A study on the mechanics of an electrically actuated micro cantilever beam switch

Abstract

Bugünlerde gelişen teknoloji ile artık RF NEMS (Radyo Frekansı Nano Elektro Mekanik Sistemler) olarak da anılmaya başlanan RF MEMS, iletişim teknolojisi için çok önemli bir yere sahiptir. Bu yüzdendir ki boyutları küçültmek, yüksek frekansa ulaşmak, hızlı anahtarlama sağlamak, düşük voltaj harcamak ve uygulama alanlarını genişletmek açısından oldukça gereklidir. Bu tez çalışmasında RF MEMS anahtarları kısaca tanıtılmış, görece küçük, metal temaslı, sinyali kendi üzerinden ileten bir RF MEMS anahtar yapısı tasarlanarak bunun mekanik parametreleri incelenmiştir. Tasarımda bir delik kullanılarak rijitliğin azaltılması hedeflenmiştir. Voltaj uygulanması sonucu tasarlanan ankastre mesnetli kiriş yapısının üzerinde oluşan yayılı yük hesaplanmıştır. Bu yayılı yükün yapacağı sehim temel mukavemet prensipleriyle elde edilmiş ve buradan hareketle üç çeşit yay sabiti hesaplanmıştır. Bu çözüm yöntemi literatürden alınan ve tasarımı benzer bir kiriş modeli üzerinde de doğrulanmıştır. Rezonans frekansı, çökme voltajı, aşağıda tutma voltajı, çökme süresi, serbest kalma süresi, temas kuvveti ve salıverme kuvveti gibi parametreler çalışılmış ve simülasyonu yapılmıştır. Salıverme kuvveti için iki farklı yaklaşım tartışılmıştır. Çözüm sonuçları ile simülasyon sonuçları birbiriyle kıyaslanarak hata oranları tartışılmıştır. Buna ilave olarak, kalıntı stresinin sehim üzerindeki etkisinden de bahsedilmiştir. Ayrıca çökme voltajı hesabı için yeni bir yaklaşım getirilmiş ve bunun akış şeması gösterilmiştir. Simülasyon ve hesaplamalarda MATLAB ve COVENTOR programları kullanılmıştır.

RF MEMS, which is becoming RF NEMS (Radio Frequency Nano Electro Mechanical Systems) nowadays via emergent science, are very important for communication technology. Therefore, minimizing the sizes is essential to achieve higher frequency, faster switching, lower actuation voltage and to enlarge application areas. In this thesis study, RF MEMS switches are briefly introduced. A relatively smaller metal to metal contact, series RF MEMS switch is designed and its mechanical parameters are investigated. A hole is used in design to reduce the stiffness. The distributed load that occurs on the designed beam due to the applied voltage is calculated. Deflection of the beam is determined using principles of mechanics. Hence, three types of stiffness are calculated. This calculation method is verified with a similar design that is taken from literature. Resonant frequency, pull-in voltage, hold-down voltage, switching time, release time, contact force and release force are studied and simulated. For release force calculation, two different approaches are discussed. Solution results and simulation results are compared with each other and the failure ratios are discussed. In addition to this, residual stress effect on the deflection is mentioned. Also a new approach is brought for pull_in voltage calculation and its flow-chart is given. For simulation MATLAB and Coventor software are used.