INF5490 RF MEMS. L3: Modellering, design og analyse. V2008, Oddvar Søråsen Institutt for informatikk, UiO

Like dokumenter
INF5490 RF MEMS. F3: Modellering, design og analyse. V2007, Oddvar Søråsen Institutt for informatikk, UiO

INF5490 RF MEMS. L3: Modellering, design og analyse

INF5490 RF MEMS. F8: RF MEMS resonatorer II. V2007, Oddvar Søråsen Institutt for informatikk, UiO

INF5490 RF MEMS. L8: RF MEMS resonatorer II

INF L4: Utfordringer ved RF kretsdesign

INF5490 RF MEMS. L6: RF MEMS svitsjer, II

Typiske spørsmål til en muntlig eksamen i IN5490 RF MEMS, 2008

Typiske eksamensspørsmål innen emnet INF5490 RF MEMS, våren 2007

INF5490 RF MEMS. F6: RF MEMS svitsjer, II. V2007, Oddvar Søråsen Institutt for informatikk, UiO

INF5490 RF MEMS. L8: RF MEMS svitsjer, II. V2007, Oddvar Søråsen Institutt for informatikk, UiO

Forelesning nr.4 INF 1411 Elektroniske systemer

Forelesning nr.4 IN 1080 Mekatronikk. Vekselstrøm Kondensatorer

Forelesning nr.4 INF 1411 Elektroniske systemer. Vekselstrøm Kondensatorer

Forelesning nr.12 INF 1410

Mandag Institutt for fysikk, NTNU TFY4155/FY1003: Elektrisitet og magnetisme Vår 2007, uke12

Forelesning nr.4 INF 1411 Elektroniske systemer. Vekselstrøm Kondensatorer

Forelesning nr.4 INF 1411 Elektroniske systemer. Vekselstrøm Kondensatorer

Onsdag isolator => I=0

Forelesning nr.7 IN 1080 Elektroniske systemer. Spoler og induksjon Praktiske anvendelser Nøyaktigere modeller for R, C og L

Forelesning nr.7 INF Kondensatorer og spoler

Kondensator. Symbol. Lindem 22. jan. 2012

UKE 5. Kondensatorer, kap. 12, s RC kretser, kap. 13, s Frekvensfilter, kap. 15, s kap. 16, s

EKSAMEN FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Tirsdag 27. mai 2008 kl

Sammendrag, uke 13 (30. mars)

Øving 2. a) I forelesningene har vi sett at det mekaniske svingesystemet i figur A ovenfor, med F(t) = F 0 cosωt, oppfyller bevegelsesligningen

Forelesning nr.7 INF 1411 Elektroniske systemer. Tidsrespons til reaktive kretser Integrasjon og derivasjon med RC-krester

Oppsummering om kretser med R, L og C FYS1120

Forelesning nr.5 INF 1411 Elektroniske systemer. RC-kretser

UKE 5. Kondensatorer, kap. 12, s RC kretser, kap. 13, s Frekvensfilter, kap. 15, s og kap. 16, s.

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Onsdag 3. juni 2009 kl

EKSAMENSOPPGAVE. Eksamen i: FYS Elektromagnetisme Fredag 31. august 2012 Kl 09:00 13:00 adm. Bygget, rom B154

Kondensator - Capacitor. Kondensator - en komponent som kan lagre elektrisk ladning. Symbol. Kapasitet, C = 1volt

Kondensator - Capacitor. Kondensator - en komponent som kan lagre elektrisk ladning. Symbol. Kapasitet, C. 1volt

INF5490 RF MEMS. L9: RF MEMS resonatorer III

Forelesning nr.5 INF 1411 Elektroniske systemer. RC-kretser

Forelesning nr.14 INF 1410

EKSAMEN FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME I Mandag 17. desember 2007 kl K. Rottmann: Matematisk formelsamling (eller tilsvarende).

