مهندسی برق

اختراع برق باعث دگرگونی صنعت در ابعاد مختلف شد. برق یعنی زندگی

مهندسی برق

اختراع برق باعث دگرگونی صنعت در ابعاد مختلف شد. برق یعنی زندگی

مهندسی برق

با سلام

محمد حسین متانت دانش‌ آموخته رشته مهندسی برق هستم .در این وبلاگ اطلاعات مربوط به،مقالات،جزوات و کتاب ها و مطالب علمی مربوط به رشته برق ارائه می گردد.

هرگاه در پی چیزى هستى، بلند همت باش و آن‏گاه که چیره شدى، در پیروزى کریم باش.
حضرت علی (علیه السلام)

همراهان عزیز جهت خبر دار شدن از جدید ترین مطالب سایت،سایت را به دنبال داشته باشید.👇🏻

پیوندها

تکنولوژی سوئیچ های RF MEMS

يكشنبه, ۲۶ دی ۱۴۰۰، ۰۷:۳۰ ب.ظ

این مقاله آخرین پیشرفت ها در زمینه ی سوئیچ های RF MEMS را ارائه کرده است و همچنین کاربردهای بالقوه ی این سوئیچ ها در سیستم های تجاری و دفاعی را مورد بررسی قرار داده است. این به نظر می رسد که وسایل دارای RF

تکنولوژی سوئیچ های RF MEMS
 

مترجم: حبیب الله علیخانی
 

چکیده

این مقاله آخرین پیشرفت ها در زمینه ی سوئیچ های RF MEMS را ارائه کرده است و همچنین کاربردهای بالقوه ی این سوئیچ ها در سیستم های تجاری و دفاعی را مورد بررسی قرار داده است. این به نظر می رسد که وسایل دارای RF MEMS کارایی قابل توجهی را در زمینه ی فرکانس های میکروویو فراهم می آورند اما مسائل مربوط به قابلیت اطمینان و هزینه های بالای بسته بندی، از جمله مسائل محدود کننده ی استفاده از این وسایل است. با وجود این مسائل، این تکنولوژی نسبت به وسایل سوئیچینگ سیلیکونی و GaAs دارای مزیت است . از این رو، این تکنولوژی در آینده، کاربردهای زیادی در ماهواره ها، و کاربردهای پایگاهی و دفاعی دارد (مخصوصا در فرکانس های میکروویو).

طرفداران و مخالفان سوئیچ های RF MEMS

سوئیچ های MEMS میکروماشین های سطحی هستند که از حرکت مکانیکی برای ایجاد یک مدار کوتاه یا مدار باز در خط انتقال RF استفاده می کنند (شکل 1). سوئیچ های RF MEMS سوئیچ های میکرومکانیکی ویژه ای هستند که برای کار در فرکانس های RF تا فرکانس های موج در حد میلی متر( 1/0 تا 100 GHz)، ساخته شده اند. مزیت های سوئیچ های MEMS نسبت به دیودهای PIN یا سوئیچ های FET عبارتند از:
مصرف بسیار اندک برق: تحریک الکترواستاتیک این وسایل نیازمند ولتاژی در گستره ی 30 تا 80 ولت است اما این بخش ها جریانی ایجاد نمی کنند. این مسئله منجربه استفاده ی اندک این وسایل از انرژی برق است. به عبارت دیگر، سوئیچ های مغناطیسی یا گرمایی جریان قابل توجهی را مصرف می کنند، مگر آنکه به گونه ای ساخته شوند که با اعمال یک نیروی اندک به حالت پایین تبدیل شوند.
ایزولاسیون بسیار بالا: سوئیچ های RF MEMS با اتصال الکتریکی فلزی، با استفاده از فواصل هوایی ساخته می شوند و بنابراین، دارای خازن های حالت خاموش پایینی هستند (2-4 fF). این مسئله موجب می شود تا ایزولاسیون استثنایی در فرکانس های 1/0 تا 60 GHz ایجاد شود. همچنین سوئیچ های خازنی با نسبت خازنی 60-160، ایزولاسیون خوبی را در گستره ی 8 تا 100 GHz ایجاد می کند.
میزان اتلاف بسیار اندک: سوئیچ های RF MEMS با اتصال فلزی و سوئیچ های خازنی تا فرکانس 100 GHz، دارای اتلاف 1/0 دسی بل است.

