I n d on e s i an   Jo u r n al   o El e c t r i c al   En gi n e e r i n g   an d   C o m p u te r   S c i e n c e   V o l .   15 ,   N o .   2 A ugus t   20 1 9 ,   pp .   971 ~ 97 8   IS S N :   2502 - 4752 ,   D O I :   10. 1 1591 / i j e e c s . v 1 5 .i 2 . pp 971 - 97 8             971       Jou r n al   h o m e pa ge ht t p: / / i ae s c or e . c om / j our na l s / i nde x . php/ i j e e c s   N o v e l   d e si g n   a n d   a n a l y si o f   R F   M E M S   s h u n t   c a p a c i t i v e   s w i t c h   f o r   r a d a r   a n d   s a t e l l i t e   c o m m u n i c a t i o n s       M ah am   K am i l   N aj i 1 ,   A l aa   D e s h e r   F a r h o o d 2 ,   A d n an   H u s s e i n   A l i 3   1 I ns t i t ut e   o f   T e c ho no l o gy ,   M i ddl e   T e c hni c a l   U n i v e r s i t y ,   I r a q   2 , 3 T e c hni c a l   E l e c t r o ni c s   D e p t . ,   T e c hni c a l   I ns t r uc t o r s   T r a i n i ng   T ns t i t ut e ,   M i dd l e   T e c hn i c a l   U ni v e r s i t y ,   I r a q       A r ti c l e   I n fo     A B S TR A C T     Ar t i c l e   h i s t or y :   R e c e i v e d   A ug   3 0 ,   201 8   R e v i s e D e c   10,   2018   A c c e pt e J an   1 2 ,   201 9       I n   t hi s   pa pe r ,   a   n e w   t y pe   o f   R a di o   F r e que nc y   M i c r o - E l e c t r o - M e c ha n i c a l   S y s t e m   ( R F - M E M S )   s hu nt   c a pa c i t i v e   s w i t c i s   de s i g ne a nd  s t udi e d.   R F   M E M S   s w i t c ha s   a   num b e r   of   a dv a nt a g e s   i n   a   m o de r t e l e c o m m uni c a t i o s y s t e m   s uc a s   l o w   po w e r   c o ns um pt i o n,   e a s y   t o   f a br i c a t e   a nd  po w e r   ha nd l i ng   c a pa c i t y   a t   r a di o   f r e qu e nc y .   A t   hi g f r e que nc y   a ppl i c a t i o ns ,   t hi s   s w i t c s ho w s   v e r y   s upe r i o r   p e r f o r m a nc e   due   t o   w hi c i t   no w   be c a m e   o ne   of   t he   k e y   e l e m e nt s   f o r   R F   a pp l i c a t i o n.   I t hi s   p r o po s e de s i g n,   a i nno v a t i v e   t y pe   o f   M E M S   s w i t c i s   de s i g ne d .   T he   M E M S   s w i t c s t r uc t u r e   c o ns i s t s   o f   s ubs t r a t e ,   c o - pl a na r   w a v e g ui de   ( C P W ) ,   d i e l e c t r i c   m a t e r i a l   a nd  a   m e t a l l i c   br i dg e .   T h e   p r o po s e M E M S   s w i t c ha s   a   d i m e n s i o o f   508  µm   ×   620  µm   w i t h e i g ht   o f   500  µm .   T h e   s ubs t r a t e   us e i s   G a A s   m a t e r i a l .   T he   r e l a t i v e   p e r m i t t i v i t y   o f   t he   s ub s t r a t e   i s   12 . 9 .   T h i s   pr o po s e M E M S   s w i t c i s   de s i g ne d   a nd  s i m ul a t e i bo t U P   ( O N )   s t a t e   a nd  D O W N   ( O F F )   s t a t e .   T he   pr o po s e RF - M E M S   s w i t c i s   d e s i g ne a nd  s i m u l a t e d   us i ng   A ns o f t   H i g f r e que nc y   s t r uc t ur e   s i m ul a t o r   ( H F S S )   e l e c t r o m a g ne t i c   s i m ul a t o r .   T he   s i m ul a t e r e s u l t   s ho w s   be t t e r   p e r f o r m a nc e   pa r a m e t e r s   s uc a s   r e t u r l o s s   (   < - 10  dB )     a nd  i ns e r t i o l o s s   (   >   - 0. dB )   i U P   s t a t e ,   w he r e a s   r e t u r l o s s   (   >   - 0. 5   dB )   a nd   i s o l a t i o ( < - 10  dB )   i n   D O W N   s t a t e .   T h i s   s w i t c ha s   g o o d   i s o l a t i o c ha r a c t e r i s t i c s   o f     43   dB   a t   2 G H z   f r e que nc y .   Ke y w or d s :   Ca pa c i t i v e   s hu n t     CP W   H F S S   In s e r t i o n   l o s s     M E M S   s w i t c h     R e t urn   l o s s     RF - M E M S     C opy r i gh t   ©   201 9   I n s t i t ut e   o f   A dv anc e E ng i ne e r i ng   and   S c i e nc e .     A l l   r i gh t s   r e s e r v e d .   Cor r e s pon di n g   Au t h or :   M a h a m   K a m i l   N a j i ,   T e c hn i c a l   E l e c t r o ni c s   D e pt . ,   I m s t i t u t e   o f   T e c hn o l o g y   M i ddl e   T e c hni c a l   U n i v e r s i t y ,   B a gh d a d,   I ra q .   E m a i l m a h a m k a m i l 73 @ gm a i l . c o m       1.   I N TR O D U C TI O N     T h e   t e r m   R F - M E M S   m e a n s   R a di o   F r e que n c y   M i c r o - E l e c t r o   M e c h a ni c a l   S y s t e m .   