Nanoelectromechanical relay

📅 آخر تحديث: ٢٣ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٣ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة

A nanoelectromechanical (NEM) relay is an electrically actuatedswitch that is built on the nanometer scale using semiconductor fabrication techniques. They are designed to operate in replacement of, or in conjunction with, traditional semiconductor logic. While the mechanical nature of NEM relays makes them switch much slower than solid-state relays, they have many advantageous properties, such as zero current leakage and low power consumption, which make them potentially useful in next generation computing.

A typical NEM relay requires a potential on the order of the tens of volts in order to "pull in" and have contact resistances on the order of gigaohms. Coating contact surfaces with platinum can reduce achievable contact resistance to as low as 3 kΩ.[1] Compared to transistors, NEM relays switch relatively slowly, on the order of nanoseconds.[2]

Operation

Schematic of a three terminal electromechanical relay

A NEM relay can be fabricated in two, three, or four terminal configurations. A three terminal relay is composed of a source (input), drain (output), and a gate (actuation terminal). Attached to the source is a cantilevered beam that can be bent into contact with the drain in order to make an electrical connection. When a significant voltage differential is applied between the beam and gate, and the electrostatic force overcomes the elastic force of the beam enough to bend it into contact with the drain, the device "pulls in" and forms an electrical connection. In the off position, the source and drain are separated by an air gap. This physical separation allows NEM relays to have zero current leakage, and very sharp on/off transitions.[3]

The nonlinear nature of the electric field, and adhesion between the beam and drain cause the device to "pull out" and lose connection at a lower voltage than the voltage at which it pulls in. This hysteresis effect means there is a voltage between the pull in voltage, and the pull out voltage that will not change the state of the relay, no matter what its initial state is. This property is very useful in applications where information needs to be stored in the circuit, such as in static random-access memory.[1]

Fabrication

تُصنع مرحلات NEM عادةً باستخدام تقنيات التصنيع الدقيق السطحي الشائعة في الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS). [ 4 ] تُصنع المرحلات ذات التشغيل الجانبي عن طريق ترسيب طبقتين أو أكثر من المواد على رقاقة سيليكون . تُنقش الطبقة الهيكلية العلوية ضوئيًا لتشكيل كتل معزولة من المادة العلوية. ثم تُزال الطبقة السفلية بشكل انتقائي، تاركةً هياكل رقيقة، مثل شعاع المرحل، مثبتة فوق الرقاقة، وقادرة على الانحناء جانبيًا. [ 1 ] من المواد الشائعة الاستخدام في هذه العملية السيليكون متعدد التبلور كطبقة هيكلية علوية، وثاني أكسيد السيليكون كطبقة سفلية قابلة للتضحية.

يمكن تصنيع مرحلات NEM باستخدام عملية تصنيع متوافقة مع خط الإنتاج ، مما يسمح ببنائها فوق تقنية CMOS . [ 1 ] تتيح هذه الخاصية استخدام مرحلات NEM لتقليل مساحة بعض الدوائر بشكل ملحوظ. على سبيل المثال، يشغل عاكس  هجين من نوع CMOS-NEM مساحة 0.03 ميكرومتر مربع ، أي ثلث مساحة  عاكس CMOS بتقنية 45 نانومتر. [ 5 ]

تاريخ

صُنع أول مفتاح باستخدام تقنيات التصنيع الدقيق للسيليكون عام 1978. [ 6 ] وقد صُنعت تلك المفاتيح باستخدام عمليات التصنيع الدقيق الكتلي والطلاء الكهربائي . [ 7 ] في ثمانينيات القرن العشرين، طُوّرت تقنيات التصنيع الدقيق السطحي [ 8 ] وطُبّقت هذه التقنية على تصنيع المفاتيح، مما أتاح إنتاج مرحلات أصغر حجمًا وأكثر كفاءة. [ 9 ]

كان أحد التطبيقات المبكرة الرئيسية لمرحلات الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) هو تبديل إشارات الترددات الراديوية التي كانت مرحلات الحالة الصلبة تعاني من ضعف الأداء فيها. [ 10 ] كان زمن التبديل لهذه المرحلات المبكرة يزيد عن 1 ميكروثانية. ومع تصغير الأبعاد إلى أقل من ميكرومتر واحد، [ 11 ] والانتقال إلى المقياس النانوي، حققت مفاتيح MEMS أزمنة تبديل في نطاق مئات النانوثانية. [ 5 ]

