开关上微光束代表地下输电线路和下一个代表中央输电线路。两者之间的静电力是应用微光束产生开关的开关状态。我们推导出系统的运动方程和相关的边界条件,解决了使用微分二次静态和动态问题的方法。我们表明,使用只有9网格点给出相对准确的结果相比,使用有限元法获得。我们还检查微动开关的瞬态行为和获得的结果表明随后降低驱动电压,开关时间和能耗预计随着射频性能相对较好。本文使用ANSYS基于模拟器提取射频微动开关的特性。基于仿真结果表明,插入损耗低至−0.31 dB,回波损耗比−12.41 dB在10 GHz的状态。在关闭状态,隔离低于−23分贝的范围10到50个GHz。

1。介绍

在电信,MEMS设备提供大量的组件来取代古典元素半导体电路。微型硅微谐振器微弱谐振和使用一系列的应用程序扩展移动电话和无线网络的光纤通信和多路复用网络(1- - - - - -3]。这些设备的主要任务切换、过滤和调优。等效电路元素这些设备(PIN二极管和场效应晶体管场效应晶体管)通常具有能耗高、可靠性低、高成本。此外,他们现在不满意的性能高信号频率(4];他们给高插入损耗和隔离开关切换州立不足。

射频MEMS (rf微机电系统)组件最近广泛开发和用于多个应用程序。特别是,rf微机电系统微型开关用于电信应用程序来取代传统的微电子开关(二极管和晶体管)。这些微型提出一种改进的插入损耗和良好的隔离在“开/关”开关状态(4]。然而,他们是有限的高驱动电压(30伏特)和开关时间慢(约300微秒)。因此,一些研究人员希望改善开关时间,降低驱动电压,并将rf微机电系统集成开关集成电路(5]。为了满足这种集成,RF MEMS开关必须满足下列条件:(一)非常小的尺寸,(b)低驱动电压、低功耗和(c)礼物。

几个驱动机制被用来开动rf微机电系统开关如电磁(6],静电[7)、热(8),和压电9]。由于它的简单集成,静电驱动代表最常用驱动技术目前(10]。这也是由于其低功耗,以及电极尺寸小,此外,它很容易与IC集成电路和与其他机制相比它提供了切换时间短。然而,它需要相对较高的直流电压,因此,需要一个额外的CMOS集成升频器典型的5 V控制电压提高到所需的级别。

静电驱动结构呈现几个非线性,可以变得不稳定。这些非线性主要由于静电力的性质是成反比的平方两个电极之间的距离。突然崩溃的可动部分可以观察到临界电压(拉片)的微动开关实现其打开或关闭状态。文学的临界不稳定分为静态和动态拉片。静态同步引入直流电压超过阈值时,就会出现与最大位移变化从33%到41%的原始电极间距的距离。另一方面,动态临界当系统发生兴奋使用交流和直流电压的组合。在这种情况下,动态临界失稳前进行静态拉片(11,12]。Nayfeh et al。13]表明,动态临界发生在电压低至25%的静态临界电压谐振频率。最近卡特et al。14通过实验验证这种方法;他们开发了基于频率扫描的动态驱动方法并联一个电容微动开关。拟议的技术导致微动开关的驱动电压的降低60%。

开关驱动电压的降低静电rf微机电系统可以通过使用不同的机械性能(i),减少微光束刚度,(2)增加了静电表面,和/或(3)减少静电的差距。这些变化降低rf微机电系统开关的主要参数,如隔离。Abbaspour-Sani和Afrang提出等效刚度的降低微动开关的结构是由两个可替换的微型板块(15];这个保存微动开关参数,同时增加它的生命周期。同样,Chaffey和奥斯汀16)降低了微系统的等效刚度和得出结论,使用双悬臂微光束结构,单个微光束结构相比,极大地降低了临界电压。最近Samaali et al。17)表明,当我们使用双悬臂微光束设计射频微动开关,减少临界电压,开关时间和功耗。

