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 .   22 ,   N o .   1 A p r i l   202 1 p p.   113 ~ 120   IS S N :   25 0 2 - 4752 ,   D O I :   10. 1 1591 / i j e e c s . v 22 .i 1 . pp 113 - 120       113       Jou r n al   h o m e pa ge ht t p: / / i j e e c s . i a e s c or e . c om   D e si g n ,   s i m u l a t i o n   a n d   t e st i n g   o f   a n   a r r a y   o f   n a n o   e l e c t r o   m e c h a n i c a l   s w i t c h e s   ( N E M S )       Lu ay  M ah d i Q ai s   A l - G ay e m   D e pa r t m e n t   o f   E l e c t r i c a l   E ng i n e e r i ng ,   B a by l o n   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 Ju l   1 1 ,   20 20   R e v i s e D e c   5 ,   2 020   A c c e pt e J a n   5,   202 1       E l e c t r o   m e c ha n i c a l   s w i t c he s   us e f o r   m ul t i - pu r po s s   a ppl i c a t i o ns   w i t ul t r a   s m a l l   s i z e   i n   n a no   m e t e r   s c a l e ,   o pe r a t i ng   i v e r y   s m a l l   v o l t a g e   i m i l l i v o l t s ,   a ppr o xi m a t e l y   z e r o   l e a ka g e   c ur r e n t   du e   t o   a i r   g a s e p a r a t i o be t w e e n   e l e c t r o de s   w i t t h r e e   t e r m i n a l s   t h a t   e a s y   t o   c o nt r o l   i t .   N a n o   e l e c t r o   m e c ha ni c a l   s w i t c he s   a r e   e l e c t r o ni c   s w i t c he s   s i m i l a r   t o   t ho s e   us e by   c o n v e nt i o na l   s e m i c o nduc t o r   s w i t c he s   i a ppl i c a t i o a s   t h e y   c a be   us e a s   r e l a y s ,   l o g i c   de v i c e s .   T he   ba s i c   pr i nc i p l e   o f   n a no   e l e c t r o   m e c ha n i c a l   s w i t c he s   is   e l e c t r o ni c   s w i t c he s   o pe r a t i o i s   f un da m e nt a l l y   di f f e r e nt   f r o m   s e m i c o nduc t o r   s w i t c he s .   T he y   ha v e   m a n y   a d v a nt a g e s   o v e r   c onv e nt i o na l   s e m i c o nduc t o r   s w i t c he s   s uc a s   l o w - po w e r   di g i t a l   l o g i c   a ppl i c a t i o ns ,   a bi l i t y   t o   w o r w i t v e r y   s m a l l   v o l t a g e   s i g na l s   f o r   l o w   dy na m i c   e ne r gy   c o ns um pt i o n,   a n dur a b i l i t y   a g a i ns t   ho s t i l e   e nv i r o nm e nt s   s uc h   a s   hi g te m pe r a t u r e s   a n r a d i a t i o c o nt a m i na t e d   s p a c e s .   I t h i s   a r t i c l e ,   w e   w i l l   de s i g n,   i m p l e m e n t ,   a nd  t e s t   a   m a t r i o f   na no   e l e c t r o   m e c ha ni c a l   s w i t c he s   by   o l i n e   t e s t   us i ng   t h e   s upe r po s i t i o t he o r y .   T he   s i m ul a t i o ns   o f   t he s e   s w i t c he s   w e r e   i m p l e m e nt e us i ng   t he   M A T L A B - S i m ul i nk  a nd  O R C A D   P s pi c e   e nv i r o nm e nt s .   A l s o ,   c o nt r o l l i ng   t h e   f l o w   o f   c ur r e nt   w a s   a c h i e v e by   m e a ns   o f   a   na no m e t e r   m o v e m e nt   t o   m a ke   o r   b r e a t h e   phy s i c a l   c o nt a c t   be t w e e n   t he   e l e c t r o de s .   Ke y w or d s :   CM O S   N E M S   O R CA D   S e m i c o n duc t o r   V L S I   T hi s   i s   an   ope n   ac c e s s   ar t i c l e   u nde r   t he   C C   B Y - SA   l i c e ns e .     Cor r e s pon di n g   Au t h or :   L ua y   M a h di   D e pa rt m e n t   o f   E l e c t ri c a l   E ngi n e e ri n g   B a by l o n   U n i v e r s i t y ,   N a j a f   r o a d,   B a by l o n ,   I ra q   E m a i l :   l u a y m a h d i 1976 @ g m a i l . c o m       1.   I N TR O D U C TI O N     N a n o   e l e c t r o   m e c h a ni c a l   s w i t c h e s   (N E M S a r e   s w i t c h i ng  de v i c e s   h a v e   be e n   i n v e s t i ga t e i l o gi c   a ppl i c a t i o n   [1 - 3 ] .   N E M S   s w i t c h e s   w i t h   i t s   a l m o s t   i de a l   s w i t c hi n g,   b a s e o n   t h e i r   p r o m i s i n c ha ra c t e ri s t i c s ,   t h e   a i r   g a s e pa ra t i o n   b e t w e e n   e l e c t r o de s   l e a ds   t o   v i r t u a l l y   z e r o   l e a k a ge   c urr e n t   w h e n   i n a c t i v e ,   s ha r O N - O F F   t r a n s i t i o n   a n d   i n ni t e l y   s t e e s ub - t h r e s h o l s l o pe ,   t h e s e   p r o pe r t i e s   a r e   b e i n g   e xpl o r e t o   c o n s i de r   i t   a s   a   b e t t e r   c a n d i d a t e   f o r   e xe c ut i n di gi t a l   c i r c ui t s .   I n   [ 4 - 7 ] ,   N E M S   s w i t c h e s   a r e   m o de l e i n   a   c i r c ui t   s i m u l a t i o a m b i e n c e   by   e nh a n c e m e n t   a n   e l e c t ri c a l   c o rr e s po n di ng  s pi c e   m o de l   fo r   t h e   e l e c t r i c a l   b e h a v i o r s   of   t h e   N E M S   s w i t c h .     A .   H a i de r   e t   a l .   [8] ,   i n   t h i s   s t udy   t h e y   us i n f i e l p r o gra m m a b l e   ga t e   a rr a y   (F P G A s t h e y   m a de   gr o up  o f   ga t e s   a s   M E M S   s w i t c h e s   a n i m p r o v e   t h e   e n e rg y   e ff i c i e n t   o f   t h e   s w i t c h . C .   F r e d   e t   a l .   [9] ,   t h e y   de s i gn  a n d   c a l c ul a t e   t h e   f o ur   t e r m i na l   na n o   e l e c t r o   m e c h a ni c a l   r e l a y   i n   v e r y   l a r ge   s c a l e   i n t e g r a t i o n   (V L S I).   F .   H a m e e t   al .   [10] ,   t h e y   s t ud y   t h e   p r o pe r t i e s   of   m a t e ri a l   w h e n   t h e y   d ow n   s c a l i n i n   n a n o   m e t e r   a nd  t h e i i m p a c t   o n   t h e   e l e c t r i c a l   a n m e c ha n i c a l   a c t i o n .   S i j i n H a n   e t   a l .   [11] ,   t h e y   d e s i gn e N E M   s w i t c h   b y   ut i l i z a i ng  CO M S O L   m ul t i   p h y s i c s   t ha t   us e t o   e x c ut e i n g   c om put a t i o na l   a n s e que nt i a l   c i r c ui t s . K .   A l z o ub i   et  al .   [12 ] ,   t h e y   us e CM O S   t e c h n o l o g y   i n   n a n o   s c a l e   t o   c o n s t r uc t   l o gi c   a n s e que nt i a l   c i r c ui t .   M i ng  Y i n   e t   al Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            IS S N :   2 502 - 47 52   In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i ,   V o l .   22 ,   N o .   1 A p r i l   20 21   :   113   -   120   114   [13],   s ub m i t t e n e w   de s i gn   f o r   (N E M S b a s e (L C)  o s c i l l a t i o c i r c ui t   u t i l i z e t o   i n s pe c t   v e r y   s m a l l   f r e que n c y   v i b r a t i o n. W .   M e rl i j n   e t   al .   [14] ,   o ff e r   ov e r v i e w   di s c us s e t h e   a ff a c t s   t ha t   f a c i n t h e   (N E M S s uc a s   c r e e p,   s t i c t i o n ,   w e a r,   f a t i gue   a n p a c ka gi ng  a s   r e l i a b i l i t y   c o n c e r i n f o r   t h e s e   de v i c e s .   T h e   pr o b l e m s   t h a t   r e f e rr e by   t h e   p r e v i o us   s t udi e s   t o   de s i g n i ng  a nd  i m p l e m e n t i n g   n a n o   s y s t e m s   w e r e   t h e o r e t i c a l   s t ud i e s ,   d i n o t   a dd r e s s   p r o gra m m a t i c a l l y   s i m ul a t i n t h e s e   s y s t e m s   i a dd i t i o n   t o   t ha t   t h e y   di n o t   a d d r e s s   i m p r o v i n e n e rg y   e ff i c i e n c y   i n   t h o s e   s y s t e m s   w h e r e   t h e   pow e r   i s   i m p r o v e by   r e duc i n t h e   l e a ka ge   c urr e n t   a nd  t h e   s uppl i e vo l t a ge   due   t o   t h e   s pe c i a l   c o n s t ruc t i o o f   t h e s e   s w i t c h e s .       2.   P R I N C I P LE  O P ER A TI O N   O F   N EM S   T h e   s i m p l e   s ha pe   o f   a n   e l e c t r o   m e c ha n i c a l   s w i t c h e s   i s   c o n s t r uc t   f r o m   t w o   e l e c t r o de s   m ov a b l e   a n d   f i xe w i t h   a i r   ga s e pa ra t e   b e t w e e n   t h e m   a s   s h o w n   i n   F i g u re   1,   w h i c i l l us t ra t e   t hi s   s w i t c h   i n   O F F   a n O N   s t a t e ,   e l e c t r o m e c h a ni c a l   s w i t c h e s   a r e   o pe r a t e w h e n   t h e   m o v a b l e   pa r t   m o v e s   t ow a r t h e   f i xe pa r t   u nde r   t h e   i m p a c t   o f   t h e   e l e c t r o s t a t i c   f o r c e   [15].   T h i s   f o r c e   i s   p r o duc e a f t e r   a ppl y i n g   v o l t a ge   di f fe r e n c e   b e t w e e n   t w pa r a l l e l   e l e c t r o de s   a n d   by   c o n t r o l l i ng  t h e   v o l t a ge ,   t h e   s w i t c b e c o m e s   i n   t h e   O N   s t a t e   o r   O F F   s t a t e .   T h i s   i s   c a l l e t h e   e l e c t r o s t a t i c   a c t ua t i o n   p ri n c i pl e .   A ppl y i n a   po t e nt i a l   di f f e r e n c e   b e t w e e n   t h e   e l e c t r o de s   of   s w i t c h   (f i xe a n m o v a b l e ),   t hi s   m a ke s   o n e   of  t h e m   a t t ra c t e t o w a r ds   t h e   o t h e r   a n t hus .   If   e l e c t r o s t a t i c   f o r c e   ov e r c o m e   t h e   e l a s t i c   f o r c e   o f   m ov a b l e   pa r t   a t   t hi s   t i m e ,   s w i t c e l e c t r o de s   b e c o m e   o n   c o n t a c t   [16] .             (a )     (b )     F i gu r e   1 .   I l l us t r a t i o o f   a e l e c t r o s t a t i c   3T   r e l a y ,   (a )   a s   f a b r i c a t e d,   (b a c t u a t e d   i nt o   t h e   O N   s t a t e       T h e   m o v a b l e   pa rt   i s   ha n gi ng  by   a   s p r i ng  a s   s h o w n   i n   F i g ur e   2 . b ,   s o   i t   h a s   a e l a s t i c   c o n s t a nt   k   ge n e ra t i n g   s p ri n g   f o r c e    .   