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MEMS开关I

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MEMS开关I课程教案、知识点、字幕

下面我们首先来看MEMS的开关

MEMS的开关之所以有非常广泛的应用

是由于移动通信它的频段非常的复杂

那么不同的国家他们所采用的通信制式不一样

频段也是不一样的

同时多个通信制式也在共同存在着

比如说

我们在广泛使用4G作为网络传输的时候

也在使用2G作为语音传输

那么这些不同的制式

不同的频段需要在一部电话里面

尽可能的包括进来

因此我们需要大量的和复杂的选频开关

同时我们从这幅图可以看到

从2009年到2013年

无线通信系统里面的多模制式发展非常快速

而单模的制式迅速的衰减

那么进入到2015年多模已经

完成统治了无线通信体系

这些的发展趋势都要求我们能够实现

高性能和更多数量的开关

我们前面提到 由于多频段共存对开关

有非常强烈的需求

我们需要用开关来切换天线的收发

和不同频率的波段

因此 开关的数量在不断的增加

从这幅图我们看出来

从2007年发展到2013年

那么每一个无线通信体系下面

所需要的开关数量

随着波段的增加和频率的增加在迅速的增加

那么我们为什么要用MEMS的开关呢

首先 MEMS开关具有很好的性能

它包括比较高的隔离度

比较低的插入损耗

以及比较高的谐波抑制比

另外我们利用大量的MEMS的开关

可以提高芯片的集成度

这样就能够大幅降低系统的复杂度

同时 我们还可以通过MEMS的开关

来进行复杂的通道选择

从而实现可调和可重构这样的一个目的

下面我们来看一下开关的具体结构形式

通常来讲我们按照开关的连接方式

可以把它分为串联开关和并联开关

按照导通的方式可以分为金属接触开关

或者电容耦合开关

所谓的串联开关是指开关在信号传递的通道上

因此开关的闭合会导致信号传输

开关的断开会导致信号的中断

那么并联开关呢是指在信号传输的通路

与另一个信号通路通常是地之间

施加一个并联开关

由于并联开关具有信号耦合的作用

它能使通过这样一个开关的信号引导到

另一条传输通道上去

所以 我们有的时候也把它称为旁路开关

金属接触开关是指采用一个金属直接把

输入和输出端连接起来

那么作为信号导通的通道

电容耦合开关是指通过电容将满足一定频率的

信号耦合过去这样的一个传输方式

一般的情况下

我们串联开关所应用的多是金属接触式的

而并联开关用到的多是电容耦合式的

这种组合具有一定的稳定性

也就是说 针对于不同的应用 由信号的

频率高低和开关的功能决定了信号的导通方式

我们用这两个图分别来看一下金属接触开关

也就是串联开关和电容耦合开关

也就是并联开关或者旁路开关

在一个电路系统中的应用

在一个传输线中间设置一个串联开关

那么这个开关的开和断直接决定了传输线上

是否有信号可以通过

而对于一个传输线与地之间增加一个旁路开关

就可以使旁路开关的开和闭来决定

符合旁路开关能够耦合的频率

从信号线旁路到地上去

下面我们来看一下电容耦合开关的结构

电容耦合开关的结构通常是一个

双端支撑的一个桥式结构

也就是一个简单的平板在双端固支起来

它的结构可以用这个图来表示一下

这是一个双端支撑的桥

下端是衬底

衬底上方是一层绝缘层

绝缘层上方是一个信号的传输线

那么信号传输线上方还有一层绝缘层

当在支撑的平板和驱动的电极之间

施加一个驱动电压的时候

我们可以使电压的大小超过

我们前面提到的临界电压

就会使平板与下电极彻底的结合

在结合的过程中原来的电容它的介质层

是一层空气加一层介质层

而现在转变为只有一层介质层

因此它的电容减小了

电容减小的后果是导致不同频段的信号

能够从原来的电容耦合变为

另一个频段的信号才能通过电容的耦合

因此 电容的开与关会导致不同频率的

交流信号通过电容耦合过来

这两张照片给大家看到的是电容式开关的