INF5490 RF MEMS. F9: RF MEMS resonatorer III. V2007, Oddvar Søråsen Institutt for informatikk, UiO

Forelesning nr.2 INF 1411 Elektroniske systemer. Effekt, serielle kretser og Kirchhoffs spenningslov

INF 5490 RF MEMS. L15: Oppsummering, repetisjon

Forelesning nr.5 IN 1080 Mekatronikk. RC-kretser

Kondensator - Capacitor. Kondensator - en komponent som kan lagre elektrisk ladning. Symbol. Kapasitet, C = 1volt

Forelesning nr.5 INF 1411 Elektroniske systemer

NORGES LANDBRUKSHØGSKOLE Institutt for matematiske realfag og teknologi EKSAMEN I FYS135 - ELEKTROMAGNETISME

EKSAMEN FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME Mandag 4. desember 2006 kl

Onsdag og fredag

EKSAMENSOPPGAVE. ü Kalkulator med tomt dataminne ü Rottmann: Matematisk Formelsamling. rute

Mandag 7. mai. Elektromagnetisk induksjon (fortsatt) [FGT ; YF ; TM ; AF ; LHL 24.1; DJG 7.

EKSAMEN FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME I Mandag 5. desember 2005 kl

Forelesning nr.8 INF 1410

EKSAMEN FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Onsdag 3. juni 2009 kl

KONTINUASJONSEKSAMEN TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Onsdag 17. august 2005 kl

EKSAMEN TFY4155 ELEKTROMAGNETISME FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME Tirsdag 31. mai 2005 kl

EKSAMENSOPPGAVE. Adm.bygget, Aud.max. ü Kalkulator med tomt dataminne ü Rottmann: Matematisk Formelsamling. rute

Forelesning nr.6 INF 1411 Elektroniske systemer. Anvendelser av RC-krester Spoler og RL-kretser

a) Bruk en passende Gaussflate og bestem feltstyrken E i rommet mellom de 2 kuleskallene.

Forelesning nr.1 INF 1410

Forelesning nr.2 INF 1411 Elektroniske systemer. Effekt, serielle kretser og Kirchhoffs spenningslov

Forelesning nr.2 INF 1411 Elektroniske systemer

Forelesning nr.6 INF 1411 Elektroniske systemer

TFE4101 Vår Løsningsforslag Øving 3. 1 Teorispørsmål. (20 poeng)

Mandag F d = b v. 0 x (likevekt)

LØSNINGSFORSLAG TIL KONTINUASJONSEKSAMEN I TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Onsdag 17. august 2005 kl

INF5490 RF MEMS. L2: MEMS Fremstilling og virkemåte

Fasit og sensorveiledning eksamen INF1411 våren Oppgave 1 Strøm, spenning, kapasitans og resistans (Vekt 20 %) A) B) Figur 1

TFE4100 Kretsteknikk Kompendium. Eirik Refsdal

Forelesning nr.6 INF 1411 Elektroniske systemer. Anvendelser av RC-krester Spoler og RL-kretser

En del utregninger/betraktninger fra lab 8:

Elektriske kretser. Innledning

Mandag Institutt for fysikk, NTNU TFY4160/FY1002: Bølgefysikk Høsten 2006, uke 36

Treleder kopling - Tredleder kopling fordeler lednings resistansen i spenningsdeleren slik at de til en vis grad kanselerer hverandre.

EKSAMEN I FAG SIF 4012 ELEKTROMAGNETISME (SIF 4012 FYSIKK 2) Onsdag 11. desember kl Bokmål

Oppgave 4 : FYS linjespesifikk del

Eksamen FY0001 Brukerkurs i fysikk Torsdag 3. juni 2010

Løsningsforslag til øving 5

Fasit og sensorveiledning eksamen INF1411 våren Oppgave 1 Strøm, spenning, kapasitans og resistans (Vekt 20 %) A) B) Figur 1

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I TFY4155 ELEKTROMAGNETISME FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME Tirsdag 30. mai 2006 kl

EKSAMEN FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME I TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Fredag 8. juni 2007 kl

Fysikkk. Støvneng Tlf.: 45. Andreas Eksamensdato: Rottmann, boksen 1 12) Dato. Sign

TFY4106 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Test 7.

KONTINUASJONSEKSAMEN I EMNE TFY 4102 FYSIKK

Onsdag og fredag

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I TFY4155 ELEKTROMAGNETISME FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME Tirsdag 31. mai 2005 kl

Punktladningen Q ligger i punktet (3, 0) [mm] og punktladningen Q ligger i punktet ( 3, 0) [mm].