T h e   m a g ni t u de   o f   s pri n g   f o r c e   i s   i n c r e m e n t   l i n e a rl y   w i t h   di s pl a c e m e nt   t ha t   w i t c h   c a l c ul a t e   a s   s h o w n   i n   (1),   w h i l e   e l e c t r o s t a t i c   f o r c e     i s   i n v e r s e l y   pr o po r t i o n a l   w i t di s p l a c e m e nt .   T h us ,   e l e c t r o s t a t i c   f o r c e   r i s e   s upe r - l i n e a r l y   by   r e duc i ng  di s p l a c e m e nt   a s   e v a l u a t e   us i n g   a s   s h o w n   i n   (2 a nd,   i s   a l w a y s   b i gge r   t ha n      [17 - 2 0] .        =   = ( 0 )   (1)       =   ˳˯    2   2 ( ˳ ) 2   (2)                 (a )     (b )   F i gu r e   2 .   ( a )   E l e c t r i c a l   c ha r a c t e r i s t i c s   o f   a   na n o - e l e c t r o - m e c ha n i c a l   (N E M s w i t c h ,   (b S p r i ng   m o de l   of   a   N E M   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       D e s i gn ,   s i m u l at i on   and   t e s t i ng  of   an   ar r ay   of   n ano   e l e c t r o   m e c ha ni c al . . .   ( L uay   Mah di )   115   3.   M E M S / N E M S   P H Y S I C S   A C TU A TI O N   P R I N C I P LE S   M E M S / N E M S   c a n   pe r f o r m   i t s   f un c t i o n s   due   t o   di ff e r e n t   p h y s i c a l   a c t ua t i o n   p ri n c i p l e s .   T h e s e   o pe r a t i o n a l   p r i n c i p l e s   i n c l ude :   qua nt u m   m e c ha n i c s ,   M a xw e l l ' s   e qua t i o n s ,   e l e c t r o s t a t i c s ,   f i r s t   a n s e c o n l a w s   of   t h e rm o d y n a m i c s ,   a nd  S c hr ö di n ge r ‘s   e qua t i o n.   T h e   c o n ve n t i o n a l   e l e c t r o m e c ha n i c a l   s y s t e m s   a n M E M S   a r e   o pe r a t e us i n i de n t i c a l   o pe ra t i o n a l   p r i n c i p l e s   a n f o u n d a t i o n s   w h i l e   N E M S   a r e   o pe r a t e by   ut i l i z i n g   di f fe r e nt   c o n c e pt i o n s   a n t h e o r i e s .   I n de e d,   t h e   de s i g n e us e s   t h e   c l a s s i c a l   l a g ra n g i a n   a nd  e l e c t r o m a g n e t i c s   (M a xw e l l ’s   e qua t i o n s a s   w e l l   a s   N e w t o n i a m e c h a ni c s   t o   s t udy   M E M S   a n c o n v e n t i o na l   e l e c t r o m e c h a ni c a l   s y s t e m s .   O n   t h e   o t h e r   ha n d ,   N E M S   a r e   de s i g n e by   us i ng  qua nt u m   t h e o r y   a nd  n a n o   e l e c t r o   m e c h a ni c a l   c o n c e pt i o n s   [ 21 - 24 ] .       4.   TY P O F   C O N TA C I N   N E M S   S WI TC H ES   T h e r e   a r e   t w o   t y pe s   of   c o n t a c t   i n   N E M S   s w i t c h e s :   -   M e t a l - m e t a l   c o n t a c t   (O hm i c   s w i t c h )   -   M e t a l - d i e l e c t r i c   c o n t a c t   (C a pa c i t i v e   s w i t c h )   In   t h e s e   t w o   t y p e s   of   (N E M S )   s w i t c h e s ,   t h e   s w i t c h   i s   o pe n e w h e n   t h e   e l a s t i c   fo r c e   o t h e   m o v a b l e   pa r t   o v e r c o m e s   t h e   e l e c t r o s t a t i c   f o r c e   a f t e r   t h e   v o l t a ge   di f f e r e n c e   b e t w e e n   t h e   s w i t c h' s   e l e c t r o de s   i s   r e duc e d   t o   s pe c i f i c   l i m i t .   E l e c t r o   m e c ha n i c a l   s w i t c h e s   a r e   m uc m o r e   a t t r a c t i v e   t h a n   o t h e r   t y pe s   of   a c t ua t i o m e c h a ni c a l   s w i t c h e s   be c a us e   of   l ow   p ow e r   c o n s um pt i o n,   h i g h - s pe e t r a n s f e r   f r o m   O N   s t a t e   t o   O F F   s t a t e   a n d   v i c e   v e r s a   a n e a s y   t o   i nt e gra t e   w i t h   o t h e r   c i r c ui t   e l e m e n t s   t o   m a ke   h y b r i s y s t e m s   us e s   i n   s pe c i a l   a ppl i c a t i o n s .   A l l   t h e s e   fe a t ur e s   m a ke   t hi s   t y pe   of   s w i t c h e s   m o r e   de s i r a b l e   w h e n   c o m pa r e w i t h   o t h e r   t y pe s   of  m e c h a ni c a l   s w i t c h e s   [ 25 ].       5.   D ES I G N   A N D   S I M U LA TI O N   O F   N A N O   E LEC TR O   M EC H A N I C A S WI TC H   In   t hi s   pa pe r   t h e r e   a r e   t w o   c a t e g o r i e s   o f   de s i gn   a n d   s i m u l a t i o n   f o r   N a n o   e l e c t r o m e c h a ni c a l   s w i t c h e s   w a s   off e r e t o   e xpl a i n   t h e   o pe r a t i o n   p r o c e s s .     5. 1 .      S i n gl e   n an o   e l e c tr o   m e c h an i c a l   s w i t c h es   (N E M S )   In  m i c r o   e l e c t r o   m e c h a ni c a l   s w i t c h e s   (M E M s t h e   e ff e c t s   of   v a n   de w a a l s   f o r c e s   i s   s o   s m a l l   a n d   c a n   b e   i gn o r e w h e n   c h a ngi ng  t h e   p h y s i c a l   pr o pe rt i e s ,   w h i l e   i n   na n o   e l e c t r o   m e c h a ni c a l   s w i t c h e s   (N E M S i t   ha s   gr e a t   e f fe c t s   a n i t   i s   i m po s i b l e   t o   n e gl e c t   i t .   