تکنولوژی سوئیچ های RF MEMS

خطی بودن و محصولات مدولاسیون داخلی

سوئیچ های MEMS وسایل با میزان خطی بودن بالایی هستند و بنابراین، محصولات مدولاسیون داخلی آنها در هنگام عملیات های سوئیچینگ و تنظیم کننده، بسیار اندک است. کارایی آنها که بین 30-50 dB است، بهتر از سوئیچ های PIN و FET است.
پتانسیل مناسب برای کاهش قیمت:‌ سوئیچ های RF MEMS با استفاده از روش های میکرومکانیکی ساخته می شوند و می توان آنها را از کوارتز، پیرکس، LTCC، سیلیکون با مقاومت بالا یا زیرلایه های GaAs ساخت.
سوئیچ های RF MEMS همچنین دارای مسائل مربوط به خود هستند. این مسائل عبارتند از:
سرعت های نسبتا پایین:‌ سرعت سوئیچینگ بیشتر سوئیچ های الکترواستاتیک تولید شده از MEMS ها ، برابر با 2 تا 40 میکروثانیه است. این در حالی است که این عدد برای سوئیچ های گرمایی یا مغناطیسی برابر با 200-3,000 میکروثانیه است. سیستم های راداری و ارتباطی خاص، نیازمند سوئیچ های سریع تری هستند.
وسایل با ولتاژ یا جریان بالا: سوئیچ های MEMS الکترواستاتیک نیازمند ولتاژهایی در حد 30 تا 80 ولت هستند بنابراین، این وسایل در هنگامی که در سیستم های ارتباطاتی قابل حمل مورد استفاده قرار می گیرند، نیازمند یک چیپ تبدیل ولتاژ هستند. سوئیچ های گرمایی و مغناطیسی می توانند با استفاده از یک ولتاژ بین 2 تا 5 ولت، بکار انداخته شوند اما نیازمند جریان 10 تا 100 میلی آمپر هستند.
توان مورد استفاده: بیشتر سوئیچ های MEMS نمی توانند در توان های بیشتر از 200 mW استفاده شوند، اگرچه برخی از سوئیچ های دارای توان بالاتر (تا 500 mW) هستند. سوئیچ های MEMS که دارای توان 1-10 میلی وات و قابلیت اطمینان بالا باشند، امروزه وجود ندارند.
قابلیت اطمینان: قابلیت اطمینان سوئیچ های MEMS تقریبا 1/0 تا 40 میلیارد سیکل است. به هر حال، بسیاری از سیستم ها نیازمند سوئیچ هایی هستند که دارای 20 تا 200 میلیارد سیکل باشند. همچنین قابلیت اطمینان طولانی مدت (سال) هنوز هم حاصل نشده است. این مسئله هم اکنون فهمیده شده است که سوئیچ های خازنی (شکل 2) با بدار شدن دی الکتریک محدود می شوند. این در حالی است که سوئیچ های با اتصال های فلزی به خاطر مشکلات ایجاد شده در سطح مشترک بین فلزات، مشکل پیدا می کنند (این مشکل تحت نیروهای تماسی پایین، بیشتر نمود دارد.

