Design, fabrication and characterization of liquid-solid microelectromechanical DC-contact switches

İnsanlar, yaşam destek sistemleri ve veri iletişim merkezleri gibi kritik öneme sahip uygulamalardan telefon ve sokak aydınlatması gibi günlük ihtiyaçlara kadar çeşitli alanlarda elektronik anahtarların başarımına muhtaçtır. Günümüzde, bu anahtarların ezici çoğunluğunda yarı-iletken temelli katı hal teknolojisi kullanılmaktadır. Anahtarlama hızı nano saniyelerle ölçülen bu anahtarlar, CMOS uyumlu olma avantajının yanı sıra, katı-katı mekanik kontaklara sahip olmadıkları için, Mikroelektromekanik-Sistem (MEMS) anahtarlardan farklı olarak kontak sıçraması, yapışması ve zamanla kontak direncinin artması gibi sorunlarla karşılaşmazlar. Bu nedenle de, yüksek güvenirliğin yanında, oldukça uzun çalışma ömrüne sahiptirler. Tüm bu avantajlarına rağmen, 2-6 ? gibi yüksek iletken durum direncine, 105-107 ? aralığında düşük bir iletken durum sönümlenmesine ve görece düşük güç-taşıma kabiliyetine sahiptirler. Bunlara ek olarak, başarımlarının sıcaklığa ve radyasyona hassas olması, çalışma koşullarına sınırlamalar getirmektedir.Katı hal elektronik anahtarlar dışında başlıca diğer anahtarlama teknolojisi olan katı-katı DC-kontak MEMS anahtarlar, gelen akımı anahtarın iki katı metalik yüzeyi bir araya gelip temas sağladığında aktarır. MEMS anahtarlar çok iyi RF başarımı sağlasa da, gerekli olan katı-katı yüzey teması genelde idealden uzaktır. Bunun nedeni, iki temas yüzeyinin de sahip olduğu mikro ve nano boyuttaki pürüzlülükten dolayı, temas sırasında birbirlerine tam olarak değememesidir. Sonuç olarak, gerçek temas alanı, görünenin sadece küçük bir kısmına karşılık gelmektedir. Bu tür anahtarlar, anahtar sıçraması, mikrokaynak, yapışma ve temas bozulması gibi mekanik sorunlara maruz kalırlar ve bunun sonucunda, uzun dönemli güvenirlik sorunlarının yanında zamanla azalan bir anahtarlama başarımı gösterirler.Bu noktada alternatif bir anahtarlama teknolojisi olarak, hareket eden sıvı metal damlaları kullanan sıvı-katı MEMS anahtar yapıları önerilebilir. Bu ümit veren yenilikçi aygıt mimarisi, geleneksel katı-katı MEMS anahtarlara benzer olarak, yüksek yalıtım ve düşük araya sokma yitimi sağlamaktadır. Ayrıca, hareket eden hassas katı parçaları olmadığından sıvı-katı MEMS anahtarlar mekanik yorulma, yüksek temas direnci ve yapışma gibi sorunlardan potansiyel olarak etkilenmezler.Bu çalışmanın amacı, sıvı-katı MEMS anahtarlar tasarlamak, üretmek ve daha sonra, yalıtkan üzerinde elektrikle ıslatma (electrowetting-on-dielectric, EWOD) ilkesini kullanarak, ötektik Ga-In (EGaIn), Galyum İndiyum Kalay alaşımı (Galin-stan), ve civa (Hg) sıvı metal damlalarının harekete geçirilmesi kabiliyetlerini ölçmek ve incelemektir. Bu çalışmada kare, birbirine geçmiş parmaklar ve hilal gibi değişik harekete geçirme elektrotu şekillerinin, damlacıkların harekete geçme özellikleri üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Harekete geçirme elektrotuyla toprak elektrotu arasında 30-100 V voltajın uygulanmasıyla, sıvı metal damlacıklarının hareket ettiği gözlemlenmiştir. Bu çalışmada sunulan cihaz yapıları, alternatif yüksek-başarımlı anahtarların geliştirilmesinde potansiyel kullanım alanı bulabilir.