处于断开的状态和闭合状态时候的照片

我们能够看出来闭合以后

由于电容的平板与下电极的接触

因此相接触的区域它的颜色和悬空时

都有明显的差别

对于电容耦合式的开关我们可以用一个

简化的双端固支梁的模型来进行描述

这个双端固支梁既可以以一个集中力

来作为简化

也可以以一个分布力作为简化

当然不同的分析方式

它们基本的微分方程是一样的

不同点只是在于平衡关系和边界条件有所不同

这些内容我们在基本力学里面讲过了

在这儿只做一个简单的复习

下面我们来介绍一下金属接触式的开关

从这个图我们能够看出来金属接触式的开关

通常有一个悬空的悬臂梁也就是一端支撑

另一端悬空来构成

那么在悬臂梁的中间和所对应的衬底位置上

各有一个上电极和一个下电极

这两个电极可以通过施加静电力使悬臂梁产生弯曲

悬臂梁弯曲以后

导致悬臂梁前端的绿色的信号线与衬底上的黄色的信号线直接接触

使原来断开的两个黄色信号线被绿色的信号线连接起来

从而实现电信号的导通

下面这一个照片给大家看到的就是一个

实际的金属接触开关

它在尾端是支撑结构

在前端是一个悬空结构

那么这个悬空结构当它闭合以后会把原来的

输入和输出的信号线直接连接起来

从而形成一个信号传递的通道

同样 金属接触式的开关我们可以把它简化为

一个悬臂梁式的模型

通过微分方程和边界条件的关系

我们也可以来计算它的静态特性

由于开关的梁是一个动作的状态

无论是电阻式的悬臂梁或者是电容式的

双端支撑桥那么都需要它产生一定的动作

驱动这个动作需要一个驱动器

一般的情况下我们可以采用下面的几个原理

第一个是一个电磁的原理

也就是在衬底和驱动结构上施加一个磁场

那么在开关表面上通以一定的电流

那么由此产生电磁力来驱动结构变形

那么第二种呢是一种热驱动的形式

我们可以在可动的这个梁表面上

制造一个加热的电阻

那么利用双膜片的结构或者利用冷热壁等等

来实现一个由加热驱动的悬臂梁

或者桥式的弯曲

同样我们也可以采用压电式的结构

或者采用电容式静电力的驱动

这里边广泛采用的是电热式和电容式的驱动

那么对于电容式的驱动我们要求它能够

使整个悬空的梁产生一个下拉的效应

无论是对于金属接触式的开关

或者是电容耦合式的开关

都需要使驱动电压能够

把上极板下拉到下极板的表面

MEMS与微系统课程列表:

第一章 概述

-第1小节 MEMS的定义

--MEMS的定义

-第1小节 MEMS的定义--作业

-第2小节 MEMS的应用领域

--MEMS的应用领域

-第2小节 MEMS的应用领域--作业

-第3小节 MEMS的发展

--MSMS的发展

-第3小节 MEMS的发展--作业

-第4小节 MEMS的发展(续)

--MEMS的发展(续)

-第4小节 MEMS的发展(续)--作业

第二章 微系统基本理论—基础力学与基本物理

-第1小节 应力和应变

--应力与应变

-第1小节 应力和应变--作业

-第2小节 弹性梁

--弹性梁

-第2小节 弹性梁--作业

-第3小节 弹性梁(续)

--弹性梁(续)

-第3小节 弹性梁(续)--作业

-第4小节 薄板与流体的基本概念

--薄板与流体的基本概念

-第4小节 薄板与流体的基本概念--作业

-第5小节 流体的基本概念(续)

--流体的基本概念(续)

-第5小节 流体的基本概念(续)--作业

-第6小节 静电力

--静电力

-第6小节 静电力--作业

-第7小节 尺寸效应

--尺寸效应

-第7小节 尺寸效应--作业

第三章 微系统制造技术I—光刻与体微加工技术

-第1小节 MEMS光刻技术

--MEMS光刻技术

-第1小节 MEMS光刻技术--作业

-第2小节 体微加工技术—各向同性湿法刻蚀

--体微加工技术—各向同性湿法刻蚀

-第2小节 体微加工技术—各向同性湿法刻蚀--作业

-第3小节 体微加工技术—各向异性湿法刻蚀

--体微加工技术—各向异性湿法刻蚀

-第3小节 体微加工技术—各向异性湿法刻蚀--作业

-第4小节 体微加工技术—各向异性湿法刻蚀(续)

