INF5490 RF MEMS. L3: Modellering, design og analyse

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

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

INF 5490 RF MEMS. L4: Utfordringer ved RF kretsdesign. V2008, Oddvar Søråsen Institutt for informatikk, UiO

INF5490 RF MEMS. L8: RF MEMS resonatorer II

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

INF L4: Utfordringer ved RF kretsdesign

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

Typiske eksamensspørsmål innen emnet INF5490 RF MEMS, våren 2007

INF5490 RF MEMS. L6: RF MEMS svitsjer, II

Forelesning nr.4 INF 1411 Elektroniske systemer

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

Forelesning nr.7 INF Kondensatorer og spoler

Forelesning nr.12 INF 1410

Forelesning nr.4 IN 1080 Mekatronikk. Vekselstrøm Kondensatorer

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

Onsdag isolator => I=0

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

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

INF5490 RF MEMS. L9: RF MEMS resonatorer III

Forelesning nr.4 INF 1411 Elektroniske systemer. Vekselstrøm Kondensatorer

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

Forelesning nr.4 INF 1411 Elektroniske systemer. Vekselstrøm Kondensatorer

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

Forelesning nr.14 INF 1410

Forelesning nr.4 INF 1411 Elektroniske systemer. Vekselstrøm Kondensatorer

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

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

Forelesning nr.2 INF 1411 Elektroniske systemer

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

TFE4100 Kretsteknikk Kompendium. Eirik Refsdal

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

Kondensator. Symbol. Lindem 22. jan. 2012

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

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

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

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

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

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

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

Onsdag og fredag

Sammendrag, uke 13 (30. mars)

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

Forelesning nr.5 IN 1080 Mekatronikk. RC-kretser

UNIVERSITETET I OSLO

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

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

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

Forelesning nr.8 INF 1410

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

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

Forelesning nr.1 INF 1410

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

INF 5490 RF MEMS. L15: Oppsummering, repetisjon

Løsningsforslag eksamen inf 1410 våren 2009

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

og P (P) 60 = V 2 R 60

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

Elektriske kretser. Innledning

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

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

INF 5490 RF MEMS. L10: Mikromekaniske filtre

KONTINUASJONSEKSAMEN TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Onsdag 17. august 2005 kl

EKSAMEN FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME Mandag 4. desember 2006 kl

Onsdag og fredag

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

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

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

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

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

Forelesning nr.13 INF 1410

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

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

UNIVERSITETET I OSLO

INF 5490 RF MEMS. F15: Oppsummering, repetisjon. V2007, Oddvar Søråsen Institutt for informatikk, UiO

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

Løsningsforslag til øving 5

Forelesning nr.4 INF 1410

Forelesning nr.5 INF 1411 Elektroniske systemer

Innhold. Innledning 13

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

Eksamen FY0001 Brukerkurs i fysikk Torsdag 3. juni 2010

EKSAMEN I EMNE TFY4120 FYSIKK. Fredag 3. desember 2004 Tid: kl

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

Oppgave 4 : FYS linjespesifikk del

LØSNINGSFORSLAG TIL KONTINUASJONSEKSAMEN I FAG SIF 4012 ELEKTROMAGNETISME (SIF 4012 FYSIKK 2) Mandag 29. juli kl

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

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

Masteroppgaver høsten 2006

Den franske fysikeren Charles de Columb er opphavet til Colombs lov.

TFY4104 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Høsten Løsningsforslag til øving 10.

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

EKSAMENSOPPGAVE. Tillatte hjelpemidler: Kalkulator med tomt dataminne, Rottmann: Matematisk formelsamling.

Tirsdag r r

KONTINUASJONSEKSAMEN I EMNE TFY 4102 FYSIKK

IN 241 VLSI-konstruksjon Løsningsforslag til ukeoppgaver uke 36

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

Oppgave 1 (30%) SVAR: R_ekv = 14*R/15 0,93 R L_ekv = 28*L/15 1,87 L

Transkript:

INF5490 RF MEMS L3: Modellering, design og analyse 1

Oversikt over forelesningen Metoder for å modellere RF MEMS 1. Enkle matematiske modeller Eks. parallell plate kondensator 2. Konvertering til elektriske ekvivalenter Eks. Mekanisk resonator Samvirke mellom ulike energi-domener 3. Analyse ved Finite Element Methods Eks. fra CoventorWare Modellering av bulk mikromaskinert prosess 2

1. Enkle matematiske modeller Ligninger, formler beskriver fysiske fenomener Approksimasjon Eksplisitte løsninger for enkle problemer Linearisering rundt et operasjonspunkt Direkte simulering av ligningssett Typisk differensialligninger Løses ved iterasjoner + Gir konstruktøren design-innsikt Hvordan endre funksjonalitet ved parametervariasjoner Kan benyttes til innledende overslag 3

Eks. på matematiske modeller Viktige ligninger for RF MEMS komponenter: Parallell plate kondensator Elektrostatisk aktivering av kondensator med bevegelig plate opphengt i fjær Beregning av pull-in Formler og figurer 4

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 5

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 6

Parallell plate kondensator Tiltrekningskraft mellom platene F U = d = d εa ( V 2d 2 ) = εav 2d 2 2 7

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 8

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 9

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! 10

Stabilitet, forts. Stabilitetsbetingelse: Pull-in når: 11

Pull-in Pull-in oppstår når: 12

To likevekts-punkter ς = 1 d/d0 Senturia 13

Pull-in Senturia 14

2. Konvertering til elektriske ekvivalenter Mekanisk oppførsel kan modelleres ved elektriske kretselementer Mekanisk struktur forenklinger ekvivalent elektrisk krets Mulighet for å binde sammen elektrisk og mekanisk domene Motivasjon for konvertering Et rikt utvalg av analyse-verktøy finnes Eks. SPICE Modellering og sam-simulering av elektroniske og mekaniske systemer forenkles 15