EKSAMENSOPPGAVE. Fys-1002 Elektromagnetisme. Adm.bygget B154 Kalkulator med tomt dataminne, Rottmann: Matematisk formelsamling

Institutt for fysikk. Eksamen i TFY4106 FYSIKK Torsdag 6. august :00 13:00

UNIVERSITETET I OSLO

Innhold. Innledning 13

EKSAMEN FY1013 ELEKTRISITET OG MAGNETISME II Fredag 9. desember 2005 kl

Forelesning nr.6 INF 1411 Elektroniske systemer. Anvendelser av RC-krester Spoler og RL-kretser

Kapasiteten ( C ) til en kondensator = evnen til å lagre elektrisk ladning. Kapasiteten måles i Farad.

Frivillig test 5. april Flervalgsoppgaver.

Forelesning nr.13 INF 1410

KONTINUASJONSEKSAMEN TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Fredag 11. august 2006 kl

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME Mandag 4. desember 2006 kl

Elektrisk immittans. Ørjan G. Martinsen

INF5490 RF MEMS. F11: RF MEMS kapasitanser. V2007, Oddvar Søråsen Institutt for informatikk, UiO

NORGES LANDBRUKSHØGSKOLE Institutt for matematiske realfag og teknologi LØSNING TIL PRØVE 2 I FYS135 - ELEKTRO- MAGNETISME, 2004.

Transkript:

INF5490 RF MEMS L3: Modellering, design og analyse V2008, Oddvar Søråsen Institutt for informatikk, UiO 1

Dagens forelesning MEMS - virkemåte Transduser-prinsipper Sensorprinsipper Metoder for å modellere RF MEMS 1. Enkle matematiske modeller 2. Konvertering til elektriske ekvivalenter (3. Analyse ved Finite Element Methods) L4 2

Transdusere for (RF) MEMS Elektromekaniske transdusere benyttes Transformasjon av elektrisk energi mekanisk energi Transduser-prinsipper Elektrostatiske Elektromagnetiske Elektrotermiske Piezoelektriske 3

Transduser-prinsipper Elektrostatiske transdusere Prinsipp: Krefter mellom elektriske ladninger Coulombs lov Energi som lagres når mekanisk eller elektrisk arbeid utføres på enheten kan konverteres til den andre energi-formen Den vanligste typen brukt ved elektromekanisk energikonvertering Enkel fabrikering Ofte realisert ved en kondensator med bevegelige plater Vertikal bevegelse: parallell plate Horisontal bevegelse: Kamstrukturer 4

Elektrostatisk transduser + Fordelaktig pga. enkelheten + Operasjon kontrolleres ved spenning spenning ladning tiltrekningskraft bevegelse + Bevegelse gir strøm bevegelse variabel kondensator strøm når spenningen er konstant Krever beskyttelse mot omgivelsene (støv) Krav til pakking (vakuum) Transduksjonsmekanismen er ulineær Gir forvrengninger (kraft er ikke proporsjonal med spenning) Botemiddel: små signalvariasjoner rundt en DC-spenning 5

Transduser-prinsipper, forts. Elektromagnetiske transdusere Magnetisk spole trekker på elementet Elektrotermiske aktuatorer Forskjellig termisk ekspansjon på ulike steder pga. temperaturforskjeller Store utbøyninger kan oppnås Langsomme 6

Transduser-prinsipper, forts. Piezoelektriske transdusere I enkelte anisotrope krystallinske materialer forskyves ladningene når de utsettes for stress elektrisk felt stress = mekanisk spenning Tilsvarende oppstår strain når de utsettes for et elektrisk felt strain = mekanisk tøyning Eks. PZT (lead zirconate titanates) keramisk materiale (Electrostrictive transdusere Mekanisk deformasjon ved elektrisk felt Magnetostrictive transdusere Deformasjon ved magnetfelt) 7

Sammenligning av ulike prinsipper 8

Sensor-prinsipper Piezoresistiv deteksjon Kapasitiv deteksjon Piezoelektrisk deteksjon Resonans deteksjon 9

Sensor-prinsipper Piezoresistiv deteksjon Resistans varierer pga. ytre trykk/stress Brukes til trykk-måler utbøyning av membran Piezo-motstander plasseres på membran hvor strain har høyest verdi Resistansverdien er proporsjonal med strain Ytelsen av piezoresistive mikrosensorer er temperaturavhengig 10

Trykksensor Senturia 11

Sensor-prinsipper, forts. Kapasitiv deteksjon Benytter kapasitans-endringer Trykk elektrisk signal Detekteres ved endring i f.eks. oscillasjons-frekvens, ladning, spenning (V) Har potensial for høyere ytelse enn ved piezoresistiv deteksjon + Høy følsomhet + Kan detektere små trykk-endringer + Høy stabilitet 12