تکنولوژی سوئیچ های RF MEMS

این مسئله مهم است که بدانید، قابلیت اطمینان و مسائل ایجاد شده در زمینه ی بسته بندی، فاکتورهای محدود کننده برای توسعه ی سوئیچ های RF MEMS است. هم اکنون نیز این مسائل با سرمایه گذاری های هنگفت در حال بررسی و تحقیق می باشند. DARPA دو برنامه در سال های 2002 و 2003 برای بررسی و آدرس دهی این مشکلات، انجام داده است. این پروژه ها، برنامه بهبود RF MEMS و برنامه ی HERMIT نامیده می شوند. این انتظار وجود دارد که برخی از این مشکلات در چند سال اخیر قابل حل باشند.
بسته بندی: سوئیچ های MEMS نیاز دارند تا در اتمسفر خنثی (اتمسفر آرگون، نیتروژن یا ... ) و با میزان رطوبت اندک بسته بندی شوند. با این کار، آب بندی مناسب در این قطعات انجام می شود. هزینه ی این بسته بندی ها، هم اکنون به نسبت بالاست و روش های بسته بندی نیز به خودی خود ممکن است دارای اثر معکوس بر روی سوئیچ MEMS داشته باشند. مونتاژکاری درمقیاس میکرو (شکل 3)، و وسایل آنالوگ، دارای اثرات استثنایی در زمینه ی بسته بندی سوئیچ های RF MEMS هستند. بسته بندی با استفاده از مونتاژکاری درمقیاس میکرو، بر اساس پرس طلا به طلا در دمای 250 درجه ی سانتیگراد، پایه گذاری شده است در حالی که بسته بندی وسایل آنالوگ بر اساس آب بندی شیشه به شیشه و در دمای 450 درجه ی سانتیگراد انجام می شود. سایر شرکت هایی که در زمینه ی بسته بندی سوئیچ ها فعالیت دارند، عبارتند از Teravicta و Omron.

تکنولوژی سوئیچ های RF MEMS

هزینه : در حالی که سوئیچ های MEMS دارای پتانسیل کاهش هزینه ی ساخت هستند، باید به هزینه های تولید آنها، هزینه ی بسته بندی و استفاده از چیپ های درایو با ولتاژ بالا را نیز اضافه کرد. بنابراین، رویارویی و رقابت این سوئیچ ها با سوئیچ های ساخته شده با روش های دیگر، بسیار سخت است. و به همین دلیل است که پروفسور Rebeiz اعتقاد دارد که سوئیچ های RF MEMS اولین بار در صنایع دفاعی و کاربردهای تجاری با ارزش بالا و گوشی های تلفن، کاربرد خواهند یافت.