Konvertering til elektriske ekvivalenter, forts. I det følgende gjennomgås: Litt bakgrunn fra kretsteori Konverteringsprinsipper Ulike analogier eksisterer Eksempel på en konvertering Mekanisk resonator Kobling og samvirke mellom ulike energidomener 16

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 17

Effort - flow Elektriske kretser beskrives av et variabelsett: Spenning V: across eller effort-variabel Strøm I: through eller flow-variabel En effort ( innsats ) -variabel driver en flow-variabel gjennom en impedans, Z Eks. på e,f-par i andre energi-domener: Kraft og hastighet Kraftmoment (torque) og angulær hastighet 18

Through- og across-variable Kretselement modelleres som 1-port med terminaler Samme strøm (f = flow) inn og ut og gjennom (through) elementet f = flow = through-variabel e= effort= across-variabel Positiv flow inn i terminal der samme terminal definerer positiv effort 19

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 20

Generalisert momentum p * f = energi t p( t) = e( t) dt + p( t ) 0 t 0 21

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 -> 22

Eks. på konjugerte power variable 23

Mekanisk energidomene 24

Elektrisk energidomene 25

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 26

Andre konvensjoner Det finnes ulike konvensjoner for å definere through- eller across-variable 27

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 28

Generalisert kapasitans Sammenlign med et forenklet tilfelle: - en lineær kondensator definisjon av C 29

Generalisert kapasitans, forts. Kapasitans assosieres med lagret potensiell energi Co-energy: 30

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 31

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 32

Compliance Compliance = ettergivenhet 1 C spring = k Stiv fjær liten kondensator Myk fjær stor kondensator 33

Generalisert induktans Energi er også definert som: Energi = lagret kinetisk energi 34

Eks.: Elektrisk spole Co-energy: 35

Analogien mellom masse (mekanisk inertance ) og induktans L Et mekanisk system har lineært momentum: p = mv Flow: Co-energy: 36

Analogi mellom m og L Sammenlign med: L tilsvarer m m = L inertance Mekanisk inertance (treghet) = masse m har analogi til induktans L 37

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 38

Eks. på sammenkobling: Direkte omforming 39

40

41

42

Udempet system ω 1 ω LC 0 =, 0 = k m 43

Udempet system, forts. 44

Ved demping 45

Dempet system, forts. 46

47

Hva betyr damping time? 48

Q-faktor og dempetid 49

50

Q-faktor, forts. 51

52

Amplituden ved resonans 53

Interaksjon mellom energidomener Sammenkobling av forskjellige energidomener hvor det ikke er energitap 1. Hver av energidomenene omformes til sin elektriske ekvivalent 2. Transformator og gyrator benyttes til sammenkobling 3. Transformator kan fjernes komponentverdiene må regnes om til nye verdier vindingstall ( turn ratio ) er en sentral parameter 54

Interaksjon mellom energidomener Lineære 2-port elementer er Transformator og gyrator 55

Transformator n = turns ratio 56

Gyrator 57

Impedanser transformeres 2 n = koblingskoeff mellom energidomenene 58

3. Analyse ved Finite Element Methods Typiske trekk Oppdeling i små-elementer: meshing Løse matematiske ligninger for interaksjonen mellom elementene Mange iterasjoner utføres før stabil løsning oppnås + Mer realistiske resultater Matematiske modeller er approksimasjoner Utilstrekkelige ved komplekse sammenhenger og strukturer Jmfr. bøyning av bjelke: ladningsfordeling kraft Bruk av FEM-simuleringer CoventorWare Eksempler fra modellering av bulk prosess 59

Finite Element Methods Features + good precision + coupled electrostatic/ mech interaction + can cope with irregular topologies - insight into parameters influence is lost - only small parts are practical Critical issues proper system selection, building the 3D model partitioning (meshing), simulation parameters 60

3D model building: process specification Specify a process file which matches an actual foundry process simplifications realistic: essential process features included --> pseudo layers 61

3D model building: layout Make accompanying layout 62

MultiMEMS, typical features 63

How to model the MultiMEMS bulk process in CoventorWare? Problem: the process is not based on stacking layers Create a pseudo process! simplified, but matching transfer to a procedure of stacking layers some layers with zero spacing slicing the bulk material into sub-layers in contact make etchings and re-fillings 64

Two slices of the base material stacked. N-well opening 65

N-well in-filling. Etching holes for buried conductor implant and buried resistor implant 66

Add epi-layer. Etch holes for surface conductor and surface resistor, -fill in. Etch hole for n+ implant. (Implants are invisible) 67

Surface conductor is made visible Epi-layer is invisible 68

3D model building: expansion (some layers invisible) 69

Complete structure with some layers made invisible 70

3D modelling procedure To introduce one diffusion: etch base material fill in implanted material deposit planar with thickness = 0 To introduce multiple overlapping diffusions: etch base material with all diffusion masks (the deepest first) fill in the deepest implanted material re-etch the remaining diffusion openings fill in the next deepest implant etc. 71

Meshed model Mirror meshed by tetrahedrons 23 µm, 3 µm Electrodes meshed by Manhatten bricks 5 µm Rather coarse dim due to pullin analysis 72

Mirror deflection, snapshot 73

Simulation: pull-in 74