Sensor-prinsipper, forts. Piezoelektrisk deteksjon Elektrisk ladningsfordeling endres ved kraftpåtrykk elektrisk felt strøm Resonans deteksjon Analogi: stressvariasjon på en streng fører til strain ( tøyning ) og endring av den naturlige svinge-frekvensen 13

Metoder for å modellere RF MEMS 1. Enkle matematiske modeller Eks. parallell plate kondensator 2. Konvertering til elektriske ekvivalenter 3. Analyse ved Finite Element Methods 14

1. Enkle matematiske modeller Ligninger, formler beskriver fysiske fenomener Forenkling, approksimasjon Eksplisitte løsninger for enkle problemer Evt. linearisering rundt et operasjonspunkt Numerisk løsning av ligningssett Typisk differensialligninger + Gir konstruktøren design-innsikt/ forståelse Hvordan funksjonaliteten endres ved parametervariasjoner Kan benyttes til innledende overslag 15

Eks. på matematisk modellering Viktige ligninger for mange RF MEMS komponenter: Parallell plate kondensator! Elektrostatisk aktivering av kondensator med bevegelig plate opphengt i fjær Beregning av pull-in Formler og figurer 16

Elektrostatikk + q - q F Elektrisk kraft mellom ladninger: Coulombs lov 1 q q F = 4 πε r 0 1 2 2 r Elektrisk felt = kraft pr. enhetsladning E = Arbeid utført av en kraft = endring i potensial-energi F q 0 W a b b = F a dl = U a U b Potensial, V = potensial-energi pr. enhetsladning V = U q 0 Spenning = potensial-differansen V a V b b = E dl a 17

Kapasitans a b E d + Q V ab Definisjon av kapasitans C = Q V ab A -Q Overflate ladningstetthet = σ σ Q 1 E = = ε A ε 0 0 C = Q V ab = ε 0 A d Spenning V ab = E d = Q A ε 0 d Energi lagret i en kondensator, C, som lades opp til en spenning V 0 ved strøm i = Q & = C dv dt U = dv v i dt = v C dt = C dt V0 1 2 ε0 v dv = CV0 = 2 2 0 A V d 2 0 18

Parallell plate kondensator Tiltrekningskraft mellom platene F U = d = d εa ( V 2d 2 ) = εav 2d 2 2 19

Bevegelig kondensator-plate Forutsetninger for beregninger: Anta luft mellom platene Fjær holder øvre plate Fjærkonstant: k Spenning settes på Elektrostatisk tiltrekning Ved likevekt Kreftene oppover og nedover balanserer 20

Kreftene balanserer k = fjærkonstant tøyning utfra likevekt d0 = gap ved 0V og null fjærutstrekning d = d0 z z=d0 d Kraft på øvre plate ved V og d: = 0 ved likevekt 21

To likevekts-punkter ς = 1 d/d0 Senturia 22

Stabilitet Hvordan kreftene utvikler seg når d minker Anta en liten perturbasjon (endring) i gapet ved konstant spenning Anta at gapet minker Hvis kraften oppover også minker, er systemet USTABILT! 23

Stabilitet, forts. Stabilitetsbetingelse: Pull-in når: 24

Pull-in Pull-in oppstår når: 25

Pull-in Senturia 26

2. Konvertering til elektriske ekvivalenter Mekanisk oppførsel kan modelleres ved elektriske kretselementer Mekanisk struktur forenklinger ekvivalent elektrisk krets eks. fjær/masse R, C, L Gir mulighet for å binde sammen elektriske og mekaniske energi-domer Forenklet modellering og sam-simulering av elektroniske og mekaniske deler av systemet Et rikt utvalg av analyse-verktøy kan brukes Eks. SPICE 27

Konvertering til elektriske ekvivalenter, forts. I det følgende gjennomgås: Litt bakgrunn fra kretsteori Konverteringsprinsipper effort - flow Eksempel på en konvertering Mekanisk resonator I en senere forelesning: Kobling og samvirke mellom ulike energi-domener 28