T h e   v a n   de r   W a a l s   f o r c e s   c a n   b e   c a l c ul a t e a s   s h o w n   i n   (3)   [2 6 - 27 ] .     =  6 ( ) 3   (3)     T h e r e   a r e   a n o t h e f o r c e   m us t   b e   c a l c ul a t e t o   c o n s t r uc t   t h e   s t r uc t u r e   o f   n a n o   e l e c t r o   m e c ha n i c a l   s w i t c h   c a l l e d a m p i n g   f o r c e   a s   s h o w n   i (4)   [ 24 ].     =   (4)     T h e s e   fo ur   f o r c e s   ( e l e c t r o s t a t i c   f o r c e ,   s pr i n g   f o r c e ,   v a n   d e r   w a a l s   f o r c e   a n da m pi ng  f o r c e a r e   s um m e t o ge t h e r   b y   us i n a dde r .   T h e   p r o duc t   o ut   o f   t h e   a dde r   i s   d i v i di n b y   t h e   m a s s   t o   c o n v e r t   i t   t o   a e qui v a l e n t   a c c e l e r a t i o n,   t hi s   s t e c a l l e (m o dul a t i o n   s t e p)  t h e n ,   t h e   a c c e l e r a t i o n   s i g na l   m us t   b e   c o n v e r t   t pr o duc e   ve l oc i t y   by   i n t e g ra t e   t h e   a c c e l e r a t i o n   s i g na l   f o r   t h e   f i r s t   i n t e g ra t o r,   t h e   qua nt i t y   o ut   of   t h e   f i r s t   i n t e g r a t o r   w i l l   b e   i n t e g r a t e f o r   s e c o n t i m e   by   t h e   s e c o n i nt e gra t o r   t o   p r o duc e   di s pl a c e m e n t   ( u).   T h e   n e xt   s t e i s   t o   ge t   a a c t ua t i o ga p   t h i c k n e s s   ( g )   by   s ub t r a c t i ng   t h e   d i s pl a c e m e n t   ( u)   f r o m   t h e   ga p   di s pl a c e m e nt   ( 0 ),   ( = 0 - u).   T o   pr o duc e   t h e   r e s po n s e   o f   n a n o   s w i t c h   w e   m us t   e v a l ua t e   t h e   v a l ue   o f   c a pa c i t a n c e   b e t w e e n   t w e l e c t r o de s   by   us i n t h e   a c t ua t i o n   g a t h i c k n e s s   t ha t   c a l c ul a t e pr e v i o us l y .   T h e   l a s t   s t e i s   t h a t   t h e   o ut put   s i g n a l   s h o ul b e   pa s s   t hr o ug h   s e c o n o r de r   ( h i g h   pa s s   f i l t e r )   us i n (B ut t e r w o r t h)  f i l t e r   w i t h   c ut o f f   f r e que n c y   of   (100)  H Z   i s   pr e pa r e t o   r e p r o duc e   i n p ut   s i g na l .   T h e   w a v e fo r m   o f   o ut put   s i g n a l   t ha t   e v i de n c e   o n   t h e   o s c i l l o s c o pe   s c r e e n   de s c r i b e   i f   t h e   s w i t c h   r u n s   w i t h o ut   f a ul t s   o r   n o t .   M A T L A B / S i m ul i n p r o gra m   i s   t h e   c i r c ui t   s i m ul a t i o n   m o de l   us e t o   de s i g n   n a n o   e l e c t r o   m e c ha n i c a l   s w i t c h   a s   s h o w n   i n   F ig u r e   3 .   T h i s   de s i g i n c l udi ng  b i a s   s upe r po s i t i o n   t e c hni q ue   a n t h e   e f fe c t   of  va n   de r   w a l l s   f o r c e   be c a us e   di m e n s i o n s   of   t h i s   e l e c t r o   m e c ha n i c a l   s w i t c i n a n o   s c a l e   (4 . 5   nm   t h i c k n e s s ).     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            IS S N :   2 502 - 47 52   In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i ,   V o l .   22 ,   N o .   1 A p r i l   20 21   :   113   -   120   116       F i gu r e   3 .   M A T L A B - s i m ul i nk   o f   na n o   e l e c t r o   m e c h a ni c a l   s w i t c h   i n c l udi ng  b a i s   s upe r po s i t i o n       T h e   s upp l i e s i g n a l s   p a r a m e t e r s   t o   s i m u l a t e   t hi s   c i r c ui t   i s   e x pl a i n e d :   a)   Ca rr i e r   s i g na l   i s   t h e   s qua r e   w a v e f o r m   s i g na l   w i t h   a m p l i t ude   vo l t a ge   o f   (1. 5)  v o l t s ,   t h e   dut y   c y c l e   i s   a b o u t   (70%),   ( 10  H Z o pe r a t i n f r e que n c y ,   t hi s   s i g n a l   m us t   b e   c o n v e r t i n t o   a n   a c c e l e r a t i o n   s i g na l   by   m ul t i p l i e t h e s e   v o l t a ge s   by   9. 81 W h e r e   t h e   w a v e f o r m   o f   s u ppl y   s i gn a l   b e fo r e   a m pl i f i c a t i o n   i s   s h o w n   i F i gu r e   4 .           F i gu r e   4 .   W a v e fo r m   o f   c a rr i e r   s i g n a l       b)   T e s t i n s i g na l   i s   t h e   s qua r e   w a v e fo r m   w i t h   a m pl i t ude   v o l t a ge   of   (1 vo l t s ,   t h e   dut y   c y c l e   i s   a bo ut   (50%),   (100   H Z o pe r a t i ng  f r e que n c y .   T h i s   i n s pe c t i o s i g na l   i s   m o dul a t e w i t c a rr i e r   s i g na l   a s   s h o w n   i n   F i gu r e   5 .   