--体微加工技术—各向异性湿法刻蚀(续)

-第4小节 体微加工技术—各向异性湿法刻蚀(续)--作业

-第5小节 体微加工技术—干法刻蚀

--体微加工技术—干法刻蚀

-第5小节 体微加工技术—干法刻蚀--作业

-第6小节 体微加工技术—时分复用深刻蚀

--体微加工技术—时分复用深刻蚀

-第6小节 体微加工技术—时分复用深刻蚀--作业

-第7小节 体微加工技术—时分复用深刻蚀(续)

--体微加工技术—时分复用深刻蚀(续)

-第7小节 体微加工技术—时分复用深刻蚀(续)--作业

-第8小节 体微加工技术—稳态深刻蚀

-- 体微加工技术—稳态深刻蚀

-第8小节 体微加工技术—稳态深刻蚀--作业

-第9小节 体微加工技术—干法刻蚀设备与应用

--体微加工技术—稳态深刻蚀--作业

-第9小节 体微加工技术—干法刻蚀设备与应用--作业

第三章 微系统制造技术II—表面微加工技术

-第1小节 表面微加工技术概述

-- 表面微加工技术概述

-第1小节 表面微加工技术概述--作业

-第2小节 表面微加工技术的几个问题

--表面微加工技术的几个问题

-第2小节 表面微加工技术的几个问题--作业

-第3小节 表面微加工代工工艺

--表面微加工代工工艺

-第3小节 表面微加工代工工艺--作业

-第4小节 表面微加工的应用

--表面微加工的应用

-第4小节 表面微加工的应用--作业

-第5小节 厚结构层技术

-- 厚结构层技术

-第5小节 厚结构层技术--作业

第三章 微系统制造技术III—键合

-第1小节 键合概述与直接键合

-- 键合概述与直接键合

-第1小节 键合概述与直接键合--作业

-第2小节 阳极键合与聚合物键合

--阳极键合与聚合物键合

-第2小节 阳极键合与聚合物键合--作业

-第3小节 金属键合与键合设备

-- 金属键合与键合设备

-第3小节 金属键合与键合设备--作业

第三章 微系统制造技术IV—集成与封装

-第1小节 工艺集成

-- 工艺集成

-第1小节 工艺集成--作业

-第2小节 系统集成

--系统集成

-第2小节 系统集成--作业

-第3小节 单芯片集成与多芯片集成

--单芯片集成与多芯片集成

-第3小节 单芯片集成与多芯片集成--作业

-第4小节 三维集成

--三维集成

-第4小节 三维集成--作业

-第5小节 MEMS封装

--MEMS封装

-第5小节 MEMS封装--作业

-第6小节 MEMS封装(续)

--MEMS封装(续)

-第6小节 MEMS封装(续)--作业

第四章 微型传感器I—传感器的敏感机理

-第1小节 概述

--概述

-第1小节 概述--作业

-第2小节 压阻传感器

--压阻传感器

-第2小节 压阻传感器--作业

-第3小节 电容传感器与压电传感器

--电容传感器与压电传感器

-第3小节 电容传感器与压电传感器--作业

-第4小节 谐振传感器与遂穿传感器

--谐振传感器与遂穿传感器

-第4小节 谐振传感器与遂穿传感器--作业

第四章 微型传感器Ⅱ—压力传感器

-第1小节 压力传感器

--压力传感器

-第1小节 压力传感器--作业

-第2小节 压阻式压力传感器

-- 压阻式压力传感器

-第2小节 压阻式压力传感器--作业

-第3小节 压阻式压力传感器(续)

--压阻式压力传感器(续)

-第3小节 压阻式压力传感器(续)--作业

-第4小节 电容式压力传感器与谐振式压力传感器

--电容式压力传感器与谐振式压力传感器

-第4小节 电容式压力传感器与谐振式压力传感器--作业

-第5小节 硅微麦克风

--硅微麦克风

-第5小节 硅微麦克风--作业

第四章 微型传感器Ⅲ—惯性传感器

-第1小节 惯性传感器与加速度传感器概述

--惯性传感器与加速度传感器概述

-第1小节 惯性传感器与加速度传感器概述--作业

-第2小节 压阻式与电容式加速度传感器

--压阻式与电容式加速度传感器

-第2小节 压阻式与电容式加速度传感器--作业

-第3小节 电容式与热传导式加速度传感器

--电容式与热传导式加速度传感器

-第3小节 电容式与热传导式加速度传感器--作业

-第4小节 微机械陀螺概述

--微机械陀螺概述

-第4小节 微机械陀螺概述--作业

-第5小节 典型微机械陀螺

--典型微机械陀螺

-第5小节 典型微机械陀螺--作业

-第6小节 典型微机械陀螺(续)