T h e r e fo r e   i t   i s   c o m b i na t i o n   o t w di ffe r e nt   s y s t e m s   t h a t   i s   m e c ha n i c a l   a nd  e l e c t r i c a l   s y s t e m s .   T h e   M E M S   s w i t c h   e xh i b i t   bo t h   m e c ha n i c a l   a n d   e l e c t ri c a l   c ha r a c t e r i s t i c s   du ri n t h e   f un c t i o n .   T h e   m e c ha ni c a l   p r o pe r t y   h e l ps   t o   up  a n d   dow n   m o ve m e n t   o f   RF   M E M S   s w i t c h   f o r   t h e   t ra n s m i s s i o o f   r a d i o   f r e que n c y   s i gn a l   t hr o ug h   t h e   CP W   c o n duc t o r   [ 1,   2].   T hi s   M E M S   s w i t c h   a r e   e xt e n s i v e l y   us e fo r   r a d i o   f r e que n c y   a ppl i c a t i o n s   [3].   I n i t i a l l y   M E M S   a r e   us e f o r   s e ve r a l   de v i c e s   s uc h   a s   t e m p r e t u r e   s e n s o r ,   p r e s s u r e   s e n s o r,   ga s   c hr o m a t o gra p h s   e t c   a nd  a t   t h e   s a m e   t i m e   M E M S   s w i t c h   a r e   a l s o   us e a t   l ow   f r e que n c y   a ppl i c a t i o n s   [4 - 6] .   T h e   M E M S   s w i t c h e s   i n t e g r a t e s   t h e   b e n e f i t s   o f   m e c h a ni c a l   a nd  s e m i c o n duc t o r   p ro pe r t i e s   i n   s m a l l   s i z e .   T hi s   p r o pe rt y   o f   M E M S   s w i t c h   c a b e   us e fo r   ra di o   f r e que n c y ,   h e n c e   c a l l e R F - M E M S   s w i t c h .     L i ke   M E M S   s w i t c h ,   t h e r e   h a v e   a l o s   b e e n   s e v e r a l   s t a n d a r s w i t c h e s   s uc h   a s   P IN   di o de   a n F E T   f o r   t h e   s w i t c h i n f u n c t i o n   a t   R F   f r e que n c y .   T h e   R F - M E M S   s w i t c h   p r o v i de s   be t t e r   pe r f o r m a n c e s   s uc h   a s   l o w   pow e r   c o n s um pt i o n,   h i g h   i s o l a t i o n,   l e s s   n o i s e ,   l ow   i n s e rt i o n   l o s s ,   h i g h   b a n dw i dt h   t ha n   t h e   c o n v e n t i o na l   s o l i s t a t e   P IN d i o de   a n F E T   s w i t c h e s   [7 - 8] .   H ow e v e r ,   f o r   t h e   d e s i gn i ng  a n d   o pe r a t i o o f     R F - M E M S   s w i t c h ,   i t   ha s   a l s o   s o m e   di s a dv a n t a ge s   s uc a s   s w i t c h i n g   s pe e d,   l o w   pow e r   h a ndl i n c a pa c i t y   [9 - 11] ,   e l e c t r o s t a t i c   di s c ha r ge   [12 - 1 3],   h i g a c t ua t i o v o l t a ge ,   p a c ka gi ng  a n l o w   s w i t c h i n g   l i f e t i m e   [14] .   I o r de r   t o   o v e r c o m e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2502 - 4752   In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i ,   V o l .   15 ,   N o .   2 A ugus t   2 019   :     9 7 1   -   9 7 8   972   t h e   a b ove   c h a l l e n ge s ,   s e v e r a l   t e c hni que s   h a v e   us e l i ke   for   s w i t c hi n s pe e of   b r i dge ,   d i f fe r e nt   t y pe s   of  s h a pe s   h a v e   b e e n   m a de   o t h e   b r i dge   s uc h   a s   m e a n de r ,   pus h - pul l   [15 - 1 6].   S i m i l l a rl y   t o   de c r e a s e   t h e   a c t ua t i o n   vo l t a ge   o f   s w i t c h ,   a   n u m b e r   o f   t e c hn i q ue s   s uc h   a s   by   de c r e a s i ng  t h e   s p r i ng  c o n s t a nt   o f   b r i dge   [17 - 18 ],   us i n pi e z o e l e c t r i c   a c t u a t i o [19 - 2 2]  a n d   o t h e s e v e r a l   s t r uc t u r e s   [ 23 - 24] .   T h e   R F   M E M   s w i t c h e s   h a v e   e xc e l l e n t   pe r f o r m a n c e s   h a v e   no t   y e t   r e s ul t e i n   e xt e n s i v e   a ppl i c a t i o n s   i n   c o m m e r c i a l   s y s t e m s   m a i nl y   due   t o   t h i s   t e c hn o l o gy   h a s   r e l a t i v e   i m m a t u r i t y .   R F   M E M   s w i t c h e s   n e e de t e r m i n e   pe r f o r m a n c e   o ve r   a n   e n v i r o nm e nt a l   c o n di t i o n   w i t h   a   w i de   ra n ge   b e fo r e   t h e y   c a n   b e   r e a l l y   c o n s i de r e f o r   s y s t e m   a ppl i c a t i o n s .   M o r e ,   t h e   R F   M E M   s w i t c h e s   pa c ka g i n n e e ds   t o   b e   a n   e qui v a l e n c e   w i t h   F E T s   a s   w e l l   a s   P IN   di o de s .   