T h e   c h e c ki n g   o pe r a t i o n   v i a   b i a s   s upe r po s i t i o i s   u t i l i z e d   w h e t h e   c h e c k   s i g na l   i s   a pp l i e i n   t h e   s t ruc t u r e   o f   n a n o   s w i t c h   i o r de r   t o   i n s pe c t   i f   n a n o   s w i t c h   run s   n o r m a l l y   a n t h e   r e s ul t s   i s   a c c u r a c y   o r   n o t   a s   a   r e s ul t   o f   s o m e   t y pe   of   f a ul t 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       D e s i gn ,   s i m u l at i on   and   t e s t i ng  of   an   ar r ay   of   n ano   e l e c t r o   m e c ha ni c al . . .   ( L uay   Mah di )   117       F i gu r e   5 .   T h e   w a v e fo r m   o f   t e s t   s i g n a l         5. 2 .   A r r ay   o n an o   e l e c tr o   m e c h an i c al   s w i t c h e s   (A r r ay  N EM S )   In   t h i s   c a s e   w e   us e   a n   (3*3 a rra y   of   n a n o   e l e c t r o   m e c h a ni c a l   s w i t c h e s   a s   s h o w n   i n   F i gu r e   6,   i t   w i l l   b e   n o t e t h a t   a n y   of   t h e s e   n i n e   s w i t c h e s   h a v e   t h e   s a m e   pa ra m e t e r s   o f   t h e   s w i t c h   i n   t h e   f i r s t   c a s e   a b o ve .   T h e   c o n t r o l   c i r c ui t   us e t o   a rr a nge   t h e   m a nn e r   o f   t e s t i n f o r   e a c h   s w i t c h   i n   t h e   a rra y   by   t e s t i n e a c h   r o w   o r   e a c h   c o l um n   o r   i t   c a n   t e s t   r a ndo m l y   t h i s   s e l f - t e s t   t e c hni que   ha s   b e e n   a ppo i n t e t o   a n a l y s e   t h e   o ut pu t   o f   s w i t c h   t o   c h e c i f   t h e   s w i t c h   i s   f a ul t y   o r   f a ul t   f r e e .           F i gu r e   6 .   M A T L A B - s i m ul i nk   o f   (3*3)  a rra y   of   a   N a n o - E l e c t r o - M e c h a ni c a l   s w i t c h   (N E M )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            IS S N :   2 502 - 47 52   In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i ,   V o l .   22 ,   N o .   1 A p r i l   20 21   :   113   -   120   118   6.   F au l ts   o n an o   e l e c t r o   m e c h an i c al   s w i tc h e s   T h e   r e l i a b i l i t y   c o n c e rn s   t ha t   go v e r n   t h e   l i f e   of   ( N E M S )   s h o ul b e   c a r e f ul l y   c o n s i de r e w h e n   de s i gni n a nd  m a nuf a c t u r i n t h e s e   s w i t c h e s .   T h e   T a b l e   s how s   t h e   f a i l ur e   m e c ha n i s m s   a n t h e i r   i m p a c t   o n   t h e   de v i c e s   pa ra m e t e r s .       T a b l e   1 .   N E M S   f a i l u r e   m e c h a ni s m s   a n d   t h e i i m p a c t   o n   t h e   d e v i c e s   p a ra m e t e r s   F a i l u re   Re a s o n s   E ffe c t s   Cre e p   A p p l i e d   s t r e s s ,   i n t r i n s i c   s t r e s s   a n d   t h e r m a l   s t r e s s .     H a s   a n   i m p a c t   o n   t h e   i n   y o u n g   m o d u l e s .       W e a r   A d h e s i v e ,   a b ra s i v e   a n d   c o rr o s i v e .     H a s   a n   i m p a c t   o n   d a m p i n g   f a c t o r   ,   e ffe c t i v e   m a s s     a n d   c h a n g e s   t h e   v a l u e   o f   p i l l - i n   v o l t a g e .   F a t i g u e     Bri t t l e   f a t i g u e ,   t h i s   t y p e   o f   f a t i g u e   o c c u rs   w h e n   c y c l i c a l l y   v a r y i n g   a p p l i e d   s t r e s s   t h a t   n e c e s s a r y   t o   o c c u r s   t h e   c ra c k   g r o w t h   o s t a t i c   f a t i g u e ,   t h i s   t y p e   o f   f a t i g u e   w h e n   a   c y c l i c a l l y   c h a n g i n g   a p p l i e d   s t r e s s   i s   n o t   r e q u i r e d   t o   o c c u t h e   c ra c k   g ro w t h .     H a s   a n   i m p a c t   o n   c h a n g i n g   t h e   v a l u e   o f   p u l l   i n   v o l t a g e   b e c a u s e   i t   m a y   a ffe c t   t h e   s t i ffn e s s     a n d   d a m p e r   f a c t o r .   F ra c t u r e   E x c e s s i v e   l o a d   fra c t u r e ,   o r   f a t i g u e   f ra c t u re .     H a s   a n   i m p a c t   o n   c h a n g i n g   t h e   d i m e n s i o n s   o d e v i c e s   t h a t   w i l l   c h a n g e s   t h e   o v e ra l l   a r e a   a nd  o u t p u t   v o l t a g e .     Cra c k   H a p p e n s   i n   b e a m   o f   d e v i c e   d e c r e a s e s   i t s   s t i ffn e s s   H a s   a n   i m p a c t   o n   d e c r e a s i n g   t h e   r e s o n a n c e   f r e q u e n c y .       7.   N A N O   S WI TC H   S I M U LA TI O N   TES T   R ES U LTS   7. 1 .      S i n gl e   n an o   e l e c tr o   m e c h an i c a l   s w i t c h   T h i s   t y pe   of   n a n o   e l e c t r o   m e c h a n i c a l   s w i t c h   w a s   s uppl i e w i t h   t e s t i ng  a n c a rri e r   s i g na l . w a v e fo r m   a s   s h o w n   i n   f i g u r e   &   f i g u r e   r e s pe c t i v e l y ,   w h e r e   t h e   a p pl i e s i g n a l   t o   t h i s   t y pe   i s   s qua r e   w a ve   w i t 1. 