Terahertz frekansları için Nano-Elektro-Mekanik-Sistemler (NEMS) anahtar tasarımı
Nano-Electro-Mechanical Systems (NEMS) switch design for terahertz frequency
Yazar: MUAMMER SERKAN AÇIKGÖZ
Danışman: DOÇ. DR. MEHMET ÜNLÜ
Ankara Yıldırım Beyazıt Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bu çalışmanın amacı, terahertz frekansları için elektrik-elektronik teknolojisi alanında sürekli gelişme gösteren Nano-Elektro-Mekanik Sistemler (NEMS) teknolojisi kullanarak elektrostatik NEMS anahtarın mekanik ve elektromanyetik tasarımını sunmaktır.
Bu çalışmada, simülasyon çalışması metal temas NEMS anahtarının mekanik ve elektromanyetik davranışını gözlemlemek için uygulanmıştır. Geliştirilen HFSS simülasyonları tasarlanmış NEMS anahtarının izolasyonunu ve ekleme kaybını göstermektedir. ON ve OFF durumları için metal temas NEMS anahtarın devre modeli çizilmiştir. CoventorWare simülasyonlarında, aşağı çekme gerilimi, çalıştırma yay sabiti, geri çağırım yay sabiti, anahtarlama zamanı, temas kuvveti ve geri çağırım kuvveti gibi anahtarın mekanik özelliklerini gösterilmiştir. CoventorWare simülasyonları sonuçları analitik sonuçlar ile MATLAB'da karşılaştırılmaktadır.
Tezin araştırma aşamasında son yıllarda NEMS anahtar ile ilgili çalışmalar taranarak 2002-2018 dönemine ait makaleler, konferanslar ve tezler incelenmiştir. Bunun yanı sıra, NEMS anahtarın mekanik ve elektromanyetik yapısı tartışılmıştır. Yapılan çalışma sonucunda, araştırmadan elde edilen bilgilere göre düşük çekme gerilimi, yüksek anahtarlama süresi ile beraber 1 terahertz'e kadar yüksek izolasyon, düşük araya girme yitimine sahip metal temas NEMS anahtarı geliştirilmiştir. Geliştirilen 7x15 ve 7x20 mikrometre kare anahtarların mekanik özellikleri sırasıyla 68.5-36.5 volt çekme gerilimi, 0.5-0.8 mikrosaniye anahtarlama süresi, 7-3 mikronewton temas kuvveti, 4.75-2  mikronewton  geri  çağırım kuvvetidir. Anahtar, 500 gigahertze kadar -15 desibel izolasyona ve 500 gigahertz - 1 terahertz arasında -10 desibel izolasyona sahiptir. Anahtarın araya girme kaybı ise 1 terahertz kadar -2 desibeldir.

Abstract:
The aim of this study is to present the mechanical and electromagnetic design of the electrostatic NEMS switch using Nano-Electro-Mechanical Systems (NEMS) technology which shows continuous improvement in the field of electrical-electronic technology for terahertz frequencies.
In this study, the simulation study was applied to observe the mechanical and electromagnetic behavior of the metal contact NEMS switch. The developed HFSS simulations demonstrate the isolation and insertion loss of the designed NEMS switch. Also circuit model was drawn of the metal contact NEMS switch for ON and OFF state. The CoventorWare simulations show the mechanical properties of the switch, such as the pull-in voltage, actuation spring constant, release spring constant,  switching time, contact force and release force. The results of CoventorWare simulations are compared with analytical results in MATLAB.
In the research phase of the thesis, the studies related to the NEMS, miniature MEMS switches were searched and the articles, conferences and thesis of the period of 2002-2018 were examined. Besides, the mechanical and electromagnetic structure of the NEMS switch are discussed. As a result of the study, low pull-in voltage, high isolation, low insertion loss, high switching time up to 1 terahertz metal contact NEMS switch has been developed. Developed 7x15 and 7x20 micrometre square switch's mechanical properties are 68.5-36.5 volt pull-in voltage, 0.5-0.8 microsecond switching time, 7-3 micronewton contact force, 4.75-2 micronewton restoring force. Switch has -15 decibel isolation up to 500 gigahertz and -10 decibel isolation between 500 gigahertz to 1 terahertz. Insertion loss of the switch is -2 decibel up to 1 terahertz.