本文探讨了静态和动态行为的静电驱动电容射频微动开关接触。提出的设计由一对桥与夹头微光束。两者之间的静电力是应用微光束(电极)导致其变形量和上微光束到下一个的崩溃,当达到临界电压。我们研究RF微动开关的静态和瞬态响应我们改变应用直流电压和研究它的开关周期。电力驱动周期的要求也在研究并与经典的单波束设计。

2。模型描述和降维模型

2.1。问题公式化

电容式微型开关的示意图如图1。它由双悬桥表示地面和中央输电线路。上下横梁都夹在他们结束衬底。介电层用于单独的电极和防止电气短路。微光束建模使用使用以下无量纲coupled-integral-partial-differential Euler-Bernoulli梁理论方程和它们相关的边界条件(18]: 在哪里是无量纲的每个微光束偏转无量纲时间吗在无量纲的位置和。点表示的导数和黄金衍生品。代表梁的无量纲阻尼相关的品质因数,是无量纲固有频率,是无量纲的轴向力产生的残余应力,是直流电压,的长度是两个微光束。变量是nondimensionalized使用以下形式: 的帽子表示相应的空间量。在这里是密度,弹性模量,,,,梁的宽度、厚度、横截面面积,分别和截面惯性矩。是初始差距微光束和之间的距离是介电层厚度。微动开关的几何和物理参数表1。




510年μ米	100年μ米	1.5μ米	1.18μ米	2300公斤/米³	166年平均绩点	8.851十⁻¹²F / m	0.236μ米

2.2。离散化和降维模型

PDE DQM转换成一组常微分方程描述的运动指定的一组离散点(网格)相应的连续空间变量的离散值。这是通过表达,在每个网格点,挠度函数的导数关于空间变量的加权线性和这个函数的值网格点(19]。也就是说, 在哪里,Chebyshev-Gauss-Lobatto网格点定义为(19],的加权系数阶导数。这些系数确定使用拉格朗日插值多项式的测试函数(3)。他们是由(20.,21] 在哪里相对应的矩阵吗阶导数。这些矩阵中心对称的当甚至和skew-centrosymmetric当是奇数。

根据先前发表的作品(18,22),DQM是一个合适的方法来产生降维模型(ROM)的clamped-clamped微光束与非线性静电力。我们使用网格点离散化的空间和获得一个ROM耦合的二阶常微分方程(ode)和相关的边界条件,描述微动开关的运动: 在哪里,。相关的静态代数非线性系统是使用牛顿迭代的解决Mathematica。瞬态分析是获得使用长时间集成(LTI)通过龙格-库塔方法。

3所示。响应的直流电压下的微动开关

3.1。静态直流电压作用下的地震反应

图2显示静态变形量的变化在微光束的中心应用直流电压的增加。这里由于对称性的问题只会显示一个微光束的偏转。获得的静态响应使用DQM网格(9分)和验证有限元(FE)分析的静态响应使用商业软件ANSYS获得。比较经典的静态响应的系统使用一个微光束如图微动开关2。计算静态同步引入电压与单、双微光束3.01 V和4.38 V,分别。因此对静态分析降低驱动电压。然而,撤出电压,也显示在图2电压降低,需要比单波束的情况。事实上,减少所需的电压为0.37 V对于双光束的情况,虽然它只需要0.26 V减少单一撤军。这种差异是由于系统的整体刚度降低。

3.2。直流电压下瞬态响应

不同应用下的瞬态分析微动开关直流电压如图3。长时间使用集成的龙格-库塔离散化技术来计算瞬态响应的两个微光束中的一个直流电压。在图3我们显示变化的瞬态响应不同应用的直流电压。如图所示的解决方案是发散的应用电压达到2.75 V和微光束拉。这里我们观察之间的区别静态的拉片(3.01 V)和价值瞬态拉片值(2.75 V),这种不匹配实质上是由于惯性微光束的影响,没有考虑到静态分析。