Kretsteori Grunnleggende kretselementer: R, C, L Strøm og spennings-ligninger for grunnelementene (ved lave frekvenser) Ohms lov, C og L-ligninger V = RI, I = C dv/dt, V = L di/dt Laplace transformasjon Fra differensial-ligninger til algebraiske (s-polynomer) Komplekse impedanser: R, 1/sC, sl Kirchhoffs ligninger Σ strøm inn i noder = 0, Σ spenning rundt løkker = 0 29

Effort - flow Elektriske kretser beskrives av et variabelsett: konjugerte power-variable Spenning V: across eller effort-variabel Strøm I: through eller flow-variabel En effort ( innsats ) -variabel driver en flow-variabel gjennom en impedans, Z Kretselement modelleres som 1-port med terminaler Samme strøm (f = flow) inn og ut og gjennom (through) elementet Positiv flow inn i terminal der samme terminal definerer positiv effort 30

Energi-domener, analogier Det eksisterer ulike energi-domener Elektrisk, elastisk, termisk, for væsker etc. For hvert energidomene er det mulig å definere et sett konjugerte power-variable som kan brukes som basis for en diskretkomponent modellering (lumped modelling) med krets-elementer som er ekvivalente Tabell 5.1 Senturia -> 31

Eks. på konjugerte power variable 32

Konjugerte power-variable: e,f Anta konverteringer mellom energidomener der energien bevares! Egenskaper e * f = effekt (power) e / f = impedans Generalisert displacement representerer tilstanden (state), f. eks. posisjon eller ladning f ( t) = q& ( t) e * q = energi t q( t) = f ( t) dt + q( t0) t 0 33

Generalisert momentum t p( t) = e( t) dt + p( t ) 0 Mekanikk: kraftstøt, impuls F*dt= mv mv0 t 0 Generelt: p * f = energi 34

Eks.: Mekanisk energidomene 35

Eks.: Elektrisk energidomene 36

e V - konvensjonen Senturia og Tilmans holder seg til e V konvensjonen Eks. elektriske og mekaniske kretser e V (spenning) tilsvarer F (kraft) f I (strøm) tilsvarer v (hastighet) q Q (posisjon) tilsvarer x (posisjon) e * f = power som tilføres elementet H. Tilmans, Equivalent circuit representation of electromagnetical transducers: I. Lumped-parameter systems, J. Micromech. Microeng., Vol. 6, pp 157-176, 1996 37

Andre konvensjoner Det finnes ulike konvensjoner for å definere through- eller across-variable * alternativt 38

Generaliserte krets-elementer En-port krets-elementer R dissiperende element C, L energi-lagrings elementer Elementene kan ha en generell funksjon! Kan brukes i forskjellige energi-domener 39

Generalisert kapasitans Sammenlign med et forenklet tilfelle: - en lineær kondensator definisjon av C 40

Generalisert kapasitans, forts. Kapasitans assosieres med lagret potensiell energi Co-energy: 41

Energi lagret i parallell-plate kondensator Energy: W ( Q) Q Q = e dq = 0 0 q C dq = 2 Q 2C Co-energy: W * ( V ) = V V q de = C v dv = 0 0 CV 2 2 * W ( V ) = W ( Q) for lineær kapasitans 42

Mekanisk fjær Hook s lov: F = k x Lagret energi: Sammenlign med kondensator Q x1 1 1 W ( Q) = Q 2 C displacement displacement 2 1/C tilsvarer k 43

Compliance Compliance = ettergivenhet 1 C spring = k Stiv fjær liten kondensator Myk fjær stor kondensator 44

Generalisert induktans Energi er også definert som: Energi = lagret kinetisk energi 45

Eks.: Elektrisk spole Co-energy: 46

Analogien mellom masse (mekanisk inertance ) og induktans L Et mekanisk system har lineært momentum: p = mv Flow: Co-energy: 47

Analogi mellom m og L Sammenlign med: L tilsvarer m m = L inertance Mekanisk inertance (treghet) = masse m har analogi til induktans L 48

Sammenkobling av elementer e V har to grunnleggende prinsipper Elementer som deler en felles flow og derved en felles variasjon i displacement er koblet i serie Elementer som deler en felles effort er koblet i parallell 49

Eks. på sammenkobling: Direkte omforming 50

51

52

53

Udempet system (b=0, R=0) ω 1 ω LC 0 =, 0 = k m 54

Udempet system, forts. 55

Ved demping 56

Dempet system, forts. 57

58

Hva betyr damping time? 59

Q-faktor og dempetid 60

Amplituden ved resonans 61