Mikrodalga radyo frekans mikro-elektro-mekanik (RF MEMS) anahtar tasarımı ve üretim süreçlerinin geliştirilmesi
Design and process development of microwave RF MEMS switches
Yazar: KAAN DEMİREL
Danışman: PROF. DR. ERDEM YAZGAN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanoteknoloji ve Nanotıp Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında üretim sonunda ve 200 oC ısıl işlem sonrasında minimum kalıcı deformasyon özelliklerine sahip yeni RF MEMS anahtarların tasarım ve üretimi amaçlanmıştır. Bu RF MEMS anahtarların elektromanyetik (RF) performans özellikleri, 0,5 dB' den düşük araya girme kaybı, 24 GHz ve 35 GHz frekanslarda 
30 dB' den daha iyi yalıtım olarak ve bu anahtarların elektromekanik açıdan çekme gerilimi değerleri 40 V' tan daha düşük olarak hedeflenmiştir. Bu tezin diğer bir amacı da kolay üretilebilen, kalınlık hassasiyeti +/-10 nm seviyesinde olan, üretim sonunda yapıdan kolaylıkla uzaklaştırılabilecek feda katmanı yapısı geliştirmektir. 
Bu kapsamda, ileri radar ve iletişim sistemlerinde kullanılmak üzere üretimi planlanan RF MEMS anahtarlar ODTÜ-MEMS Araştırma ve Uygulama merkezinde üretilmiştir. Bu tezde üretilen yeni RF MEMS anahtarların tasarım ve üretim işlemleri anlatılmıştır. Yeni RF MEMS sığa anahtarlar için mekanik, termo-mekanik, elektromekanik ve elektromanyetik (RF) tasarımlar detaylı olarak verilmiştir. Bu kapsamda " Girdap-RF MEMS" ve "K-RF MEMS" ve " Kaldıraç sığal RF MEMS" olarak isimlendirilen üç farklı tasarım gerçekleştirilmiştir. Girdap-RF MEMS ve K-RF MEMS anahtarlar 35 GHz yalıtım frekansına sahip olarak tasarlamış, Kaldıraç sığal RF MEMS anahtarlar ise iki farklı tasarımla 24 GHz ve 35 GHz yalıtım frekansına sahip olarak tasarlanmışlardır. Diğer taraftan yeni feda katmanı (sacrificial layer) yapısı olarak amorf silisyum (a-Si) tasarım ve üretim süreçleri geliştirilmiştir.      
RF MEMS anahtar tasarım çalışmalarında "Sonlu Elemanlar Yöntemi" kullanılmıştır. Mekanik ve termo-mekanik modelleme çalışmalarında yapı içi gerilmeler ve sıcaklık kaynaklı gerilmeler göz önünde bulundurulmuştur. Tasarımı yapılmış RF MEMS anahtarların çekme gerilimi değerleri elektromekanik benzetim çalışmaları ile yapılmıştır. Bu çekme gerilimi değerleri, MEM köprünün çekme elektrotu üzerine ilk dokunuşu yapması için gerekli gerilim değeri olarak hesaplanmıştır.
Feda katmanı geliştirme çalışmalarında, amorf silisyum (a-Si) feda katmanı başarıyla geliştirilmiştir. RF MEMS anahtar üretim çalışmaları sonunda anahtarları elektromekanik ve elektromanyetik (RF) ölçümleri yapılmış ve tasarım değerleriyle karşılaştırılmıştır. Üretilen tüm RF MEMS anahtarlar istenilen frekansta 0,5 dB' den düşük araya girme kaybına ve 30 dB' den büyük yalıtım değerine sahip olarak ölçülmüştür. Çekme gerilimi ölçümleri sonucunda üretilen RF MEMS anahtarların 40 V' dan küçük çekme gerilimi değerine sahip oldukları görülmüştür. Sonuç olarak, RF MEMS anahtarların üretim sonunda gösterdikleri performans ve tasarım performanslarının uyum içinde olduğu görülmüştür.

Abstract:
The aim of this thesis is to design and produce new RF MEMS switches which have minimum permanent deformation after fabrication process and 200 oC thermal treatment process.  The electromagnetic (RF) performance target of these RF MEMS switches are less than 0,5 dB insetion loss, grater than 30 dB isolation at the 24 GHz and 35 GHz frequencies. From the electromechanical point of view, the actuation voltage target of these switches is less than 40 V. The other aim of this thesis is to develop a new sacrificial layer, which can be produced with +/-10 nm accuracy and etched easily at the and of the production. 
The fabrication proceses of three new RF MEMS switches, which will be used in advanced radar and communication systems, are carried out at METU-MEMS Research and Application Center. The mechanical, thermomechanical, electromechanical and electromagnetic (RF) designs are explaned in detail for the new capacitive RF MEMS switches. In this context, three different RF MEMS shunt swithes are designed and these are named as "Vortex-RF MEMS", K-RF MEMS" and "Cantilever capacitive RF MEMS". The Vortex-RF MEMS and K-RF MEMS have 35 GHz isolation frequency. The cantilever capacitive RF MEMS switches have two different designs with the isolation frequency of 24 GHz and 35 GHz. On the other hand, the a-Si sacrificial layer design and process are developed as a new sacrificial layer for the RF MEMS devices. 
In the RF MEMS switch design studies the "Finite Element Metod" are used. In the mechanical and termomecanical modeling studies the intrinsic and thermal stresses are taken into account. The actuation voltages of the designed RF MEMS switches are estimated with the electromechanical simulations. These actuation voltages are calculated as required voltage value for the first touch on the pull-down electrode of MEMS bridge.
In the sacrificial layer development study, the amorphous silicon (a-Si) sacrificial layer are processed successfully. At the end of the RF MEMS switch fabrication processes the electromecanical and RF measurements are taken and compared with the design values. All of the measured switches show less than 0,5 dB insetion loss and grater than 30 dB isolation at the desired frequencies. The actuation voltages are measured as <40 V for all RF MEMS switches. In conclusion, designed RF MEMS switch performance are in agreement with fabricated switches.