بحث مفصل در زمینه ی سوئیچ های MEMS

مکانیزم های تحریک: نیروهای تحریک کننده که برای ایجاد حرکت مکانیکی مورد نیاز است، می تواند با استفاده از طراحی های االکترواستاتیک، مگنتواستاتیک، پیزوالکتریک یا گرمایی، بدست آید. امروزه، تنها سوئیچ های نوع الکترواستاتیک که در فرکانس های 1/0 تا 100 GHz کار می کنند، دارای قابلیت اطمینان بالایی در برق RF هستند. در واقع این ابزارها قابلیت تحمل سیکل هایی تا 50 میلیارد را دارا می باشند. این تعداد سیکل به روش تولید بستگی دارد. سایر سوئیچ هایی که کارایی بالا ارائه می کنند، سوئیچ های Microlab Latching با برانگیزش مغناطیسی و سوئیچ های گرمایی است که به طور مجزا در کالیفرنیا تولید شده اند.
زمان سوئیچینگ:: سوئیچ های الکترواستاتیک می توانند با اندازه ی کوچک، تولید شوند و زمان سوئیچ آنها نیز سریع (2 تا 30 میکروثانیه) است در حالی که سوئیچ های برانگیخته شده به صورت گرمایی یا مغناطیسی، نیازمند زمانی در حد 100الی 2000 میکروثانیه می باشند. یک سوئیچ با اتصال فلزی بوسیله ی LETI تولید شده است که از برانگیزش گرمایی استفاده می کند اما توقف آن به صورت الکترواستاتیک است، بنابراین، این وسیله نیازمند انرژی سوئیچ بسیار اندک است و توان مورد استفاده بوسیله ی آن نیز تقریبا صفر است. به هر حال زمان سوئیچ آن بسیار آهسته است (300 میکروثانیه). سوئیچ های LETI برای بیش از 100 میلیارد سیکل، مورد بررسی قرار گرفته است.
نوع اتصال: دو نوع اتصال مختلف در سوئیچ های RF MEMS وجود دارد، یک اتصال خازنی و یک اتصال فلز به فلز (یا DC ). اتصال خازنی با نسبت خازنی میان حالت بالا (مدار باز) و حالت پایین (مداربسته)، تشخیص و شناسایی می شوند و این نسبت معمولا بین 80 تا 160 است (بسته به طراحی). خازن حالت پایین، معمولا خازنی 2- 3 پیکوفارادی است و برای کاربردهای با فرکانس 8-100 GHz مناسب هستند. عموما، امکان تولید خازن های حالت پایین با استفاده از لایه های اکسیدی یا نیتریدی مشکل است و این عملکرد فرکانس پایین وسیله را تحت تأثیر قرار می دهد. به عبارت دیگر، سوئیچ های با اتصال DC که دارای خازن حالت بالای کوچکی هستند، در فرکانس های بین 01/0 تا 40 GHz کار می کنند و در برخی موارد، تا فرکانس 60 GHz نیز کار می کنند. در حالت پایین (مدار کوتاه)، سوئیچ با تماس DC یک مقاومت سری با مقاومتی برابر با 5/0 تا 2 اهم تبدیل می شود (بسته به اتصال مورد استفاده).
پیکربندی های جریان و زیرلایه: مشابه همه ی وسایل دارای دو ترمینال، سوئیچ ها می توانند به صورت سری یا به صورت شنتی به خط انتقال وصل شود. به طور نمونه وار، سوئیچ های خازنی به صورت پیکربندی شنتی متصل می شوند در حالی که سوئیچ های با اتصال DC در حالت سری قرار می گیرند. دلیل این مسئله این است که ایزولاسیون خوب با استفاده از نسبت امپدانس محدود شده در مدارهای شنتی نسبت به مدارهای سری، آسانتر بدست می آید، همچنین سوئیچ های MEMS قادر است تا هم بر روی خطوط میکرواسکریپت و هم خطوط CPW زیرلایه های شیشه ای، سیلیکونی و GaAs ی به کار گرفته شود و در این پیکربندی ها تا فرکانس 100 GHz قابل استفاده می باشد. برای کاربردهای با اتلاف پایین در فرکانس های میکروویو، این مهم است که از زیرلایه های با مقاومت بالا استفاده کنیم.

مدارهای با سوئیچ های RF MEMS

پاسخ الکتریکی تقریبا ایده آل سوئیچ های RF MEMS به بسیاری از طراحان اجازه می دهد تا مدارهای با فرکانس 1/0 تا 120 GHz ایجاد شود. در 4 سال گذشته، این کاربردها بر روی جایگزینی شیفترهای فازی GaAs تمرکز دارد. این شیفترهای فازی از آرایه های فازی دارای هزاران واحد، تشکیل شده است. یک مقایسه میان شیفترهای فازی GaAs و شیفترهای فازی MEMS در جدول 1 نشان داده شده است. این نشان داده شده است که سوئیچ های MEMS دارای مزیت های کاربردی بهتری در کاربردهای باند Ka و باند W هستند.

تکنولوژی سوئیچ های RF MEMS

شکل 4 یک شیفتر فازی RF MEMS را نشان می دهد که در دانشگاه میشیگان، تولید شده اند. این شیفتر بر اساس سوئیچ های با اتصال فلزی ساخته شده اند و نشان دهنده ی کوچک سازی یک واحد CLC است. شیفترهای فازی در فرکانس 10 GHz (با خطای 3 درجه) دارای ایجاد اتلاف متوسطی برابر با 4/1 دسی بل هستند و این مقدار در فرکانس 6-16 GHz و در پورت های ورودی و خروجی، به 13- دسی بل می رسد.