L a s t l y ,   t h e   s w i t c h e s   l i f e t i m e   n e e t o   be   pr a c t i c a l l y   s u ff i c i e n t   t ha t   i s   b e i n a dd r e s s e d,   t h us ,     t h e   r e qui r e m e n t s   o f   a   L i fe t i m e   fo r   R F   M E M   s w i t c h e s   c ov e r i n a   v e r y   b r o a ra n ge   o t h e   s o m e   a ppl i c a t i o n s ,   l i ke   c e l l   ph o n e   m o de   s w i t c h i n g ,   w h i l e   o t h e r   a pp l i c a t i o n s ,   l i ke   s pa c e   b a s e d   r a d a r ,   n e e up  t o   m o r e   c y c l e s .   O ur   m a i n   a i m   i n   t hi s   p a pe i s   t o   de c r e a s e   t h e   a c t ua t i o v o l t a ge ,   i m p r o v i n g   t h e   s w i t c hi n s pe e a n d   i n c r e a s i ng  t h e   i s o l a t i o c h a ra c t e ri s t i c s   o f   t h e   p r o po s e M E M S   s w i t c h .   T hi s   i s   a   n e w   a pp r o a c t o   i n c r e a s e   t h e   r e s ul t   o f   R F -   M E M S   s w i t c h .   F o r   t h i s ,   r e c t a ngul a r   s l o t s   ha v e   m a de   o n   t h e   b r i dge   a rm   t o   a c c o m pl i s h   t h e   l o w e r   s pri n c o n s t a n t   a nd  f o r   m i n i m i z i ng  t h e   s t i c ki n e s s   b e t w e e n   b r i dge   a n d   e l e c t r o de ,   s o m e   c y l i n d ri c a l   t y pe   of  h o l e s   a r e   de s i g n e o t h e   b r i d ge   s t r uc t u r e .     In   t h i s   P a pe r,   t h e   de s i g n e R F - M E M E S   s w i t c h   i s   m o de l e i n   b o t h   e l e c t ri c a l   a n m e c h a ni c a l   do m a i a n t h e   i m po r t a n t   p a ra m e t e r s   o f   s w i t c h   s uc h   a s   r e t u rn   l o s s ,   i n s e rt i o n   l o s s ,   i s o l a t i o n   a nd  pu l l   i n   v o l t a ge   w i l l   a n a l y s e d.   R F - M E M S   s w i t c h   de s i g n   p r o c e dur e ,   w o r ki ng  p ri n c i pl e ,   m e c ha n i c a l   a nd  e l e c t ri c a l   a na l y s i s   a r e   de s c r i b e d .       2.   R F   M E M S   S WI TC H   D ES I G N   A   M E M S   s w i t c c a n   b e   de s i g n e i d i f fe r e nt   w a y s   de pe n di n g   upo t h e   n e e a n d   a pp l i c a t i o n s   s uc a s   s e r i e s   o r   s hu n t   t y pe   a c c o r di n t o   s i g na l   f l ow ,   O hm i c   o r   c a pa c i t i v e   a c c o r di ng  t o   c o n t a c t   t y pe ,   e l e c t r o s t a t i c   o r   m a g n e t o s t a t i c   a c c o r di ng  t o   a c t ua t i o n   m e t h o d.   I n   t h e   p r o po s e d e s i gn,   R F - M E M S   s w i t c h   c o n s i s t s   of   s i x   l a y e r s   s uc h   a s   s ub s t r a t e ,   o xi de   l a y e r ,   CP W ,   di e l e c t r i c   m a t e r i a l ,   a n c h o r s   a n d   m e t a l l i c   b r i dge   a s   s h o w n   i F ig u r e   1.   C a pa c i t i v e   M E M S   s w i t c h   us e s   a   t hi di e l e c t r i c   m a t e r i a l   i n   b e t w e e n   b ri dge   a n c o n duc t i n g   e l e c t r o de   duri n g   t h e   a c t ua t i o n   pe r i o a n i t   i s   us e t o   p r e v e n t   f r o m   di r e c t   c o n t a c t   b e t w e e n   b ri dge   a n c o n d uc t i n g   e l e c t r o de   [25].   A   t y pi c a l   c r o s s   s e c t i o n a l   v i e w   o f   M E M S   s w i t c h   i s   s h o w n   i n   a b o ve   F ig ur e   2.   I n   t h e   de s i g n ,   t h e   s ub s t r a t e   i s   G a A s   m a t e r i a l   a n i t s   di m e n s i o n   i s   508  µ m   ×   620  µ m   o f   t h i c k n e s s   500  µ m .   T h e   di e l e c t r i c   pe r m i t t i v i t y   of   s ub s t r a t e   i s   12 . 9 .           F i g u r e   1 .   A   ge n e ra l   v i e w   o f   pr o po s e R F - M E M S   s w i t c h           F i g u r e   2 .   A   c r o s s - s e c t i o n   v i e w   of   pr o po s e R F - M E M S   s w i t c h   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i     IS S N :   2502 - 4752       Nov e l   de s i g a nd  a nal y s i s   of   R F   ME M s hun t   c apa c i t i v e   s w i t c h   f or   r a dar   a nd  .   ( Maham   Kam i l   Na j i )   973       F i g u r e   3 .   T o v i e w   o f   pr o po s e R F - M E M S   s w i t c h       A   t h i l a y e r   of   s i l i c o n   d i o xi de   w i t h   t h i c k n e s s   0. µ m   i s   de po s i t e o n   t h e   t o s u r f a c e   of   s ub s t r a t e .   