\documentclass{report}


\usepackage{xepersian}

\settextfont{B Nazanin}

\begin{document}
\chapter{کاربردهای مایکرویو برای سوئیچ های \lr{RF MEMS}}
\section{مقدمه}
     سیستم های میکروالکترومکانیکی سیستم هایی هستند که تلفیقی از یک بخش مکانیک و یک بخش الکترونیک است. در واقع ناشی از ترکیب فناوری های مدار مجتمع و میکرو ماشین است. این سیستم ها تحول بزرگی را در عرضه فناوری های مختلف ایجاد کرده و توانسته یک سیستم مکانیکی و الکترونیکی را در کنار یکدیگر در مقیاس میکرو بیاورد. در واقع در گذشته نیز سیستم های الکترومکانیکی وجود داشته مثلا رله و برخی فیوز ها یک سیستم الکترومکانیکی هستند. ولی آنچه که این فناوری را برجسته و منحصر به فرد می کند پیاده سازی در مقیاس میکرو و یا حتی نانو است که توانایی یکپارچه سازی با مدارات مجتمع را به طراحان داده است.

  قطعا امروزه کاربری های متعددی برای یک قطعه بر مبنای \lr{MEMS} متصور است. از ژیروسکوپ یک هواپیما تا تجهیزات اندازه گیری دما ، فشار و ... در صنعت، ولی یکی از کاربرد های مهم آن سوئیچ است. امروزه با رشد فناوری های ارتباطی مانند تلفن همراه، وای فای و تجهیزات مخابرات ماهواره ای، فرکانس ها هم به مرتبه چندین گیگاهرتز افزایش یافته این خود یعنی سطح فناوری باید متناسب با فرکانس تغییر کند و ساخت سوئیچ های مکانیکی برای استفاده های فرکانس بالا اهمیت پیدا کرده است. در این فصل قرار است به کارکرد \lr{MEMS} و نحوه به کارگیری آن به عنوان سوئیچ و یا سایر تجهیزات مخابراتی بپردازیم.

\section{تاریخچه \lr{MEMS}}
مراحل تحقیق و توسعه در حوزه فناوری سیستم های الکترومکانیکی به صورت زیر است:
\begin{enumerate}
\item دهه 1970 میلادی: ساخت سنسور های دما، فشار، شتاب و تشخیص دهنده گاز بر اساس \lr{MEMS} 
\item دهه 1980 میلادی : ساخت تجهیزات فرکانس پایین بر اساس \lr{MEMS}   مانند سوئیچ های قطع و وصل خطوط انتقال سیگنال. 
\item بازه 1990-1991: با حمایت مادی آژانس پروژه های تحقیقاتی پیشرفته دفاعی زیر نظر پروفسور لری لارسون در مرکز آزمایشگاهی هیوز کالیفرنیا جهت استفاده های مختص مایکرویو به عنوان سوئیچ \lr{MEMS} بکار گرفته شد.
\item سال 1995 میلادی: دو شرکت آمریکایی سوئیچ های \lr{MEMS} را در دو مدل فلز به فلز، با فرکانس 60 گیگاهرتز و اتصال خازنی، با فرکانس کاری 10 تا 120 گیگاهرتز را به مرحله ساخت و طراحی رساندند.
\item  سال 1998 میلادی: دانشگاه های متعددی در آمریکا مانند دانشگاه میشیگان، دانشگاه کالیفرنیا در برکلی، دانشگاه شمال شرق در بوستون و آزمایشگاه های لینکلن موسسه فناوری ماساچوست وارد حوزه طراحی، شبیه سازی و ساخت تجهیزات برپایه \lr{MEMS} شدند.
\item سال 2001 میلادی: شرکت های بزرگ تولید کننده تجهیزات و لوازم الکترونیک مانند سامسونگ، موتورولا، امرون و ان ای سی وارد بخش طراحی و به کارگیری \lr{MEMS} در محصولاتشان شدند.
\end{enumerate}

\section{معرفی سوئیچ های \lr{MEMS}}
تعریف سوئیچ های ایده آل: کلید یا سوئیچی ایده آل اطلاق می شود که در صورت بسته بودن(اتصال کوتاه) سیگنال به صورت کامل منتقل شود و در صورت باز بودن (مدار باز) به صورت کمل هیچ سیگنالی منتقل نشود.

