INF5490 RF MEMS. L6: RF MEMS svitsjer, II

Like dokumenter
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

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

Typiske eksamensspørsmål innen emnet INF5490 RF MEMS, våren 2007

INF5490 RF MEMS. L5: RF MEMS svitsjer, I

INF5490 RF MEMS. F5: RF MEMS svitsjer, I. V2007, Oddvar Søråsen Institutt for informatikk, UiO

INF L4: Utfordringer ved RF kretsdesign

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

INF5490 RF MEMS. L11: RF MEMS kapasitanser

INF5490 RF MEMS. L7: RF MEMS svitsjer, I. V2008, Oddvar Søråsen Institutt for informatikk, UiO

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

INF5490 RF MEMS. L9: RF MEMS resonatorer III

INF5490 RF MEMS. L8: RF MEMS resonatorer II

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

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

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

En del utregninger/betraktninger fra lab 8:

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

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

INF 5490 RF MEMS. L15: Oppsummering, repetisjon

INF 5490 RF MEMS. L7: RF MEMS faseskiftere. Resonatorer I

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

INF 5490 RF MEMS. L10: Mikromekaniske filtre

INF 5490 RF MEMS. L9: RF MEMS faseskiftere. Resonatorer, I. V2007, Oddvar Søråsen Institutt for informatikk, UiO

Elektronikk. Elektromagnetiske effekter. Elektronikk Knut Harald Nygaard 1

Oppfinnelsens område. Bakgrunn for oppfinnelsen

Forelesning nr.4 INF 1411 Elektroniske systemer. Vekselstrøm Kondensatorer

Forelesning nr.5 INF 1411 Elektroniske systemer

Historikk Gustaf Fagerberg AB 1980 Fagerberg Norge AS 2001 Indutrade som eier

Forelesning nr.8 INF 1410

Kondensator. Symbol. Lindem 22. jan. 2012

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

Forelesning nr.4 INF 1411 Elektroniske systemer. Vekselstrøm Kondensatorer

FYS1210. Repetisjon 2 11/05/2015. Bipolar Junction Transistor (BJT)

Forelesning nr.6 INF 1411 Elektroniske systemer

Elektronikk. Sammenkoplingsteknologi. Elektronikk Knut Harald Nygaard 1

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

Forelesning nr.4 INF 1411 Elektroniske systemer. Vekselstrøm Kondensatorer

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

INF 5490 RF MEMS. L12: RF MEMS induktanser

Forelesning nr.7 INF Kondensatorer og spoler

Bølgeledere. Figur 1: Eksempler på bølgeledere. (a) parallell to-leder (b) koaksial (c) hul rektangulær (d) hul sirkulær (e) hul, generell form

NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET INSTITUTT FOR ELEKTRONIKK OG TELEKOMMUNIKASJON

Elastisitetens betydning for skader på skinner og hjul.ca.

Forelesning nr.12 INF 1410

Forelesning nr.4 INF 1411 Elektroniske systemer

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

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

Laboratorieøving 1 i TFE Kapasitans

RF MEMS basiskomponenter

INF 5490 RF MEMS. F12: RF MEMS induktanser. V2007, Oddvar Søråsen Institutt for informatikk, UiO

INF3400/4400 Digital Mikroelektronikk Løsningsforslag DEL 13 Våren 2007

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

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

Masteroppgaver høsten 2006

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

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

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

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

Forelesning nr.14 INF 1410

Forelesning nr.4 IN 1080 Mekatronikk. Vekselstrøm Kondensatorer

Forelesning nr.11 INF 1411 Elektroniske systemer

INF 5490 RF MEMS. L14: RF MEMS induktanser. V2008, Oddvar Søråsen Institutt for informatikk, UiO

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

UNIVERSITETET I OSLO

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

Lab 3: AC og filtere - Del 1

Fysisk Lag. Den primære oppgave

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

Tolkning av måledata betinger kunnskap om egenskaper ved elektriske apparater. en kort innføring i disse for enkelte utbredte apparater

Svingninger i en elektrisk RCL-krets med og uten påtrykt vekselspenning.

Elektrisk immittans. Ørjan G. Martinsen

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 4: Fysikken i astrofysikk, del 1

Oppgave 1 (30%) a) De to nettverkene gitt nedenfor skal forenkles. Betrakt hvert av nettverkene inn på klemmene:

Forelesning nr.8 INF 1411 Elektroniske systemer. Dioder

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

Innhold. Innledning 13

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

Kabelanlegg Side: 1 av 5

INF5490 RF MEMS. L3: Modellering, design og analyse

UNIVERSITETET I OSLO

INF5490 RF MEMS. L1: Introduksjon. MEMS i RF

Begrep. Protoner - eller Hvordan få et MR-signal? Kommunikasjon. Hoveddeler. Eksempel: Hydrogen. Hvordan få et signal?

