Design, fabrication and characterization of liquid-solid microelectromechanical DC-contact switches
Sıvı-katı mikroelektromekanik DC-kontak anahtarların tasarımı, üretimi ve ölçümü
- Tez No: 313503
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. NECMİ BIYIKLI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2012
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 106
Özet
İnsanlar, yaşam destek sistemleri ve veri iletişim merkezleri gibi kritik öneme sahip uygulamalardan telefon ve sokak aydınlatması gibi günlük ihtiyaçlara kadar çeşitli alanlarda elektronik anahtarların başarımına muhtaçtır. Günümüzde, bu anahtarların ezici çoğunluğunda yarı-iletken temelli katı hal teknolojisi kullanılmaktadır. Anahtarlama hızı nano saniyelerle ölçülen bu anahtarlar, CMOS uyumlu olma avantajının yanı sıra, katı-katı mekanik kontaklara sahip olmadıkları için, Mikroelektromekanik-Sistem (MEMS) anahtarlardan farklı olarak kontak sıçraması, yapışması ve zamanla kontak direncinin artması gibi sorunlarla karşılaşmazlar. Bu nedenle de, yüksek güvenirliğin yanında, oldukça uzun çalışma ömrüne sahiptirler. Tüm bu avantajlarına rağmen, 2-6 ? gibi yüksek iletken durum direncine, 105-107 ? aralığında düşük bir iletken durum sönümlenmesine ve görece düşük güç-taşıma kabiliyetine sahiptirler. Bunlara ek olarak, başarımlarının sıcaklığa ve radyasyona hassas olması, çalışma koşullarına sınırlamalar getirmektedir.Katı hal elektronik anahtarlar dışında başlıca diğer anahtarlama teknolojisi olan katı-katı DC-kontak MEMS anahtarlar, gelen akımı anahtarın iki katı metalik yüzeyi bir araya gelip temas sağladığında aktarır. MEMS anahtarlar çok iyi RF başarımı sağlasa da, gerekli olan katı-katı yüzey teması genelde idealden uzaktır. Bunun nedeni, iki temas yüzeyinin de sahip olduğu mikro ve nano boyuttaki pürüzlülükten dolayı, temas sırasında birbirlerine tam olarak değememesidir. Sonuç olarak, gerçek temas alanı, görünenin sadece küçük bir kısmına karşılık gelmektedir. Bu tür anahtarlar, anahtar sıçraması, mikrokaynak, yapışma ve temas bozulması gibi mekanik sorunlara maruz kalırlar ve bunun sonucunda, uzun dönemli güvenirlik sorunlarının yanında zamanla azalan bir anahtarlama başarımı gösterirler.Bu noktada alternatif bir anahtarlama teknolojisi olarak, hareket eden sıvı metal damlaları kullanan sıvı-katı MEMS anahtar yapıları önerilebilir. Bu ümit veren yenilikçi aygıt mimarisi, geleneksel katı-katı MEMS anahtarlara benzer olarak, yüksek yalıtım ve düşük araya sokma yitimi sağlamaktadır. Ayrıca, hareket eden hassas katı parçaları olmadığından sıvı-katı MEMS anahtarlar mekanik yorulma, yüksek temas direnci ve yapışma gibi sorunlardan potansiyel olarak etkilenmezler.Bu çalışmanın amacı, sıvı-katı MEMS anahtarlar tasarlamak, üretmek ve daha sonra, yalıtkan üzerinde elektrikle ıslatma (electrowetting-on-dielectric, EWOD) ilkesini kullanarak, ötektik Ga-In (EGaIn), Galyum İndiyum Kalay alaşımı (Galin-stan), ve civa (Hg) sıvı metal damlalarının harekete geçirilmesi kabiliyetlerini ölçmek ve incelemektir. Bu çalışmada kare, birbirine geçmiş parmaklar ve hilal gibi değişik harekete geçirme elektrotu şekillerinin, damlacıkların harekete geçme özellikleri üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Harekete geçirme elektrotuyla toprak elektrotu arasında 30-100 V voltajın uygulanmasıyla, sıvı metal damlacıklarının hareket ettiği gözlemlenmiştir. Bu çalışmada sunulan cihaz yapıları, alternatif yüksek-başarımlı anahtarların geliştirilmesinde potansiyel kullanım alanı bulabilir.