التطبيقات

الحوسبة الميكانيكية

بسبب تسرب الترانزستور، توجد حدود للكفاءة النظرية لمنطق CMOS. هذا العائق في الكفاءة يمنع في نهاية المطاف استمرار زيادة القدرة الحاسوبية في التطبيقات ذات القدرة المحدودة. [ 12 ] على الرغم من أن مرحلات NEM تعاني من تأخيرات تبديل كبيرة، إلا أن صغر حجمها وسرعة تبديلها العالية مقارنةً بالمرحلات الأخرى يعني أن الحوسبة الميكانيكية التي تستخدم مرحلات NEM قد تُثبت أنها بديل عملي للدوائر المتكاملة التقليدية القائمة على CMOS ، وتتجاوز هذا العائق في كفاءة CMOS. [ 3 ] [ 2 ]

يعمل مرحل NEM ميكانيكيًا بسرعة أبطأ بحوالي 1000 مرة من سرعة تبديل الترانزستور ذي الحالة الصلبة كهربائيًا. ورغم أن هذا يجعل استخدام مرحلات NEM في الحوسبة تحديًا كبيرًا، إلا أن مقاومتها المنخفضة تسمح بتوصيل العديد منها معًا وتبديلها جميعًا في وقت واحد، لإجراء عملية حسابية واحدة كبيرة. [ 2 ] من ناحية أخرى، يجب تنفيذ منطق الترانزستور في دورات حسابية صغيرة، لأن مقاومته العالية لا تسمح بتوصيل العديد من الترانزستورات معًا مع الحفاظ على سلامة الإشارة. لذلك، من الممكن إنشاء حاسوب ميكانيكي باستخدام مرحلات NEM يعمل بسرعة ساعة أقل بكثير من منطق CMOS، ولكنه يُجري عمليات حسابية أكبر وأكثر تعقيدًا خلال كل دورة. وهذا من شأنه أن يسمح لمنطق قائم على مرحلات NEM بالأداء وفقًا لمعايير مماثلة لمنطق CMOS الحالي. [ 2 ]

توجد العديد من التطبيقات، مثل صناعات السيارات والفضاء واستكشاف الطاقة الحرارية الأرضية ، التي يكون فيها من المفيد امتلاك وحدة تحكم دقيقة قادرة على العمل في درجات حرارة عالية جدًا. مع ذلك، عند درجات الحرارة العالية، تبدأ أشباه الموصلات المستخدمة في وحدات التحكم الدقيقة التقليدية بالتلف نتيجة لتدهور الخصائص الكهربائية للمواد المصنوعة منها، وتتوقف الترانزستورات عن العمل. لا تعتمد مرحلات NEM على الخصائص الكهربائية للمواد للتشغيل، لذا فإن الحاسوب الميكانيكي الذي يستخدمها سيكون قادرًا على العمل في مثل هذه الظروف. وقد تم اختبار مرحلات NEM بنجاح عند درجات حرارة تصل إلى 500  درجة مئوية، ولكن من الناحية النظرية يمكنها تحمل درجات حرارة أعلى بكثير. [ 13 ]