سوئیچ های \lr{MEMS} دارای دو بخش الکتریکی و مکانیکی هستند. بخش مکانیکی توسط یکی از حالات چهارگانه زیر تحریک شده و توسط نیروی فنر جذب (وصل) می شود و یا دفع (قطع) میشود. یکی از اجزاء مهم یک سوئیچ  \lr{MEMS} غشاء یا پوسته است این جزء توسط یکی از حالات تحریک شده و به کمک نیروی فنر عمل اتصال یا قطع را انجام می دهد.

\begin{figure}
\centering
\includegraphics[scale=0.9]{fig}
\caption{ نحوه قطع و وصل غشاء یا پوسته در \lr{MEMS} سوئیچ}
\end{figure}

نحوه کارکرد سوئیچ طوری است که همانطور که در شکل 1.1 مشاهده می کنید بین دوپایه نارنجی رنگ نگهدارنده، دو الکترود بنفش رنگ قرار گرفته مابین این دو الکترود، دو شمش قرار دارد که بین آنها یک فاصله هوایی  وجود دارد که یک شمش ورودی سیگنال و شمش دیگر نیز خروجی سیگنال است. تحت یکی از تحریک های زیر پوسته یا غشاء حرکت کرده و دو شمش را به هم متصل می کند و به این طریق سیگنال ورودی خارج و یک سوئیچ بر مبنای \lr{MEMS} را ایجاد می کند حال آن که این نیروی مکانیکی توسط چه چیزی ایجاد یا تحریک می شود را از نکته زیر می توان دریافت.

نیروی مکانیکی لازم می تواند از 4 روش : 
\begin{enumerate}
\item  \textbf{مگنتواستاتیک:} تحریک به وسیله اعمال میدان مغناطیسی است که همراه یک میدان مغناطیسی دائم است.
\item  \textbf{الکترواستاتیک:} تحریک به وسیله ایجاد میدان الکتریکی است. (عمدتا این نوع تحریک پرکاربرد تر است.)
\item   \textbf{پیزوالکتریک:} تحریک با استفاده از خاصیت پیزوالکتریک به صورتی که با اعمال ولتاژ ماده پیزوالکتریک منبسط شده و کلید را وصل و با قطع ولتاژ به حالت خود باز میگردد.
\item \textbf{حرارتی:} این روش همراه یک جزء الکترواستاتیک است . این روش مختص مکان هایی است که حرارت وجود دارد.
حال باید بررسی شود که کدام یک از روش های تحریک بالا مناسب ترین و بهترین روش است . با توجه به داده های ذکر شده در شماره یک نوع تحریک الکترواستاتیک بهترین روش است . دلایل به شرح زیر است :

\begin{enumerate}
\item توان مصرفی بسیار کم.
\item نیروی اتصال قابل تحقق و مناسب.
\item الکترود های مورد نیاز باریک است.
\item زمان سوئیچینگ قابل اعتماد. 
\end{enumerate}

\end{enumerate}
\begin{itemize}
\item حرکت پوسته یا غشاء به دو صورت عمودی  یا جانبی  حرکت میکند.
\item نحوه اتصال غشاء  نیز به دو صورت خازنی و فلز به فلز است.
\item از نظرالکتریکی می توان به دو روش سری  و موازی  پیکربندی کرد.
\item  هر کدام از موارد بالا می تواند یک \lr{MEMS} 2*2*2*4 حالت مختلف که برابر 32 حالت است را ایجاد کرد. را ایجاد کند. یعنی میتوان 
\end{itemize}

\begin{table}[htp]
\centering
\caption مقایسه  نحوه پیکربندی \lr{MEMS}
\begin{tabular}{| c | c | c | c | c | c | c | }
\hline
\multicolumn{7}{c|}{مکانیزم تحریک}
\\  \hline
                  &     نیروی اتصال(میکرو نیوتن)      &    زمان سوئیج(میکرو ثانیه)     &     سایز    &     توان(میلی وات)      &     جریان(میلی آمپر)    &      ولتاژ(ولت)
\\  \hline
الکترو استاتیک    &   50-1000    &   1-200  &   کوچک   &   0   &   0    &   20-80
\\  \hline
حرارتی    &    500-4000   &  300-10000   &     بزرگ    &   0-200   &    5-100   &    3-5
\\  \hline
مگنتو استاتیک   &   50-200   &    300-1000   &    متوسط    & 0-100  &  20-150  & 3-5
\\  \hline
پیزوالکتریک     &     50-200   &  50-500   &    متوسط    &     0     &     0   &   3-20
\\  \hline
\multicolumn{7}{c|}{حرکت}
\\  \hline
عمودی    &    \multicolumn{6}{c|}{به صورت عمده در سیستم های سایز کوچک استفاده می شود}
\\  \hline
جانبی   &    \multicolumn{6}{c|}{به صورت عمده در سیستم های سایز بزرگ استفاده می شود}
\\  \hline
\multicolumn{7}{c|}{فرکانس بر اساس نحوه اتصال (ویژه کلید فقط)}
\\  \hline
فلز به فلز  &    \multicolumn{6}{c|}{60 گیگاهرتز - \lr{DC}}
\\  \hline
خازنی    &    \multicolumn{6}{c|}{6-120 گیگاهرتز}
\\  \hline
\multicolumn{7}{c|}{پیکربندی مدار}
\\  \hline
سری    &    \multicolumn{6}{c|}{فرکانس جریان مستقیم با مقدار 50 گیگاهرتز در حالت فلز به فلز  و 10 تا 20 گیگاهرتز در حالت اتصال خازنی }
\\  \hline
موازی   &    \multicolumn{6}{c|}{فرکانس جریان مستقیم با مقدار 60 گیگاهرتز در حالت فلز به فلز}
\\
\end{tabular}
\end{table}





\end{document}