--典型微机械陀螺(续)

-第6小节 典型微机械陀螺(续)--作业

-第7小节 模态解耦合

--模态解耦合

-第7小节 模态解耦合--作业

第五章 微型执行器

-第1小节 执行器概述

--执行器概述

-第1小节 执行器概述--作业

-第2小节 静电执行器—平板电容执行器

--静电执行器—平板电容执行器

-第2小节 静电执行器—平板电容执行器--作业

-第3小节 静电执行器—平板电容执行器(续)

--静电执行器—平板电容执行器(续)

-第3小节 静电执行器—平板电容执行器(续)--作业

-第4小节 静电执行器—叉指电容执行器

--静电执行器—叉指电容执行器

-第4小节 静电执行器—叉指电容执行器--作业

-第5小节 热执行器

--热执行器

-第5小节 热执行器--作业

-第6小节 压电执行器和磁执行器

-- 压电执行器和磁执行器

-第6小节 压电执行器和磁执行器--作业

第六章 RF MEMS

-第1小节 RF MEMS概述

-- RF MEMS概述

-第1小节 RF MEMS概述--作业

-第2小节 MEMS开关I

--MEMS开关I

-第2小节 MEMS开关I--作业

-第3小节 MEMS开关II

--MEMS开关II

-第4小节 MEMS开关III

--MEMS开关III

-第4小节 MEMS开关III--作业

-第5小节 MEMS谐振器—梳状谐振器

--MEMS谐振器—梳状谐振器

-第5小节 MEMS谐振器—梳状谐振器--作业

-第6小节 MEMS谐振器—板式谐振器

--MEMS谐振器—板式谐振器

-第7小节 MEMS谐振器的制造

--MEMS谐振器的制造

-第7小节 MEMS谐振器的制造--作业

第七章 光学MEMS

-第1小节 光学MEMS概述

-- 光学MEMS概述

-第1小节 光学MEMS概述--作业

-第2小节 MEMS光开关I

--MEMS光开关I

-第2小节 MEMS光开关I--作业

-第3小节 MEMS光开关II

-- MEMS光开关II

-第3小节 MEMS光开关II--作业

-第4小节 影像再现I—反射器件

-- 影像再现I—反射器件

-第4小节 影像再现I—反射器件--作业

-第5小节 影像再现II—衍射器件

--影像再现II—衍射器件

-第5小节 影像再现II—衍射器件--作业

-第6小节 影像再现III—干涉器件

--影像再现III—干涉器件

-第6小节 影像再现III—干涉器件--作业

第八章 微流体与芯片实验室

-第1小节 概述

-- 概述

-第1小节 概述--作业

-第2小节 软光刻技术

--软光刻技术

-第2小节 软光刻技术--作业

-第3小节 微流体输运

--微流体输运

-第3小节 微流体输运--作业

-第4小节 微流体输运(续)

--微流体输运(续)

-第4小节 微流体输运(续)--作业

-第5小节 试样处理

--试样处理

-第5小节 试样处理--作业

-第6小节 试样处理(续)

--试样处理(续)

-第7小节 检测技术

--检测技术

-第8小节 微流体应用

--微流体应用

-第8小节 微流体应用--作业

-第9小节 微流体应用(续)

--微流体应用(续)

-第9小节 微流体应用(续)--作业

第九章 BioMEMS

-第1小节 概述

--概述

-第1小节 概述--作业

-第2小节 药物释放 神经探针 生物传感器

--药物释放 神经探针 生物传感器

-第2小节 药物释放 神经探针 生物传感器--作业

-第3小节 可穿戴与可植入微系统

--可穿戴与可植入微系统

-第3小节 可穿戴与可植入微系统--作业

MEMS开关I笔记与讨论

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