مصفوفات البوابات القابلة للبرمجة الميدانية

إن انعدام تيار التسريب، وانخفاض استهلاك الطاقة، وإمكانية دمجها مع خصائص تقنية CMOS، تجعل مرحلات NEM خيارًا واعدًا للاستخدام كمفاتيح توجيه في مصفوفات البوابات المنطقية القابلة للبرمجة (FPGA). ويمكن لمصفوفة FPGA التي تستخدم مرحل NEM لاستبدال كل مفتاح توجيه ووحدة ذاكرة الوصول العشوائي الثابتة المقابلة له، أن تُقلل بشكل كبير من زمن تأخير البرمجة، وتسريب الطاقة، ومساحة الشريحة، مقارنةً بمصفوفة FPGA التقليدية القائمة على تقنية CMOS 22 نانومتر . [ 14 ] ويعود هذا التوفير في المساحة بشكل أساسي إلى إمكانية بناء طبقة توجيه مرحل NEM فوق طبقة CMOS في مصفوفة FPGA.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ١ ٢ ٣ ٤ بارسا، روزبه؛ لي، دبليو. سكوت؛ شافيزيبور، محمد؛ بروفين، ج؛ ميترا، سوبهاشيش؛ وونغ، إتش.-إس. فيليب؛ هاو، روجر تي. (٧ مارس ٢٠١٣). "مرحلات NEM مطلية بالبلاتين تعمل جانبياً من السيليكون متعدد التبلور". مجلة الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة . ٢٢ (٣): ٧٦٨-٧٧٨ . doi : 10.1109/JMEMS.2013.2244779 . S2CID 24310991 . 
  2. 1 2 3 4 تشين، فريد؛ كام، هي؛ ماركوفيتش، ديجان؛ ليو، تسو-جاي كينغ؛ ستويانوفيتش، فلاديمير؛ ألون، إيلاد (10-11-2008). "تصميم الدوائر المتكاملة باستخدام مرحلات NEM" . وقائع مؤتمر ICCAD '08 الدولي لعام 2008 التابع لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات/رابطة مكائن ​​الحوسبة حول التصميم بمساعدة الحاسوب . مطبعة معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات. الصفحات 750-757 . ISBN  9781424428205تم الاطلاع عليه بتاريخ 29 أكتوبر 2014 .
  3. 1 2 تشين، ف؛ سبنسر، م؛ ناثانيل، ر؛ تشنغ تشنغ، وانغ؛ فاريبورزي، هـ؛ غوبتا، أ؛ هي، كام؛ بوت، ف؛ كايسوك، جيون؛ تسو جاي، كينغ ليو؛ ماركوفيتش، د؛ ستويانوفيتش، ف؛ ألون، إ. (فبراير 2010). "عرض توضيحي لدوائر التبديل الكهروميكانيكية الدقيقة المتكاملة لتطبيقات VLSI". مؤتمر IEEE الدولي لدوائر الحالة الصلبة 2010 - (ISSCC) . الصفحات 150-151 . CiteSeerX 10.1.1.460.2411 . doi : 10.1109/ISSCC.2010.5434010 . ISBN   978-1-4244-6033-5. S2CID 8905826 . 
  4. ↑ كام، هي؛ بوت، ف؛ ناثانيل، ر؛ جيون، جايسوك؛ ألون، إي؛ ليو، تسو-جاي كينغ (ديسمبر 2009). "تصميم وموثوقية تقنية المرحلات الدقيقة لتطبيقات المنطق الرقمي ذات استهلاك الطاقة الصفري في وضع الاستعداد". المؤتمر الدولي لأجهزة الإلكترونيات IEEE لعام 2009 (IEDM) . الصفحات 1-4 . doi : 10.1109/IEDM.2009.5424218 . ISBN  978-1-4244-5639-0. S2CID 41011570 . 
  5. 1 2 أكارفاردار، ك؛ إلاتا، د؛ بارسا، ر؛ وان، ج.س؛ يو، ك؛ بروفين، ج؛ بيومانس، ب؛ هاو، ر.ت؛ وونغ، هـ.-س.ب (10 ديسمبر 2007). "اعتبارات تصميم البوابات المنطقية النانوية الكهروميكانيكية التكميلية". اجتماع IEEE الدولي للأجهزة الإلكترونية لعام 2007. الصفحات 299-302 . doi : 10.1109/IEDM.2007.4418930 . ISBN  978-1-4244-1507-6. S2CID 41342836 . 
  6. ↑ بيترسن، كورت (أكتوبر 1978). "الميكانيكا الدقيقة الديناميكية على السيليكون: التقنيات والأجهزة". معاملات IEEE للأجهزة الإلكترونية . 25 (10): 1241-1250 . Bibcode : 1978ITED...25.1241P . doi : 10.1109/T-ED.1978.19259 . S2CID 31025130 . 