5   V   pe a a m pl i t ude   f o r   70%  o f   t h e   c y c l e   t h a t   m a ke s   t h e   s w i t c i n   c a s e   of   (O N   m o de ),   a n V   f o r   30%  o f   t h e   c y c l e   t h a t   m a ke s   t h e   s w i t c h   i n   c a s e   of   (O F F   m o d e ).   T h e   o ut put   s i g na l   ge t s   f r o m   r e s ul t s   i s   s e e n   o n   t h e   di s pl a y   of   t h e   o s c i l l o s c o pe   r e s ul t   i n   t w o   l i m i t s   (1)   V   t h e   h i g h   l e v e l   i s   r e f e r ri n t o   t h e   (O N   m o de ),   w h i l e   n e a r   t o   z e r i s   t h e   l o w   l e v e l   i s   r e f e r r i n t o   (O F F   m o de a s   s h o w n   i n   f i g u r e   7.   T hi s   e ff e c t   i s   s po t t e w h e n   t h e   n a n o   s w i t c h   w o r ks   w i t h o ut   a n y   f a ul t s .   It   s h o ul d   b e   n o t e t ha t   i p r e v i o us   s t udi e s ,   i t   d i n o t   m e n t i o n   s i m u l a t i o n s   f o r   N E M S   s y s t e m .           F i gu r e   7 .   T h e   o ut pu t   s i g na l   w h e t h e   s w i t c w o r w i t h o ut   a ny   d e fe c t       7. 2 .     A r r ay   o n an o   e l e c t r o   m e c h an i c al   s w i tc h e s   T h e   r e s ul t s   i n   t hi s   c a s e   a r e   s i m i l a r   t o   t h e   r e s ul t s   t h a t   w e   ge t   i n   c a s e   o n e   b ut ,   i n   t h i s   c a s e ,   w e   h a v e   a   ni n e   s w i t c h   a rr a nge   i m a t ri a s   e xpl a i n e i n   F i g u r e   6.   T hi s   t e c h ni que   i s   b a s e o n   a pp l y i n t e s t   s i g na l   f o r   a n y   s w i t c h   i n   t h i s   m a t ri a n us i ng  c o n t r o l   c i r c ui t   t o   a rra n ge   t h e   m a nn e r   o t e s t   fo r   e a c h   s w i t c h   i n   t h e   a rra y ,   t h i s   s e l f - t e s t   t e c hn o l o g y   h a s   b e e n   ut i l i z e t o   a n a l y z e   t h e   o ut put   of   s w i t c h e s   t o   i n s pe c t   i f   t h e   s w i t c h   i s   r u n   p r o pe rl y   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       D e s i gn ,   s i m u l at i on   and   t e s t i ng  of   an   ar r ay   of   n ano   e l e c t r o   m e c ha ni c al . . .   ( L uay   Mah di )   119   o r   i n   f a i l u r e   m o de ,   w hi l e   t h e   f i r s t   s i m u l a t i o r e s ul t s   a r e   s h o w n   i n   F i gu r e   8.   T h e   de s i g n   a n d   s i m ul a t i o n   o f   a   m a t r i o f   n a n o   e l e c t r o   m e c ha n i c a l   s w i t c h e s   i s   c o n s i de r e a   m o de rn   a nd  s o phi s t i c a t e s t udy   w h e r e   t h e   r e s ul t s   w e r e   i de a l   f r o m   de s i g n   a nd  e xa m i n a t i o n   a nd  t h us   i t   b e c a m e   po s s i b l e   t o   i m pl e m e nt   o r   f a b r i c a t e   t h e s e   n a n s w i t c h e s   i n   p ra c t i c e .   T h e   t e s t i n t i m e   r e qui r e t o   i n s pe c t   o f   (3*3)   a rr a y   of   na n o   e l e c t r o   m e c ha n i c a l   s w i t c h e s   i s   1   s e c o n w h i c h   is   e qua l   t o   t h e   s pe n di ng  t i m e   f o r   t e s t i n s i n g l e   na n o   e l e c t r o   m e c h a ni c a l   s w i t c h .           F i gu r e   8 .   W a v e fo r m   o f   t   o ut put   s i g na l   f o r   (3*3)   a rr a y   of   na no   el e c t r o   m e c h a ni c a l   (N E M s w i t c h       8.     C O N C O LU S I O N   A N D   F U TU R W O R K   In  t hi s   pa pe r,   a   n o v e l   m o de l   fo r   n a n o   e l e c t r o   m e c h a ni c a l   s w i t c h   w a s   de s i g n e d,   s i m ul a t e a n t e s t e d.   T h i s   de s i g a c h i e v e t h a t   th i s   n a n o   e l e c t r o   m e c h a ni c a l   s w i t c h   i s   c o n s i de r   a s   a   b e t t e r   n o m i n e e   n a n o - s w i t c h   for   pr o duc i n g   t h e   e f f i c i e n t   po w e r   t o   o ve r c o m e   dr a w b a c ks   i ( n a n o - m e t e r t e c hn o l o g y T h i s   de s i g n   us e d   t o   c o n s t r uc t   a a rra y   of   n a n o   e l e c t r o n m e c h a ni c a l   s w i t c h e s   w h i c h   c a n   b e   t e s t i n g   by   a n   e m b e dde t e s t i n g   c i r c ui t   t o   r e duc e   t e s t i n t i m e   w i t h   hi g h   t e s t i n a r e a   o v e r h e a d ,   l o w   c o s t   a n d   s m a l l   f o o t pr i nt   c hi p ,   t hi s   t e c hn o l o gy   h a s   b e e n   a l s o   ut i l i z e i n   n a n o   a pp l i c a t i o n s   f o r   s w i t c h   m a t ri x ,   c o n t r o l   u n i t ,   m o ni t o ri n u ni t   a n p r o c e s s   un i t   o s i g n a l s   a r e   us i n t o ge t h e r   w i t h   t h i s   t e c hn o l o gy   t o   ob t a i n   s e l f - o bs e r v a t i o n   s t r a t e gy   a t   t h e   s y s t e m   l e v e l   w h e r e   t h e   f a ul t y   s w i t c h e s   c a n   b e   s e pa r a t e d.   