T h e   s w i t c h   c o n s i s t s   o f   t hr e e   i de nt i c a l   CP W   o f   s a m e   di m e n s i o n   i w h i c h   t h e   m i dd l e   CP W   b e h a v e s   a s   a   t r a n s m i s s i o n   c o n duc t o r   w h e r e a s   o t h e r s   a s   gr o u n d .   T h e   di m e n s i o n   o CP W   i s   120  µ m   ×   620  µ m   w i t h   t h i c k n e s s   µ m .   T o   a v o i t h e   di r e c t   c o n t a c t   b e t w e e n   m e t a l   t o   m e t a l ,   a   v e r y   t h i n   l a y e r   of   S i N   di e l e c t r i c   m a t e ri a l   o f   di m e s i o n   1 50  µ m   ×   90   µ m   ×   0. 1 µ m   i s   de po s i t e o t h e   t o s ur f a c e   o f   c e n t e CP W .   T h e   R F   M E M S   s w i t c h   i s   m e c ha n i c a l l y   de s i gn e d,   a   m e t a l   b r i d ge   i s   s us pe n de ‘g0’  d i s t a n c e   a b ov e   t h e   di e l e c t r i c   a nd  i t   i s   a l s o   a n c h o r e a t   b o t h   e nds   t o   t h e   gr o u n CP W .   T h e   di m e ns i o n   o b r i dge   i s   508  µ m   ×   60  µ m   a n t hi c k n e s s   of   µ m . T h e   m a t e ri a l   us e fo r   b r i d ge   a n go l i s   s a m e   i e   g o l d.   T o   r e duc e   t h e   a c t ua t i o n   v o l t a ge   a n s p r i ng  c o n s t a n t ,   t w o   r e c t a n gu l a r   s l o t s   a r e   m a de   o n   t h e   b r i dge   s urf a c e .   S i m i l a rl y ,   O n   t h e   s ur f a c e   of   b r i dge ,   f o ur   i de nt i c a l   c y l i nd r i c a l   h o l e s   a r e   de s i g n e w i t r a d i us   a n h e i ght   o f   µ m   a n d   µ m   r e s pe c t i v e l y .   D ue   t o   t h i s ,   t h e   s t i c ki n e s s   be t w e e n   b r i dge   a n e l e c t r o de   i s   r e duc e   dur i n t h e   a c t u a t i o n.   T h e   p r o po s e de s i gn   c a n   b e   s h o w n   i F i g u r e   4   a n d   t h e   p r o po s e R F   M E M S   s w i t c h   de s i gi ni n g   pa ra m e t e r s   a r e   m e nt i o n   i n   T a b l e   1 .           F i g u r e   4.   G e o m e t r y   a n d   di m e n s i o n s   o f   t h e   p r o po s e R F - M E M S   s w i t c h       T a b l e   1 .   R F   M E M S   S w i t c h   pa ra m e t e r s   a n d   t h e i d i m e n s i o n s   S w i t c h   P a ra m e t e r s   D i m e n s i o n   (µm )   S w i t c h     P a ra m e t e r s   D i m e n s i o n   m )   W   120   L   508   G   120   a   60   Lc   620   t b   1   S   74   b   30   H   500   c   15   h   1   Ld   150   go   2   Wd   90       3.   P R I N C I P LE  WO R K I N G   O F   R F   M E M S   S WI TC H   T h e   M E M S   s w i t c h   c a b e   w o r i t w o   s t a t e s   i e   up - s t a t e   a n d   do w n - s t a t e .   I up - s t a t e ,   t h e   M E M S   s w i t c h   pa s s e s   t h e   i n p ut   ra d i o   s i g n a l   t hr o ug h   t h e   i nput   po r t   t o   o ut put   po rt .   W h e n   t h e   a c t u a t i o n   po t e n t i a l   i s   a ppl i e t o   t h e   s w i t c h ,   t h e   s us pe n de m e t a l l i c   b r i dge   i s   m o v e s   t ow a r ds   t h e   di e l e c t r i c   m a t e r i a l   a nd  m a ke s   a   s h o rt   c i r c ui t   t o   t h e   e l e c t r o de   t h e r e f o r e   a l l   t h e   i n put   R F   s i g na l   a r e   p a s s e s   t o   t h e   g r o u n d .   T h e   up - s t a t e   a n Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2502 - 4752   In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i ,   V o l .   15 ,   N o .   2 A ugus t   2 019   :     9 7 1   -   9 7 8   974   dow n - s t a t e   de s i gn   o f   pr o pos e s w i t c h   a r e   s h o w n   i n   F ig u r e   5.   T h e   up - s t a t e   a n do w n - s t a t e   w o r ki n p r i n c i p l e   s h o w n   i n   F ig u r e   6 .               (a U P   s t a t e   v i e w       ( b D O W N - s t a t e   v i e w     F i g u r e   5 .   H F S S   de s i gn  o f   pr o po s e R F - M E M S   s w i t c v i e w s   (a U P - s t a t e   a n d   (b D O W N - s t a t e           (a U P - s t a t e     (b D O W N - s t a t e     F i g u r e   6 .   W o r k i n g   p r i n c i pl e   o f   R F - M E M S   s w i t c h   i ( a U P - s t a t e   a n d   (b D O W N - s t a t e   c o n di t i o n s       T h e   a c t u a t i o n   t y pe   i s   e l e c t r o s t a t i c   a c t u a t i o n,   w h i c h   w o r ks   o t h e   Co ul o m b s   pr i n c i p l e .   