  7. ↑ بيترسن، كورت (مايو 1982). "السيليكون كمادة ميكانيكية". وقائع معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات . 70 (5): 420-457 . رمز Bibcode : 1982IEEEP..70..420P . doi : 10.1109/PROC.1982.12331 . S2CID 15378788 . 
  8. ↑ بوستيلو، جيه إم؛ هاو، آر تي؛ مولر، آر إس (أغسطس 1998). "التصنيع الدقيق للأسطح لأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة". وقائع معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات . 86 (8): 1552-1574 . CiteSeerX 10.1.1.120.4059 . doi : 10.1109/5.704260 . 
  9. ↑ ساكاتا، م (فبراير 1989). "محرك دقيق كهرساكن للترحيل الكهروميكانيكي". دراسة للهياكل الدقيقة، وأجهزة الاستشعار، والمحركات، والآلات، والروبوتات . وقائع مؤتمر أنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة التابع لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات. الصفحات 149-151 . doi : 10.1109/MEMSYS.1989.77980 . S2CID 111117216 .  
  10. ↑ ياو، جيه جيه؛ تشانغ، إم إف (يونيو 1995). "مفتاح مصغر مصنّع بتقنية التصنيع الميكروي السطحي لتطبيقات الاتصالات بترددات إشارة من التيار المستمر حتى 4 جيجاهرتز". وقائع المؤتمر الدولي لأجهزة الاستشعار والمحركات ذات الحالة الصلبة - TRANSDUCERS '95 . المجلد 2. الصفحات 384-387 . doi : 10.1109/SENSOR.1995.721827 . S2CID 110197804 .   
  11. ↑ جانغ، وون وي؛ لي، جيونغ أون؛ يون، جون بو؛ كيم، مين سانغ؛ لي، جي ميونغ؛ كيم، سونغ مين؛ تشو، كيون هوي؛ كيم، دونغ وون؛ بارك، دونغ غون؛ لي، وون سيونغ (مارس 2008). "تصنيع وتوصيف مفتاح نانوإلكتروميكانيكي بفجوة هوائية معلقة بسمك 15 نانومتر". رسائل الفيزياء التطبيقية . 92 (10): 103110–103110–3. Bibcode : 2008ApPhL..92j3110J . doi : 10.1063/1.2892659 .
  12. ↑ كالهون، بنتون، هـ.؛ وانغ، أليس؛ تشاندراكاسان، أنانثا (سبتمبر 2005). "نمذجة وتحديد حجم التشغيل بأقل استهلاك للطاقة في الدوائر دون العتبة" (ملف PDF) . مجلة IEEE للدوائر المتكاملة . 40 (9): 1778. Bibcode : 2005IJSSC..40.1778C . doi : 10.1109/JSSC.2005.852162 . S2CID 15037515. تاريخ الاسترجاع: 29 أكتوبر 2014 . {{cite journal}}: صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين ( رابط )
  13. ↑ لي، تي-هاو؛ بهونيا، سواروب؛ مهرجاني، مهران (10 سبتمبر 2010). "الحوسبة الكهروميكانيكية عند 500 درجة مئوية باستخدام كربيد السيليكون". مجلة ساينس . 329 (5997): 1316-1318 . رمز Bibcode : 2010Sci...329.1316L . doi : 10.1126/science.1192511 . PMID 20829479. S2CID 206527731 .  
  14. ↑ تشين، تشين؛ بارسا، روزبه؛ باتيل، نيشانت؛ تشونغ، سوغين؛ أكارفاردار، كيريم؛ بروفين، جيه؛ لويس، ديفيد؛ وات، جيف؛ هاو، روجر تي؛ وونغ، إتش-إس. فيليب؛ ميترا، سوبهاشيش (21-02-2010). "مصفوفات البوابات المنطقية القابلة للبرمجة الميدانية عالية الكفاءة باستخدام المرحلات النانوية الكهروميكانيكية". وقائع الندوة الدولية السنوية الثامنة عشرة لجمعية ACM/SIGDA حول مصفوفات البوابات المنطقية القابلة للبرمجة الميدانية - FPGA '10 . الصفحات 273-282 . doi : 10.1145/1723112.1723158 . ISBN  9781605589114. S2CID 1081387 .