Forelesning nr.5 IN 1080 Mekatronikk. RC-kretser

Jordelektroder utforming og egenskaper

FYS1210 Løsningsforslag Eksamen V2018

Fig 1A Ideell jord. Høyde λ/2 Fig 1D Tørr jord. Høyde λ/2. Fig 1B Ideell jord. Høyde λ/4 Fig 1E Tørr jord. Høyde λ/4

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

LABORATORIERAPPORT. RL- og RC-kretser. Kristian Garberg Skjerve

Forelesning nr.8 INF 1411 Elektroniske systemer

Optimal belastning av kabel. REN AS Kåre Espeland

Oppgave 1. Komponenter i en målesløyfe: Hva er og hva gjør enhetene: 1,2,3,4 og 5? Oppgave 2

Primær side. Sekundær side. Figur 1. Figur 2

Brytning av strøm. - Hvordan brytes strøm? - Hvordan lages brytere? Den elektriske lysbuen, koblingsoverspenninger etc.

(12) Oversettelse av europeisk patentskrift

Applikasjoner MCF er en serie med masse strømningsmålere spesielt designet for komprimert luft eller nitrogen.

FYS1210 Løsningsforslag Eksamen V2017

Transkript:

INF5490 RF MEMS L6: RF MEMS svitsjer, II 1

Dagens forelesning Design av RF MEMS svitsjer Elektromekanisk design, II RF design Eks. på implementasjoner Struktur Ytelse Fremstilling Alternative strukturer og aktiveringsmekanismer Noen utfordringer 2

Elektromekanisk design Stress Dynamiske forhold Demping Innvirkning fra aktiveringsspenningen 3

Stress Stress bygges inn under fremstillingen F.eks. pga temperatur-variasjoner Residual stress Aksialt tensilt stress (tøyende spenning) Fjærkonstanten øker (strengen spennes) k z k z kan øke 20x når tensilt stress 0 300 MPa Vpi kan øke 4.5x når tensilt stress 0 300 MPa Tensilt stress må inkluderes som designparameter! Kan ikke elimineres, - må tas i betraktning Tensilt stress evalueres ved å måle misalignment av teststrukturer (forskyvning av mønstre) 4

Micro strain gauge with mechanical amplifier Lin et al, J of MEMS, 1997 5

Svitsjehastighet og demping Svitsjehastigheten er avhengig av demping Luft, gass må skyves vekk squeezed-film damping Modellering fra væske-mekanikk Hvordan redusere demping? Operere i vakuum Hermetisk kapslede pakker Lage hull i membran Perforert membran 6

Perforert membran Rebeiz 7

Svitsjetider for Raytheon/TIsvitsjen Yao, 2000 8

Eks. på effekt av perforering Betydelig hastighetsøkning ved perforert membran! 9

Perforert membran: UMICH 10

Gass-demping Dynamisk respons til cantilever beam w = displacement b = dempekoeffisienten ( resonansfrekvens kvalitetsfaktor 11

Gass-demping, forts. m er effektiv masse Den effektive massen er forskjellig fra total masse siden bare enden (eller den sentrale delen) av bjelken beveger seg m_eff ~ 0.35 0.45 *m_total m_eff er avhengig av Topologi Tykkelsen av bjelken Fjærkonstanten Størrelsen på pull-down elektroden 12

Gass-demping, forts. Dempingen avhenger av viskositeten Viskositet er motstand gassen yter mot transport Et uttrykk for demping av rektangulær parallell plate: arealet gapet viskositet til gassen Rebeiz 13

Gass-demping, forts. Gass-dempingen påvirker Q-faktor for clamped-clamped beam Rebeiz 14

Svitsje-hastighet Svitsje-hastigheten avhenger sterkt av og påtrykt spenning, Vs Jo mindre demping, dess høyere Q-faktor økt svitsjehastighet Q-faktor Systemet er dempings-begrenset ved Q 0.5 [Castaner and Senturia] Vs = konst * Vpi (pull-in) = (aktiverings-spenning) Jo høyere spenning, dess sterkere elektrostatisk kraft økt svitsjehastighet 15

Tidsrespons for ulike Q-verdier 16

Tidsrespons mhp. påtrykt spenning 17

Svitsje-hastighet, liten demping Elektrostatisk kraft Aksellerasjonsbegrenset svitsj (b~0) Rebeiz 18

Aksellerasjonsbegrenset svitsj 19

Svitsje-hastighet, stor demping Ved et dempings-begrenset system Bevegelsesligningen i Rebeiz 20

RF design Elektrisk modellering S-parametre RF karakterisering Parasitter 21

RF design av MEMS svitsj Kan utføres ved full elektromagnetisk modellering 3 dim elektromagnetisk analyse Mekanisk modell, materialer, grensebetingelser Beregning av felt-distribusjoner og S- parametre Bruk av ekvivalente krets-modeller Enkle modeller for håndkalkulering Kan brukes til å beregne typiske RF ytelsesparametre 22

Ekvivalent-krets for kapasitiv svitsj Rebeiz 23

Ekvivalent-krets, forts. Svitsj shunt impedans Ved resonans 24

Eksempel-verdier 25

Forenklet beregning av transmission Modell av kontakt seriesvitsj Serie svitsj i off -tilstand Transmisjon 26