A s   t h e   c ha r ge   i s   a c c um ul a t e b e t w e e n   t h e   b ri dge   a n e l e c t r o de   a n d ue   t o   t h i s   a n   e l e c t r o s t a t i c   fo r c e   i s   c r e a t e w h i c h   h a s   t e n de n c y   t o   pul l   t h e   b ri dge   t o w a r ds   t h e   e l e c t r o de   a n d   t h e   f o r c e   i s   gi v e by   [26].     2 0 0 2 e d r AV F t g                                                                                                (1)     w h e r e   Ɛ 0   i s   t h e   d i e l e c t r i c   c o n s t a nt   o f   a i r,   Ɛ i s   t h e   r e l a t i v e   pe r m i t t i v i t y   of   t h e   di e l e c t r i c ,   V   i s   t h e   a ppl i e vo l t a ge ,   ǥ 0 i s   t h e   di s t a n c e   b e t w e e n   b r i dge   a n e l e c t r o de ,   A   i s   t h e   a r e a   o f   c o n t a c t   a n t d i s   t h e   di e l e c t r i c   t h i c k n e s s .       4.   ELEC TR I C A A N D   M EC H A N I C A M O D E A N A L Y S I S   T h e   R F - M E M S   s w i t c h   c a n   b e   a na l y s e i n   t w di ff e r e n t   do m a i n s   n a m e l y   e l e c t r i c a l   do m a i n   a nd  m e c h a ni c a l   do m a i n .   I n   e l e c t r i c a l   do m a i n,   s o m e   e l e c t ri c a l   c ha r a c t e r i s t i c s   s uc a s   c a p a c i t a n c e   i n   b o t up  a n d   dow n   s t a t e s ,   s h u n t   i m pe da n c e ,   r e s o n a nt   f r e que n c y ,   r e t urn  l o s s ,   i n s e r t i o n   l o s s   a n i s o l a t i o n   w h e r e a s   i m e c h a ni c a l   do m a i n,   s o m e   c ha ra c t e ri s t i c s   l i ke   p ul l   i v o l t a ge ,   s p r i n g   c o n s t a n t   w i l l   b e c di s c us s e d.     4. 1 .   El e c tr i c a l   M o d e l   A n al ys i s   T h e   e l e c t r i c a l   e qui v a l e n t   c i r c ui t   m o de l   of  t h e   pr o po s e M E M S   s w i t c h   i s   s h ow n   i n   F ig u r e   7.   It   i s   m o de l e by   us i n t w o   t r a n s m i s s i o n   l i n e   a n o n e   l um pe R L s t r uc t u r e   o f   b r i dge   a l o ng  w i t h   t h e   u a nd  do w n   s t a t e   c a p a c i t a n c e   [27] .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i     IS S N :   2502 - 4752       Nov e l   de s i g a nd  a nal y s i s   of   R F   ME M s hun t   c apa c i t i v e   s w i t c h   f or   r a dar   a nd  .   ( Maham   Kam i l   Na j i )   975       F i g u r e   7 .   E qui v a l e nt   c i r c ui t   m o de l   o f   pr o po s e R F   M E M S   Ca pa c i t i v e   s h u nt   s w i t c h       T h e   e qui v a l e n t   s h u nt   i m pe d a n c e   o f   t h e   s w i t c i s   gi v e by :                                                                             (2)     T h e   s h u nt   s w i t c i m pe da n c e   i s   gi v e by                                                                             (3)                    w h e r e   t h e   r e s o n a n t   f r e que n c y   i s   gi v e by                                                                                                               (4)     F r o m   t h e   a b o ve   e qua t i o n,   t h e   M E M S   s w i t c h   b e ha v e s   a s   a   c a pa c i t o r   w h e n   t h e   f r e que n c y   i s   b e l ow   t h e   r e s o n a nt   f r e que n c y   ( f o ),   a n a s   i n duc t o r   w h e n   t h e   f r e que n c y   i s   a bov e   t h e   r e s o n a nt   f r e que n c y   a n a c t s   a s   a   pur e   r e s i s t i v e   a t   t h e   f r e que n c y   e qua l t s   t o   r e s o n a nt   f r e que n c y .   T h e   up - s t a t e   c a pa c i t a n c e   (C u a nd  do w n - s t a t e   c a pa c i t a n c e   (C d )   a r e   gi v e by       0 0 u d r A C t g                                                                                                                                (5 )     0 r d d A C t                                                                                                           (6 )     By   us i n t h e   v a l ue   o f   C u   a nd  C d ,   t h e   r e t u rn  l o s s   ( S 11   i n   up - s t a t e   a nd  t h e   i n s e rt i o l o s s   ( S 21 i do w n - s t a t e   a r e   g i v e n   by     0 11 0 2 u u j C Z S j C Z                                                                                       (7)     21 0 1 12 d S j C Z                                                                            (8                                       1 ss Z R j L jC 0 0 0 1 , , , ss ff jC Z R f f j L f f    0 11 2 f LC Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2502 - 4752   In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i ,   V o l .   