Shape optimization of mems switches for miniaturization
Mems anahtarların minyatürleştirilmesi için şekil optimizasyonu
- Tez No: 527717
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ HÜSNÜ DAL, DOÇ. DR. MEHMET ÜNLÜ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 117
Özet
Bu tezde eniyilenmiş minyatür ankastre MEMS kiriş yapısındaki kontak anahtarlarının düşük anahtarlama voltajı, düşük anahtarlama süreleri ve göreceli olarak yüksek kontak kuvvetlerinde stabil çalışması sunulmuştur. \\ Katı hal anahtarlarına göre yapısal ve işlevsel avantajları sebebiyle kiriş tabanlı MEMS anahtarların CMOS tabanlı p-i-n diyotlar ve Alan Etkili Transistörlerin (AET) yerini alabileceği umut edilmektedir. Yüksek izolasyon, kapalı pozisyonda sıfır güç tüketimi ve çok düşük üretim maliyetleri, MEMS anahtarların, katı hal anahtarlara göre öne çıkan özellikleridir. Bu çalışmada, altından imal edilecek MEMS ankastre kiriş yapısındaki mekanik kontakt tipi anahtların düşük çekme voltajı (anahtarlama voltajı), düşük anahtarlama süresi ve yüksek kontakt kuvveti elde edilebilecek şekilde optimizasyonu üzerine çalışılmıştır. Düşük çekme voltajı düşük enerji tükemi manasına gelmektedir, düşük anahtarlama süresi ise daha hızlı anahtarlama demektir ve yüksek kontakt kuvveti de anahtarlamanın kararlı olmasını sağlar. 1.6 $\mu m$, 1.4 $\mu m$, 1.2 $\mu m$ ve 1 $\mu m$ kalınlıklarda dört adet ankastre kiriş yapısı eleştirel bir bakış açısı ile ele alınıp analiz edilmiştir. Her kiriş 11 değişik boy konfigurasyonunda incelenmiştir. Kirişin yapısal mukavemetini düşürmek için mesnet noktasında dikdörtgen şeklinde bir delik eklenmiştir, böylelikle çekme voltajı düşürülmüştür. Bu çalışmada, boyutsal olarak küçük olan anahtarların yüksek çekme voltajı, düşük anahtarlama süresi ve yüksek kontakt kuvveti oluşturduğu; boyutsal olarak büyük olan anahtarların ise düşük çekme voltajı, orta seviyede anahtarlama süresi ve düşük kontakt kuvveti doğurduğu gözlemlenmiştir. 1.6 $\mu m$ kalınlığındaki anahtar için, $22 \mu m \times 22 \mu m$ şeklindeki konfigürasyon eniyilenmiş anahtar boyutu olarak bulunmuştur. Bu konfigürasyon 35.62 $V$ çekme voltajı, 17.87 $\mu N$ kontakt kuvveti ve 0.74 $\mu s$ anahtarlama süresi sağlamaktadır. Kalınlığı 1.4 $\mu m$ olan anahtar için, $18 \mu m \times 18\mu m$ şeklindeki boyut eniyilenmiş konfigürasyon olarak bulunmuştur. Bu konfigürasyon 42.81 $V$ çekme voltajı, 0.59 $\mu s$ anahtarlama süresi, 15.60 $\mu N$ kontakt kuvveti doğurmaktadır. Kalınlığı 1.2 $\mu m$ ve 1 $\mu m$ olan anahtarlarda hiçbir konfigürasyon tatmin edici sonuçlar vermemektedir. Bu kalınlıklar için bütün kriterler (çekme voltajı, anahtarlama süresi ve kontakt kuvveti) arzu edilen MEMS çalışma parametre sınırlarının dışında çıkmıştır.
Özet (Çeviri)
This thesis presents miniature optimized cantilever beam MEMS contact switches for low pull-in voltage, low switching time and relatively high contact force for stable switch operation. \\ Beam based MEMS switches are promising replacements of CMOS based p-i-n diodes and field effect transistor (FET) diode switches due to structural and operation advantages over these solid state switches. High isolation, zero power consumption and very low manufacturing cost are promising advantages compared to solid state switches. In this thesis, optimized miniature shape of gold made MEMS cantilever beam contact switches for low pull-in voltage, small switching time and high contact force have been presented. Low pull-in voltage ensures low power consumption, small switching time facilitates faster operation and high contact force ensures stable operation of switch. Four cantilever beams with thickness 1.6 $\mu m$, 1.4 $\mu m$, 1.2 $\mu m$ and 1 $\mu m$ have been critically analyzed. 11 configurations for each beam based on different length and width have been modeled. A rectangular hole has been introduced at anchor point of beam in order to reduce the stiffness of beam which in turns reduces pull-in voltage. Results show that hole at anchor point significantly reduces stiffness of beam, and hence pull-in voltage also decreases. It has been also found in this study that, small dimension switch gives high pull-in voltage, small switching time and high contact force whereas large dimension switch gives low pull-in voltage, moderate switching time and low contact force. The configuration with dimension $22 \mu m \times 22 \mu m$ has been found as miniature optimized shape of switch with thickness 1.6 $\mu m$. This configuration gives pull-in voltage of 35.62 $V$, contact force of 17.87 $\mu N$ and switching time of 0.74 $\mu s$. In case of switch with thickness 1.4 $\mu m$, configuration with dimension $18 \mu m \times 18\mu m$ has been found as miniature optimized shape. It gives pull-in voltage of 42.81 $V$, switching time of 0.59 $\mu s$, contact force of 15.60 $\mu N$. In case of switches with thickness 1.2 $\mu m$ and 1 $\mu m$ , no configuration provides satisfactory results for MEMS application. Any of one criterion from pull-in voltage, switching time and contact force does not satisfy the desired requirement for stable switch operation.
Benzer Tezler
- Design, fabrication and characterization of liquid-solid microelectromechanical DC-contact switches
Sıvı-katı mikroelektromekanik DC-kontak anahtarların tasarımı, üretimi ve ölçümü
ENGİN ÇAĞATAY
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. NECMİ BIYIKLI
- Design, analysis, simulation and optimization of a MEMS Lorentz force magnetic field sensor for biosensing of biowarfare agents
Biyolojik savaş ajanlarının tespit uygulamaları için Lorentz kuvveti temelli manyetik alan sensörünün tasarımı, analizi, simülasyon ve optimizasyonu
EMİNE RUMEYSA YILMAZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LEVENT TRABZON
- Design simualtion and analysis of piezoresistive microcantilever for biosensing applications
Biyolojik tespit uygulamaları için piezoresistive mikrokantilever tasarım, simülasyon ve analizi
AMAL AHMED
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Biyomühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LEVENT TRABZON
- Surface acoustic wave based sonoporation microsystems forsingle tumor cell applications
Başlık çevirisi yok
BURAK YILDIRIM
- MEMS fourier transform spectrometer using lamellar grating
Kırınım ızgaralı MEMS fourier dönüşümü spektrometre
HÜSEYİN RAHMİ SEREN
Yüksek Lisans
İngilizce
2009
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
DOÇ. DR. HAKAN ÜREY