Forenklet beregning av transmission, forts. Modell av kontakt shunt svitsj Shunt svitsj i off -tilstand 27

Shunt svitsj, forts. Transmisjon 28

Sammenligning Transmission Transmission Ionescu, EPFL 29

Elektrisk karakterisering av RF Ved lave frekvenser MEMS svitsjer Bruk impedans admittans parametre To-port med spenning og strøm Ved høye frekvenser Bruk S-parametre S-parametrene måles/beregnes når linjene er terminert med sin karakteristiske impedans S-parametrene er småsignal-parametre: RF effekt < DC effekt 30

S-parametre 2-port for definisjon av S-parametre Power waves 31

Definisjon av S-parametrene Beregninger viser at effekten (power): P n = 1 2 Re{ V n I * n } = 1 2 ( a n 2 b n 2 ) S-parametre 32

Hva hver enkelt parameter betyr 33

Måling av S-parametre S-parametrene måles når linjene er terminert med sin karakteristiske impedans 34

RF karakterisering Reflekterte og transmitterte signaler må tas i betraktning Ulike parametre beregnes Insertion loss i ON-state = Isolation i OFF-state = Return loss (begge tilstander) = 35

RF karakterisering, forts. Insertion loss i on-state S 21 = b a 2 1 a 2 = 0 = transmitted, port2 incident, port1 Spesifiseres i db Degraderes med økende frekvens 36

RF karakterisering, forts. Isolation i off-state 1 S 21 = a b 1 2 a = 0 2 (Varadan) incident, port1 = transmitted, port2 1 S 12 = a b 2 1 a = 0 1 incident, port2 = transmitted, port1 (mest vanlig def) Stor isolasjon når utgang er liten i forhold til inngang (eller når inngangen påvirkes lite av utgangen) Return loss i begge tilstander b 1 S 11 = dvs. stort tap når mye reflekteres a1 37

Parameter-målinger Varadan 38

RF modellering Shunt svitsj Modelleres med kapasitans i up-state Refleksjon 39

RF modellering, forts. 40

RF modellering, forts. Shunt svitsj Serie-resistans i down-state ved resonans Transmisjon Transmittert effekt = 1 + reflektert negativt 41

RF parasitter pga. meandere Meandere gjør fjæropphenget mykere Flere grener gir lavere Vpi => fører til parasitt induktans => påvirker RF-ytelsen Nøyaktig modellering må ta hensyn til parasitt induktans og parasitt resistans 42

Parasitt induktans Rebeiz 43

Eksempler på implementasjoner Struktur og ytelse Serie-svitsjer Eks. på kontakt-svitsjer Shunt-svitsjer Fremstilling 44

Cantilever beam med elektrostatisk aktivering Ionescu, EPFL 45

Rockwell serie-svitsj Rebeiz 46

Rockwell serie-svitsj, forts. 47

Motorola Rebeiz 48

Motorola, forts. Rebeiz 49

Lincoln 50

Lincoln, forts. 51

Lincoln, forts. 52

Eks. på implementasjoner, forts. Shunt-svitsjer Kapasitive RF MEMS svitsjer 53

Kapasitive svitsjer, status Park et al 2000 54

Raytheon Rebeiz 55

Raytheon, forts. Rebeiz 56

Univ of Michigan Rebeiz 57

Univ of Michigan Rebeiz 58

Ulike ytelsesparametre Yao, 2000 59

Ulike ytelsesparametre Yao 2000 60

Fremstilling av kapasitiv svitsj Ionescu, EPFL 61

Fremstilling, Rockwell switch Rebeiz 62

Fremstilling, Michigan switch Rebeiz 63

Alternative svitsje-strukturer 3 elektroder kan også brukes Topp-elektroden brukes for å clampe den aktive elektroden til toppen Spesielt viktig for systemer utsatt for høye aksellerasjoner 64

Ionescu, EPFL 65

Alternative aktiveringsmekanismer Væske/metall kontakt-svitsj Kan løse pålitelighetsproblemet en har pga. faststofftil faststoff ved å bruke væske-til-faststoff Kvikksølv (Hg) velges pga. dets egenskaper Lav kontakt-resistans Ingen signal-ringing Ikke kontakt-slitasje Elektrostatisk aktivering Aktiveringsspenning 100 150 V Væske ikke akseptert i IC-industrien 66

Kvikksølv-svitsj Planar prosess, foto, JHU, Appl Physics Lab 67

Kvikksølv-svitsj Varadan 68

Kvikksølv-svitsj Varadan 69

Termisk svitsjing Varadan 70

Noen utfordringer Høyt elektrisk felt i små dimensjoner Deler av metall-overflaten kan smelte Væske-metall-damp fortsetter ledningen når svitsjen er i av-tilstand Selvaktivering Hvis signalet, som kan være lite, overlagres et DC-signal, kan det forekomme selvaktivering Det kan derfor være en fordel å dekoble aktiverings- og signal-linjer Separate områder 71

Ionescu, EPFL 72

Svitsj integrert med IC Saias et al, 2003 73

Ytelse ved ulike løsninger Saias et al, 2003 74