15 ,   N o .   2 A ugus t   2 019   :     9 7 1   -   9 7 8   976   4. 2 .   M e c h an i c al   M o d e l   A n al ys i s   F o r   t hi s   t y p e   of   s h u nt   c a p a c i t i v e   M E M S   s w i t c h,   t h e   pu l l   i v o l t a ge   i s   gi v e by :     3 0 0 8 27 p k Vg A                                                                                 (9)     w h e r e   t h e   pul l   i n   v o l t a ge   de p e n ds   upo n   t h e   s pr i ng  c o n s t a n t   of   t h e   b r i dge   m a t e r i a l   (K ),   a i r   ga o b e t w e e n   b e a m   a nd  e l e c t r o de   a n c o n t a c t   a r e a   (A ).   T h e   l o w e r   pul l   i vo l t a ge   c a n   b e   ob t a i n   b y   r e duc i n t h e   v a l ue   o s pri n c o n s t a nt   (K a n a i r   ga (ǥo a n a l s o   i n c r e a s i n t he   v a l ue   of   c o n t a c t   a r e a .   B ut   a i r   g a c a n   n o t   b e   de c r e s e   a s   m uc h   a s   l ow   due   t c h a r ge   e ffe c t .   S i m i l a r l y   t h e   c o n t a c t   a r e a ,   A   a l s o   c a n   n o t   b e   i n c r e a s e   due   t o   t h e   s t i c ki n e s s   i s s ue   du ri n g   t h e   s w i t c h i n g   pe r i o d.       5.   S I M U LA TI O N   A N D   R ES U LT   A N A L Y S I S     T h e   de s i gn   a n s i m ul a t i o n   o t h e   pr o po s e R F - M E M S   s w i t c h   i s   do n e   w i t h   t h e   h e l o f   A n s of t   H i gh   F r e que n c y   S t r uc t u r e   S i m ul a t o r   (H F S S s i m ul a t i o n   t o o l   [28].   T h e   s i m u l a t i o n   o f   s w i t c h   i s   pe r f o r m e f o r   bo t up  a nd  do w n   s t a t e s .             (a R e t u rn  L o s s   (S 11 )         ( b In s e r t i o L o s s   (S 12 )     F i g u r e   8 .   S i m u l a t e r e s ul t s   o f   pr o po s e RF   M E M S   s h u nt   c a p a c i t i v e   s w i t c h   i U P - s t a t e   (a )   R e t urn  L o s s     (b In s e r t i o L o s s       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i     IS S N :   2502 - 4752       Nov e l   de s i g a nd  a nal y s i s   of   R F   ME M s hun t   c apa c i t i v e   s w i t c h   f or   r a dar   a nd  .   ( Maham   Kam i l   Na j i )   977       (a R e t u rn  L o s s   (S 11 )         (b Is o l a t i o (S 21 )     F i g u r e   9 .   S i m u l a t e r e s ul t s   o f   pr o po s e RF   M E M S   s h u nt   c a p a c i t i v e   s w i t c h   i D O W N - s t a t e   ( a )   R e t urn  L o s s   (b Is o l a t i o n           F i g u r e   10 .   P u l l   i V o l t a ge   R e s ul t   du ri n g   t h e   d i s pl a c e m e n t   de s i g n e us i ng  CO V E N T O R   W A R E   s o f t w a r e       6.   C O N C LU S I O N   A   n e w   m o de l   o f   s h unt   c a p a c i t i v e   M E M S   s w i t c h   i s   de s i g ne a n a n a l y s e d.   T h e   p r o po s e M E M S   s w i t c h   ha s   b e t t e r   pe r f o r m a n c e s   i n   b o t h   O N   a n O F F   s t a t e s .   In   U P   (O N s t a t e ,   t h e   r e t u rn   l o s s   a n i n s e r t i o n   l o s s   a r e   v e r y   g o o a s   pe r   t h e   r e qui r e m e nt   l i ke w i s e   i n   D O W N   (O F F s t a t e ,   t h e   r e t u rn   l o s s   a n i s o l a t i o Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2502 - 4752   In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i ,   V o l .   15 ,   N o .   2 A ugus t   2 019   :     9 7 1   -   9 7 8   978   pa r a m e t e r s   a l s o   s h o w   t h e   v e r y   be s t   r e s ul t .   T h e r e f o r e   t hi s   p r o po s e s w i t c h   of fe r s   l o w   l o s s e s   a n hi g h   i s o l a t i o n   v a l ue   a t   h i g h   v e r y   r a n ge   f r o m   t 40  G H z .   F r o m   t h i s   f r e qu e n c y   r a n ge ,   p r o po s e d   de v i c e   i s   m o s t   s ui t a b l e   fo ra da a nd  s a t e l l i t e   c o m m u n i c a t i o s .   