تکنولوژی سوئیچ های RF MEMS

امروزه این شیفترهای فازی به دلیل استفاده از RF MEMS کوچک تر شده اند و پاسخ آنها نیز استثنایی است. شکل 5 یک فیلتر قابل تنظیم 5 قطبی (فرکانسی بین 885 تا 986 MHz) را نشان می دهد که با استفاده از خازن های MEMS تولید شده است.
در این مورد، شرکت Raytheon Systems این سوئیچ های خازنی را با استفاده از اتصال خازن های ثابت فلز- عایق- فلز، ایجاد کرده اند. این فیلتر از 18 سوئیچ استفاده می کند و باید گفت که این مدار، مدار بسیار پیچیده ای است. پاسخ اندازه گیری شده در این سیستم تقریبا ایده آل است و قابلیت تنظیم فرکانس نیز استثنایی است. این سیستم بسیار خطی است و اتلاف در آن در حد 6 dB است.

تکنولوژی سوئیچ های RF MEMS

شکل 6 یک شیفتر فازی 3 بیتی باند W را نشان می دهد که در دانشگاه میشیگان و با استفاده از سوئیچ های خازنی MEMS تولید شده است. این شیفتر دارای بالاترین فرکانسی است که تاکنون با استفاده از MEMS ها ساخته شده اند و دارای اتلافی درحد 7/2 تا 9/2 dB در فرکانس 77-94 GHz است (خطای فازی مربوطه برابر با مثبت و منهای 3 درجه است). این نیتجه 8 dB بهتر از طراحی های انجام شده با GaAs است.

تکنولوژی سوئیچ های RF MEMS

سایر مدارها که به دلیل محدودیت نشان داده نشده اند، سوئیچ های SP4T با باند وسیع، سوئیچ های سری/ شنت با ایزولاسیون بالا، سوئیچ های با انتقال دو طرفه و یک گستره ی کلی در شیفترهای فازی (از 8 تا 120 GHz) است. همچنین فیلترهای قابل تنظیم دارای گستره ی فرکانس بین 23 GHz تا 200 MHz ، بوسیله ی گروه های مختلفی توسعه یافته اند. عموما، مدارات دارای RF MEMS در بیشتر فرکانس های RF و ارتباطی، نسبت به مدارات دارای دیود های PIN و FET های GaAs، بهتر کار می کنند.

آینده

اکنون این به خوبی واضح است که ما سوئیچ های RF MEMS را به خوبی شناخته ایم (هم از نقطه نظر الکتریکی و هم مکانیکی). ما می توانیم مدارات پیچیده را با استفاده از سوئیچ های MEMS یا وراکتورها طراحی کنیم و ما می توانیم به دقت کارایی آنها را تا فرکانس 120 GHz پیش بینی کنیم. آنها هنوز هم در زمینه ی تجاری و دفاعی مورد قبول واقع نشده اند. علت این مسئله نیاز به اعمال فرایندهای خاص برای بسته بندی و وجود قابلیت اطمینان متوسط به این قطعات است. هم اکنون تلاش وسیعی در زمینه ی حل مشکلات موجود در زمینه ی سوئیچ ها و وراکتورهای RF MEMS انجام شده است. از این رو، نویسنده عقیده دارد که سوئیچ ها و وراکتورهای RF MEMS درآینده نقش مهمی در سیستم های دفاعی و تجاری ایفا می کنند.

موافقین ۱ مخالفین ۰ ۰۰/۱۰/۲۶
Mohammad hossein Metanat

نظرات  (۰)

هیچ نظری هنوز ثبت نشده است

ارسال نظر

ارسال نظر آزاد است، اما اگر قبلا در بیان ثبت نام کرده اید می توانید ابتدا وارد شوید.
شما میتوانید از این تگهای html استفاده کنید:
<b> یا <strong>، <em> یا <i>، <u>، <strike> یا <s>، <sup>، <sub>، <blockquote>، <code>، <pre>، <hr>، <br>، <p>، <a href="" title="">، <span style="">، <div align="">
تجدید کد امنیتی