ﻃﺮاﺣﯽ، ﺷﺒﯿﻪ ﺳﺎزي و ﺑﻬﯿﻨﻪ ﺳﺎزي ﺳﻮﺋﯿﭻ ﺧﺎزﻧﯽ ﻣﯿﮑﺮواﻟﮑﺘﺮوﻣﮑﺎﻧﯿﮑﯽ RF ﺑﻪ ﻣﻨﻈﻮر ﮐﺎﻫﺶ وﻟﺘﺎژ ﺗﺤﺮﯾﮏ

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

بالا بودن ولتاژ تحريك يكي از مهم‌ترين محدوديت‌هاي سوئيچ‌هاي RF MEMS است. يكي از روش­هاي كاهش ولتاژ تحريك، كاهش ثابت فنري در ساختار سوئيچ است. در اين مقاله ثابت فنري سوئيچ RF MEMS با روش انرژي مدل شده و ثابت فنري آن به‌صورت تحليلي به‌دست‌آمده است. نتيجه اين تحليل يك راهنماي طراحي است كه حداقل ميزان مجاز ثابت فنري را نشان مي دهد. سپس ساختار جديدي با ولتاژ تحريك بسيار پايين براي سوئيچ­هاي RF MEMS ارائه مي‌شود كه محدوديت فوق در آن رعايت شده است. نتايج تحليل، مقدار ثابت فنري 0.0714 نيوتن بر متر و مقدار ولتاژ تحريك1.61ولت را نشان مي‌دهد. به‌منظور ارزيابي عملكرد ساختار ارائه‌شده و صحه‌گذاري نتايج تحليل، سوئيچ طراحي‌شده با استفاده از نرم‌افزار COMSOL شبيه‌سازي‌شده است. نتايج اين شبيه‌سازي، ولتاژ تحريك 1.8 ولت، زمان سوئيچينگ 25.6ميكروثانيه، فون مايسس 4.5 مگا پاسكال، فركانس طبيعي 3118.6 هرتز، جرم آن 0.206 نانوگرم و درنهايت ثابت فنر 0.079 نيوتن بر متر را نشان مي‌دهد. جنس پل و بيم‌ها از طلا است و از Si3N4 به‌عنوان دي‌الكتريك استفاده‌شده است. درنهايت، عملكرد فركانس بالاي سوئيچ طراحي‌شده با استفاده از نرم‌افزار HFSS شبيه‌سازي‌شده است. اين شبيه‌سازي، ايزولاسيون 25 دسي‌بل، اتلاف عبوري 0.7 دسي‌بل و اتلاف بازگشتي 16 دسي‌بل را در فركانس 10 گيگاهرتز نشان مي‌دهد.

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.