I n   o t h e r   ha n d ,   t h e   m a s s   o f   de s i gn e s w i t c h   i s   a l s o   de c r e a s e by   t h e   us e   of  s l o t s   o n   t h e   b r i dge   s ur f a c e   a n due   t o   t hi s   t h e   s pri n c o n s t a t   b e c o m e s   l ow e r   a n f i na l l y   t h e   pul l   i n   v o l t a ge   (V p)  i s   r e duc e   t o   3V .   T h e   c o m pa c t n e s s   a n s t i c ki n e s s   o f   t h e   s w i t c h   du r i ng  t h e   c o nt a c t   w i t h   e l e c t r o de   c a n   a l s o   b e   m i ni m i z e d   by   us i n g   t h e   c y l i n d ri c a l   h o l e s   o b r i dge   c o n t a c t   s u r f a c e .       R EF ER EN C ES     [ 1]   T .   R .   H s u ,   M E M S   & M i c r o s y s t e m s   D e s i g a nd   M a nuf a c t ur e ,”   M c G r a w   H i l l 2002 .   [ 2]   G .   M .   R e be i z ,   R F   M E M S   T he o r y ,   D e s i g n,   a nd   T e c hno l o gy ,”   A   J ohn  W i l e y   &   S o ns   P ub l i c a t i o n 20 03.   [ 3]   M .   I .   Y o uni s ,   M o de l l i ng   a nd  S i m ul a t i o o f   m i c r o e l e c t r o m e c ha ni c a l   s y s t e m s   i M u l t i - P hy s i c s   F i e l ds ,   P h . D   T he s i s ,   V i r g i n i a   P o l y t e c hni c   I ns t i t ut e   a nd   S t a t e   U ni v e r s i t y ,   B l a c ks b ur g ,   V i r g i n i a ,   J un   2 004 .   [ 4]   O .   E .   M a l e ky e t   a l . ,   M i n i a t u r e   de s i g o f   T - S ha pe d   f r e q ue nc y   R e c o nf i g ur a bl e   a nt e nn a   f o r   S - B a nd   A ppl i c a t i o n   us i ng   S w i t c hi ng   T e c hni qu e ,   I nt e r n at i on al   J o ur n al   o f   E l e c t r i c al   a nd  C om put e r   E ng i ne e r i ng  ( I J E C E ) ,   v o l .   7,   pp.   2426 - 243 3 O c t   2017 .     [ 5]   R .   P .   F e y nm a n,   T h e r e ' s   P l e n t y   of R oo m   a t   t he   B o t t o m ,”   P r e s e n t e a t   t h e   A m e r i c a P hy s i c a l   S o c i e t y   M e e t i ng   i n   P a s a de na   C A ,   D e c   195 9.   [ 6]   R .   T .   H o w e ,   S u r f a c e   M i c r o m a c hi ni ng f o r m i c r o s e ns o r s   a nd  m i c r o a c t ua t o r s ,   J ou r na l   o f   V ac .   S c i .   T e c hn ol o gy ,   v o l .   6 ,   p p .   1809 - 18 13 D e c   1988 .   [ 7]   Y .   M a f i n e j a d ,   e t   al . ,   L o w   A c t ua t i o W i de b a nd  R F   M E M S   s hun t   C a pa c i t i v e   S w i t c h , ”  20 12  I n t e r na t i o na l   W or k s hop  on  I n f o r m at i on  a nd  E l e c t r on i c s   E ngi ne e r i ng  ( I W I E E ) ,   Sc i V e r s e   Sc i e nc e D i r e c t ,   E l s e v i e r ,   P r oc e di a   E ngi ne e r i n g ,   v o l .   29,   p p.   12 92 - 1297 ,   201 2 .   [ 8]   R .   S ha r m a   a n D .   R .   S ha h ,   D e s i g a n A na l y s i s   o f   M E M S   C a pa c i t i v e   S hun t   T y pe   S w i t c f o r   R F   A ppl i c a t i o n ,   i n   I nt e r n at i on al   J o ur n al   o f   E ngi ne e r i ng  Sc i e nc e s   &   R e s e ar c h   T e c hno l ogy   ( I J E SR T ) v ol .   5,   p p.   17 9 - 184 ,   N o v   2016 .   [ 9]   S .   B a l a c ha nd r a n ,   e t   al . ,   H i g po w e r   na no c r y s t a l l i n e   di a m o nd  R F   M E M S -   A   c o m bi ne l o o a t   m e c ha ni c a l   a nd   m i c r o w a v e   pr o pe r t i e s ,”   i M i c r ow av e s ,   C om m un i c a t i on s ,   A n t e nnas   and  E l e c t r o ni c   Sy s t e m s ,   200 8.   C O M C A 2008 .   I E E E   I n t e r na t i o na l .   C on f e r e nc e   on ,   2008 .   [ 10]   L .   S D a e ,   e t   al . A   no v e l   pul l - up  t y pe   R F   M E M S   s w i t c w i t l o w   a c t ua t i o v o l t a g e ,”   M i c r ow av e   and  W i r e l e s s   C om pone nt s   L e t t e r s ,   I E E E v o l .   15 ,   p p .   8 56 - 858 2005 .   [ 11]   J .   N a g ha r e t   al . D e s i g S t udy   of   a   M i n i a t u r i z e M u l t i   l a y e r e A nt e nna   i - pa c ka g e   f o r   2. G H Z   W i r e l e s s   C o m m uni c a t i o n,   I n t e r na t i ona l   J our nal   of   E l e c t r i c a l   a nd  C om put e r   E ngi ne e r i n ( I J E C E ) v o l .   8 ,   p p.   3627 - 36 35 O c t   201 8 .   [ 12]   R .   M a l m qv i s t ,   e t   al . ,   D e s i g n,   p a c ka g i ng   a nd  r e l i a b i l i t y   a s pe c t s   o f   R F   M E M S   c i r c ui t s   f a b r i c a t e d   us i ng   a   G a A s   M M I C   f o undr y   pr o c e s s   t e c hno l o gy ,”   i n   M i c r ow av e   C on f .   ( E u M C ) ,   2010   E ur ope an ,   2 010 .   [ 13]   J .   R ua n ,   e t   al . ,   E S D   s t r e s s   i R F - M E M S   c a pa c i t i v e   s w i t c he s :   T he   i nf l u e nc e   o f   di e l e c t r i c   m a t e r i a l   de po s i t i o m e t ho d ,”   i n   R e l i a bi l i t y   P hy s i c s   S y m po s i um ,   200 I E E E   I n t e r na t i on al ,   2 009 .   [ 14]   A .   K .   S a hu   a nd  B .   K .   S a r k a r ,   A   N o v e l   L ow   A c t ua t i o V o l t a g e   R F   M E M S   S hun t   C a p a c i t i v e   S w i t c h ,   I E E E ,   2 009 .   [ 15]   E .   R .   K u s um a w a t i ,   e t   a l . ,   O pt i c a l l y   S w i t c he F r e q ue nc y   f o r   R e c o nf i g ur a bl e   D i po l e   A nt e n na   U s i ng   P ho t o di o de   S w i t c he s ,”   T E L K O M N I K A   T e l e c om m u ni c at i o C om p ut i ng   E l e c t r o ni c s   a nd  C ont r o l v o l .   14 ,   pp .   1 351 - 135 5 D e c   2016 .     [ 16]   S .   P .   P a c he c o ,   e t   a l . D e s i g o f   L o w   A c t ua t i o V o l t a g e   R F   M E M S   S w i t c h ,   20 00  I E E E   M T T - D i ge s t ,   pp .   1 65 - 168 ,   2 000 .   [ 17]   C L .   D a i ,   e t   al . D e s i g a nd  F a b r i c a t i o o f   R F   M E M S   S w i t c h.   B y   1;   t he   C M O S   P r o c e s s ,”   T am k ang  J our nal   o f   Sc i e nc e   a nd   E ng i ne e r i ng v o l .   8 ,   p p.   1 97 - 202 2005 .   [ 18]   C .   C a l a z a ,   e t   al . ,   E l e c t r o m e c ha n i c a l   c ha r a c t e r i z a t i o of   l o w   a c t ua t i o vo l t a g e   R F   M E M S   c a pa c i t i v e   s w i t c he s   ba s e o D C ,”   C V   m e as ur e m e nt s .   M i c r oe l e c t r oni c   e ng i ne e r i ng v o l .   84 ,   p p.   13 58 - 1362 200 7.   [ 19]   H .   C .   L e e ,   e t   al . P i e z o e l e c t r i c a l l y   a c t ua t e d   R F   M E M S   D C   c o nt a c t   s w i t c he s   w i t l o w   v o l t a g e   o pe r a t i o n ,”   M i c r ow av e   an W i r e l e s s   C om p one nt s   L e t t e r s ,   I E E E v o l .   15 ,   p p.   2 0 2 - 204 20 05.   [ 20]   P .   S a g a r   a nd   J .   B ha l a n i N e a r   O p t i m a l   R e c e i v e   A nt e nna   S e l e c t i o S c he m e   f o r   M I M O   S y s t e m   und e r   S p a t i a l l y   C o r r e l a t e C ha n ne l ,   I n t e r nat i on al   J our nal   o f   E l e c t r i c a l   and  C om put e r   E ng i ne e r i ng  ( I J E C E ) v o l .   8,   pp.   3 7 -   32 O c t   201 8.   [ 21]   C .   G o l d s m i t h ,   e t   a l . ,   H i g h - c y c l e   l i f e   t e s t i ng   o f   R F   M E M S   s w i t c he s ,”   I E E E 200 7.   [ 22]   J .   H .   P a r k ,   e t   al . ,   A   f ul l y   w a f e r - l e v e l   pa c ka g e R F   M E M S   s w i t c w i t l o w   a c t ua t i o v o l t a g e   us i ng   a   pi e z o e l e c t r i c   a c t ua t o r ,”   J o ur n al   o f   M i c r om e c han i c s   a nd  M i c r oe ngi ne e r i ng v o l .   16 ,   p p .   2281 200 6.   [ 23]   J .   P a r k ,   e t   a l . ,   A   no n - c o nt a c t - t y pe   R F   M E M S   s w i t c f o r   24 - G H z   r a da r   a pp l i c a t i o ns ,”   M i c r oe l e c t r om e c ha ni c al   Sy s t e m s   J our n al   o f v o l .   18 ,   p p.   16 3 - 173 2 009 .   [ 24]   S .   K a ng ,   e t   a l . ,   S e e - s a w   t y pe   R F   M E M S   s w i t c w i t h   na r r o w   g a v e r t i c a l   c o m b ,”   J .   Se m i c o nd .   T e c hno l .   S c i v o l .   7 ,   p p.   17 7 - 82 20 07 .   [ 25]   B .   M a ns f i e l d ,   F a br i c a t i o o f   M E M S   D e v i c e s ,   N e w   J e r s e y   N a no t e c hno l ogy   C o ns o r t i um .   [ 26]   A .   R .   G upt a ,   e t   al . ,   R F - M E M S   S hun t   S w i t c f o r   S a t e l l i t e   C o m m uni c a t i o n ,   SA S T E C H ,   v o l .   V ,   A pr   200 5 .   [ 27]   C .   G o l ds m i t h ,   e t   a l . C ha r a c t e r i z a t i o ns   o f   M i c r o m a c hi ne d   S w i t c he s   a t   M i c r o w a v e   F r e que nc i e s ,”   I E E E   M T T - I nt e r n at i on al p p .   1 141 - 114 4 19 96 .   [ 28]   A ns of t   C o r po r a t i o n ,   H F S S .”   w w w . a ns o f t . c o m .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.