4所示。使用瞬态拉片同步引入时间和功率要求

切换时间和功耗(开关电源)是重要的参数在RF MEMS开关,和他们构成微型开关的主要限制23]。当外加电压增加了静电力高于微光束的弹性恢复力和顶梁接触低梁造成拉片。所采取的时间切换到同步引入称为开关时间或拉片时间。在该设计每个微光束传播距离只有50%的差距达到微动开关的断开状态。因此,开关时间短相比单波束设计。

静电能量的平均值被定义为(6)。这种力量对应于瞬时静电功率之和的平均值在拉片时间,由近似平行各图所示4。所选的各相关选择DQM网格点运动方程离散化。方程(6)是数值求解在每次即时的瞬时功率集成同步引入时间期间。是给定的离散电容电压应用。在哪里

在图5我们研究的影响应用同步引入时间上的直流电压。在这个图中,我们表明,后者显著减少通过增加外加电压在两个单引号和双光束配置。很明显,使用直流电压驱动微动开关为双梁的设计提供了显著提高性能。

我们也检查的静电能量需求的设计。我们注意到,在图6,双光束开关需要降低驱动功率相比单波束设计。我们也备注在图6获得最小静电功率在4.22 V单跨梁设计,2.92 V的双光束设计高于这两种情况下的瞬态临界电压。在图7我们展示了静电能量的变化和拉片时间,观察使用的最小功率的单引号和双梁设计;瞬态拉片时间几乎相同。然而,在本例中使用的功率较低的双梁设计。

5。电磁模型分析

在本节中,我们专注于上述并联电容式MEMS开关的行为。开关的全波电磁仿真是利用Ansys基于完成的。的参数中提取频率范围从0.1 GHz 50 GHz对不同位置的微动开关。在模拟盒子的大小使用辐射和边界条件对四方的盒子,两波端口放置在盒子的另外两个方面。波端口边界条件,允许能量流入和微动开关的结构。

使用的硅衬底有相对介电常数的记者。衬底的厚度。CPW导体(地面和中心输电线路)应该是完美的导体。中央输电线路导线的数据被认为是涂上硝酸硅()7的相对介电常数和厚度。微动开关是由两个短的传输线的特性阻抗,一个集总resistance-inductance-capacitance (RLC)模型桥的电容有北部或南部的价值。开关的等效电路如图8。在北部,开关的行为作为一个电容器当频率低于感容(LC)系列共振频率和电感器当频率高于LC串联谐振频率,共振,它减少了纯电阻(24]。传输系数(S₁₂和S₂₁)通常称为增益或衰减、反射系数(S₁₁和S₂₂)是直接关系到阻抗(25]。在国家的耦合电容的值很小,由于大型上下梁之间的分离。的的参数₂₁和S₁₁)提取50 0.1 GHz范围。

在图9的插入损耗₂₁)微动开关的状态是不同的从0.31−−0.1分贝与间隙距离10 GHz从1.18变化到。回波损耗(S₁₁)不同−12.41−20.36 dB 10 GHz范围相同的差距。我们得出这样的结论:增加之间的距离上、下横梁,我们最小化耦合电容和增减,分别,回波损耗和插入损耗。有足够的外加电压,地面中央输电线路输电线路和微动开关转移并创建一个大的耦合电容;微动开关在关闭状态。的隔离₂₁)低于−23分贝范围内的10到50个GHz,如图10。

6。结论

我们提出一个设计的电容式RF微动开关有两个灵活的微光束。新的设计允许驱动电压减少32%相比,一个经典的单波束设计。开发了一个数学模型来分析静态和瞬态行为在不同应用直流电压。我们观察到瞬态拉片发生在静态同步引入电压降低至8.6%。然后我们研究和比较了开关时间和开关电源单和双光束设计在不同直流驱动。我们表明,新的双光束设计给显著改善开关时间和功率要求。最后,Ansys基于模拟器是用来提取射频开关的特性。模拟结果表明,−0.31 dB的插入损耗和回波损耗−12.41 dB 10 GHz差距的距离取得了国家。这些结果可以改善通过增加距离的差距。在关闭状态隔离低于−23分贝范围内提取10到50个GHz的Ansys基于模拟器。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

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