Özet (Çeviri)
From critical applications such as life support systems and massive data communication centers to every day necessities like mobile phones and street lighting, people depend on the performance of electrical switches. Today, the vast majority of electrical switches are of solid-state semiconductor type. They are fast, with nanosecond response times, have the advantage of being produced by CMOS-compatible microfabrication processes, and unlike their major competitor counterparts, i.e., microelectromechanical systems (MEMS) switches, they do not suffer from mechanical contact issues like contact bounce, stiction, or contact degradation, due to the absence of solid-to-solid mechanical contacts. Therefore, electrical switches exhibit extremely long life times with superior reliability performance. However, they have a high ON-state resistance of 2-6 ?, low open-state impedance on the order of 105-107 ?, and show relatively low power-handling capabilities. In addition, their temperature and radiation-sensitive performance, limits their range of operating environment.The major counterpart switching technology, solid-to-solid DC-contact MEMS switches, on the other hand, transmit current when the two surfaces, namely dimple and contact pad, make contact. Although MEMS switches show very good RF performance, the required solid-to-solid contact is often quite non-ideal. This stems from the fact that the two contact surfaces have certain micro or nano-scale roughness including nano-scale asperities and thus cannot conform perfectly onto each other. Consequently, the actual contact area is only a small fraction of the apparent one. These devices suffer from mechanical problems such as switch bouncing, microwelding, adhesion and contact degradation, and as a result show degraded switching performance over time with long-term reliability issues.At this point, an alternative switching technology might be the proposal of liquid-to-solid MEMS (LS-MEMS) switches using movable liquid metal droplets. This promising concept enables electrical switches with higher isolation and lower insertion loss, much like conventional solid-solid MEMS switches. Moreover, since they do not have fragile moving solid parts, LS-MEMS switches potentially do not suffer from mechanical fatigue problems increased contact resistance and stiction/adhesion problems.Our aim in this study is to design and fabricate LS-MEMS switches, whereby we can characterize and examine the actuation of metallic liquid droplets, namely eutectic Ga-In (EGaIn), Gallium Indium Tin alloy (Galinstan), and mercury (Hg) using electrowetting on dielectric (EWOD) principle. We have investigated the effect of different actuation electrode geometries like rectangular, interdigitated fingers and crescent-shaped electrodes on the droplet actuation. With the application of 30-100 V voltage difference across the actuation electrode and the ground electrode, the metallic liquid droplets were observed to be actuated. With further optimization, LS-MEMS device structures demonstrated in this work might have potential applications as alternative high-performance electrical switches.
Benzer Tezler
- Fabrication and characterization of liquid electrolyte gated polymer field effect transistor for basic circuit applications
Temel devre uygulamaları için sıvı elektrolit kapılı polimer ince film transistörlerin üretimi ve incelenmesi
BERKAN YAMAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. ŞENOL MUTLU
- Gümüş nanotanecik katkılı nanokompozit malzemelerin üretimi ve karakterizasyonu
Fabrication and characterization of silver doped nanocomposites
ÖZLEM KABAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SADRİYE OSKAY
- Design and characterization of aromatic thermosettingcopolyester resin for polymer matrix nanocomposites
Aromatik termosetin tasarımı ve karakterizasyonupolimer matrisli nanokompozitler için kopoliester reçine
METE BAKIR
Doktora
İngilizce
2019
Makine MühendisliğiUniversity of Illinois at Urbana-ChampaignMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. IWONA JASIUK
- Design of anode active materials from hot dip galvanizing waste for lithium ion batteries
Lityum iyon piller için sıcak daldırma galvaniz atıklarından anot aktif malzemelerin tasarımı
ORHUN OĞUZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BİLLUR DENİZ KARAHAN
- Sol–jel yöntemi ile hazırlanan TiO2–SiO2 nanokompozit ince filmlerin fiziksel ve mekanik özelliklerinin incelenmesi
Investigation of physical and mechanical properties of TiO2–SiO2 nanocomposite thin films prepared by sol-gel method
EZGİ DENİZ BİÇER
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ESRA ÖZKAN ZAYİM
UZMAN REFİKA BUDAKOĞLU