F ut u r e   w o r i n   t h e   n e xt   s t udy   t h e y   i m pr o v e   t h e   pow e r   c o n c e pt i o n   a n s pe e d,   t i m e   o f   t h e   s w i t c h i n g .       R EF ER EN C ES     [ 1]   H .   K a m ,   T .   J .   K .   L i u,   V .   S t o j a no v i c ,   D .   M a r ko v i c ,   a nd  E .   A l o n,   D e s i g n,   o pt i m i z a t i o n,   a n s c a l i ng   of   M E M   r e l a y s   f o r   ul t r a - l o w - po w e r   di g i t a l   l o g i c ,   I E E E   T r an s .   E l e c t r on   D e v i c e s ,   v o l .   58 ,   no .   1 ,   p p.   236 249 ,   J a n .   20 11,   do i :   10. 1 109 / T E D . 2010 . 2 0825 45 .   [ 2]   R .   N a t ha n a e l ,   V .   P o t t ,   H .   K a m ,   J .   J e o n,   a nd  T . - J .   K .   L i u,   4 - t e r m i na l   r e l a y   t e c hno l ogy   f o r   c o m pl e m e nt a r y   l og i c ,   I E D M   T e c h .   D i g . ,   pp .   1 - 4,   D e c .   20 09,   do i :   10 . 110 9/ I E D M . 20 09 . 542 4383 .   [ 3]   N .   S i nh a ,   T .   S .   J o ne s ,   Z .   G uo ,   a n G .   P i a z z a ,   B o d y - bi a s e c om pl e m e n t a r y   l o g i c   i m pl e m e n t e u s i ng   A l N   pi e z o e l e c t r i c   M E M S   s w i t c he s ,   J our nal   of   M i c r oe l e c t r om e c h an i c a l   Sy s t e m s ,   v o l .   21 ,   no .   2 ,   pp .   48 4 - 49  A pr .   2 012 ,   do i :   10. 1109 / I E D M . 20 09. 5424 215 .   [ 4]   K .   A ka r v a r d a r ,   e t   a l . ,   D e s i g c o ns i de r a t i o ns   f o r   c o m pl e m e n t a r y   na no e l e c t r o m e c ha ni c a l   l o g i c   g a t e s ,   I E D M   T e c h .   D i g. ,   pp .   299 302 ,   D e c .   2007 ,   do i :   10. 1 109 / I E D M . 2007 . 4 4189 30.   [ 5]   K .   A l z o ubi ,   D .   G .   S a a b ,   S .   H a n,   a nd  M .   T a bi b - A z a r ,   C o m pl e m e nt a r y   na no -   e l e c t r o - m e c ha ni c a l   s w i t c f o r   ul t r a - l o w - po w e r   a ppl i c a t i o ns :   D e s i g a n m o de l i ng ,   P r o c .   12 t h   I nt .   S y m p.   Q ua l i t y   E l e c t r o n.   D e s i g ( I S Q E D ) ,   M a r .   2011 ,   pp.   1 8,   do i :   10. 1109 / I S Q E D . 2011 .   577 0810 .   [ 6]   M .   S pe nc e r e t   a l . ,   D e m o ns t r a t i o o f   i nt e g r a t e m i c r o - e l e c t r o m e c ha ni c a l   s w i t c c i r c ui t s   f o r   V L S I   a ppl i c a t i o ns ,   I E E E   J .   S ol i d - St at e   C i r c ui t s ,   v o l .   46 ,   no .   1,   pp .   308 320 ,   201 0 ,   do i :   10 . 11 09/ I S S C C . 20 10.   5 4340 10 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            IS S N :   2 502 - 47 52   In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i ,   V o l .   22 ,   N o .   1 A p r i l   20 21   :   113   -   120   120   [ 7]   I .   C he n ,   e t   al . ,   S c a l e d   m i c r o - r e l a y   s t r uc t u r e   w i t l o w   s t r a i g r a di e nt   f o r   r e d uc e o pe r a t i ng   v o l t a g e ,   E C T r an s .,  v o l .   45,   no .   6 ,   pp.   1 01 1 06 ,   2 012 ,   do i :   10. 11 49/ 1. 3700 943 .   [ 8]   A .   H a i de r ,   M .   A ndr e y ,   a nd  Y .   A l e x ,   s c a l a bl e   phy s i c a l   m o de l   f o r   N a no - E l e c t r o - M e c ha n i c a l   r e l a y s ,”   I E E E ,   24 t h   I nt e r n at i on al   W or k s ho on  P ow e r   and   T i m i ng   M ode l i ng ,   O pt i m i z a t i on   and   S i m u l a t i o ( P A T M O S ) ,   20 14.     [ 9]   C .   F r e d ,   K .   H e i ,   M .   D e j a n,   T s u - J a e   K i ng   L i u,   S .   V l a d i m i r   a nd  A .   E l a d ,   I nt e g r a t e d   c i r c ui t   d e s i g w i t N E M   r e l a y s ,   I E E E pp .1 - 8,   200 7.   [ 10]   F .   H a m e d,   F .   D a dg o ur   ,   M .   M uh a m m a d ,   C .   A l a n ,   S .   N a v a b   a nd  B .   K a us t a v ,   I m pa c t   o f   s c a l i ng   o t he   pe r f o r m a nc e   a nd  r e l i a b i l i t y   de g r a d a t i o o f   m e t a l - c o nt a c t s   i n   N E M S   de v i c e s ,”   I E E E ,   2011 .   [ 11]   S i j i ng   H a n ,   D e s i g n   a n M o de l i ng   e nv i r o nm e n t   f o r   N a no -   e l e c t r o -   m e c ha ni c a l   s w i t c ( N E M S )   d i g i t a l   s y s t e m s ,”   P H . D .   T he s i s ,   C a s e   W e s t e r R e s e r v e   un i v e r s i t y ,   2 013 .   [ 12]   K .   A l z o ubi ,   D .   S a a b,   S .   H a a nd  M . .   A z a r ,   C o m pl e m e nt a r y   N a no - E l e c t r o - M e c ha ni c a l   S w i t c f o r   ul t r a - l o w - po w e r   a ppl i c a t i o ns   de s i g a nd   m o de l i ng ,   201 12t I n t e r nat i o nal   S y m pos i um   on   Q ua l i t y   E l e c t r o ni c   D e s i gn M a r .   20 11 .   [ 13]   M i ng   Y i n ,   C a ng r a G uo ,   Z e w e L i a nd  Y i ng j i a ng   Z ha o ,   D e s i g o f   a   N E M S   ba s e L C   o s c i l l a t i o c i r c ui t   f o r   t i ny   v i br a t i o d e t e r m i na t i o n ,”   20 11  I n t e r nat i o nal   C on f e r e nc e   on  E l e c t r i c   I n f o r m at i on   an C on t r ol   E ng i ne e r i ng A pr .   2011 .   [ 14]   W .   M e r l i j a nd  S .   V a n,   M E M S   R e l i a bi l i t y   f r o m   a   f a i l ur e   m e c ha n i s m s   p e r s pe c t i v e ,   M i c r oe l e c t r on i c s   R e l i a bi l i t y ,   pe r gam on v o l .   43 ,   no . 7,   pp .   104 9 - 1060 ,   J u l .   20 03 ,   do i :   10. 101 6/ S 0 026 - 271 4 .   [ 15]   P e s c ho t ,   A . ,   Q i a n ,   C . ,   &   L i u,   T . - J .   ( 20 15) .   N a no e l e c t r o m e c ha n i c a l   S w i t c he s   f o r   L o w - P ow e r   D i g i t a l   C o m put i ng .   M i c r o m a c hi ne s ,   6 ( 8) ,   104 6 10 65. H i s a m o t o ,   e t   a l . ,   A   s e l f - a l i g ne do ubl e - g a t e   M O S F E T   s c a l a b l e   t o ,”   I E E E   T r a ns   E l e c t r on   D e v i c e s ,   v o l .   47 ,   p p.   23 20 2 325 ,   200 0.   [ 16]   F.   C he n ,   H .   K a m ,   D .   M a r ko v i c ,   T .   J .   K i ng ,   V .   S t o j a no v i c ,   a nd  E .   A l o n,   I nt e g r a t e c i r c ui t   de s i g w i t N E M   r e l a y s ,   I nt e r n at i on al   C on f e r e nc e   on   C om pu t e r - A i de D e s i gn ,   N o v .   200 8,   pp . 7 50 - 757 .   [ 17]   G .   M .   R e be i z ,   e t   a l . ,   T h e   s e a r c f o r   a   r e l i a bl e   M E M S   s w i t c h? ,”   I E E E   M i c r o w .   M a g ,   v o l .   1 4,   pp .   57 - 67 ,   201 3 .   [ 18]   A .   P e s c ho t C .   Q i a n ,   N a no   E l e c t r o   M e c ha n i c a l   S w i t c he s   f o r   l o w - po w e r   di g i t a l   c o m put i ng ,”   M i c r om a c h i ne s v o l .   6,   no .   8,   pp .   104 6 - 1065 ,   A ug .   2 015 .   [ 19]   J i W o o   L e e ,   R y a T ung ,   A r v i nd  R a m a n,   H a r t o no   S um a l i   a nd  J o h P   S ul l i v a n ,   S q ue e z e - f i l m   d a m pi ng   o f   f l e xi bl e   m i c r o   c a nt i l e v e r s   a t   l o w   a m b i e n t   p r e s s u r e s :   t he o r y   a nd  e xp e r i m e nt ,   J our na l   o f   M i c r om e c han i c s   a nd  M i c r o   E ngi ne e r i n g ,   20 09 .   [ 20]   S a z z a dur   C ho w dhur y ,   M .   A hm a d i ,   W .   C .   M i l l e r ,   A   c o m pa r i s o o f   pul l -   i v o l t a g e   c a l c ul a t i o m e t ho ds   f o r   m e m s - ba s e e l e c t r o s t a t i c   a c t u a t o r   de s i g n ,”   I n t e r na t i o na l   C o nf e r e nc e   on   Se ns i n T e c hno l ogy ,   200 5.   [ 21]   K .   L .   T s u - J a e ,   J .   J a e s e o k,   N .   R he s a ,   K .   H e i ,   P .   V i nc e nt ,   a n d   A .   E l a d,   P r o s p e c t s   f o r   M E M   l o g i c   s w i t c t e c hno l o gy ,”   2010   I n t e r na t i ona l   E l e c t r on   D e v i c e s   M e e t i ng D e c .   2 0 10.   [ 22]   P.   V i nc e n t ,   N .   R h e s a ,   a nd  A .   E l a d,   M e c ha ni c a l   c o m put i ng   r e d ux:   r e l a y s   f o r   i nt e g r a t e c i r c ui t   a ppl i c a t i o ns ,   P r oc e e di ngs   o f   t he   I E E E ,   v o l .   98 ,   no . 12 ,   pp .   2076 - 20 94,   J a n .   2011 .   [ 23]   H .   C a i ,   G .   D i ng ,   Z .   Y a ng ,   Z . .   S u,   J .   Z ho a nd  H .   W a ng ,   D e s i g n,   s i m u l a t i o a nd   f a br i c a t i o o f   a   no v e l   c o nt a c t - e nha nc e d   M E M S   i ne r t i a l   s w i t c w i t a   m o v a bl e   c o nt a c t   po i nt ,   J o ur na l   o f   M i c r om e c han i c s   and  M i c r o   e ngi ne e r i ng ,   2 008 .   [ 24]   F .   J a c o b,   H a ndbo o o f   m o de r s e n s o r s   phy s i c s ,   d e s i g ns ,   a nd  a ppl i c a t i o ns ,”   F our t E di t i on ,   Spr i nge r   Sc i e nc e   bus i ne s s   M e d i a 2 016 .   [ 25]   S .   E .   L y s he v s ki ,   N a no   a nd  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 :   f unda m e nt a l s   o f   na no   a nd  m i c r o   e ng i ne e r i ng ,”   H andboo k ,   L i br ar y   o f   C ong r e s s   C at al o gi ng - in - P ubl i c a t i o D a t a ,   B oc R at on 2 001 .   [ 26]   U .   D i nc e r   a nd  W .   A v i k,   S ub  T h e r m a l   S w i t c hi ng   w i t N a no   m e c ha ni c a l   R e l a y s ,”   U n i v e r s i t y   o f   V i r g i ni a,   C har l ot t e s v i l l e ,   pp . 1 - 8,   J u n .   20 15 .   [ 27]   P .   F a r a da y ,   A I nt r o duc t i o t o   M E M S ,   S c hoo l   of   M e c han i c a l   and   M anu f a c t u r i n E ngi ne e r i ng ,   p p.   1 - 16 ,   200 2 .         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.