بخشی از مقاله
چکیده - هدف از این تحقیق طراحی، تحلیل و شبیهسازی ورکتوری بر پایه فناوری MEMS است که در عین داشتن مشخصات مناسب در بازه فرکانسی X و Ku ، بازه تغییرات ظرفیت خازنی گستردهای نیز داشته باشد. به منظور بهبود عملکرد مکانیکی ورکتور سعی بر آن شد تا تحلیل استاتیکی و دینامیکی رفتار مکانیکی ارائه شود. نهایتا ورکتوری با بازه تغییرات ظرفیت خازنی % 158/7 با ضریب کیفیتی بالاتر از 110 در باند X و Ku طراحی و ارائه شده است. از مشکلات عمدهای که طراحان قطعات RF MEMS با آن درگیرند، تنوع حوزههای رفتار این قطعات و نیاز به مطالعهی همهی آنها است.
برای بررسی رفتارهای مکانیکی، الکترواستاتیکی، مکانیکی دینامیکی و الکترومغناطیسی ورکتور میکروالکترومکانیکی، نیاز به ابزارها و نرم افزارهای جداگانهای است. در این تحقیق برای بررسی رفتار مکانیکی وتحلیل استاتیکی ورکتور از نرم افزار COMSOL Multyphysics 3.5 استفاده شده که قابلیت تحلیل حوزه های مکانیکی و الکترواستاتیکی به صورت همزمان بر اساس روش المان محدود - FEM - را دارا است. از نرم افزار Ansoft HFSS 11 برای تحلیل الکترومغناطیسی استفاده شده است. همچنین برای تحلیل حالت گذرا و پاسخ دینامیکی - مکانیکی از روش تفاضل محدود در حوزه زمان - FDTD - با استفاده از نرم افزار MATLAB استفاده شده است.
-1 مقدمه
در طول چند سال گذشته، سویچ ها، خازنهای متغیر با ولتاژ - ورکتور ها - و سلف های ساخته شده بر اساس فناوری MEMS - Micri-Electro-Mechanical-Systems - کاربردهای گستره ای در صنعت طراحی مدارات فرکانس بالا و سیستم های بی سیم پیدا کرده اند. مدارات مجتمع فرکانس بالا در ابعاد بسیار کوچک با هزینه ای کمتر به کمک مزایای فناوری MEMS روز بروز بیشتر امکان ساخت و استفاده تجاری پیدا کرده اند. مدارات و ادواتی که با استفاده از فناوری MEMS ساخته میشوند با استانداردهای فرآیند ساخت مدارهای مجتمع RF سازگارند.
MEMS شامل قطعاتی با ویژگی های مکانیکی و الکتریکی است که بر روی زیر لایه ای از سیلیکون با استفاده از فناوری Microfabrication ساخته می شوند. درعمل، پیشرفت های اخیر در زمینه ابزارهای ارتباط شخصی، فرکانس کاری آنها را به حدود امواج میلی متری سوق داده است. ویژگیهای ادوات ساخته شده بر اساس فناوری MEMS همانند دقت بالا ، قابلیت سازگاری با مدارات مجتمع ، ابعاد بسیار کوچک در حدود میکرومتر، تلفات ذاتی - insertion - loss پایین و پهنای باند گسترده، سبب شده این فناوری نقشی پر رنگی در توسعه ابزراهای ارتباط شخصی بیابد.
خازن های متغیر - - Varactors بطور گسترده ای در شیفت دهنده های فازی 1] - phase shifter - و[2 ، نوسان سازها [3] - Oscilators - و فیلترهای تنظیم پذیر - tunable filters - 4]و[5 به کار می روند. سیستم های میکرو الکترو مکانیکی - - MEMS قابلیت تحقق ورکتورهایی دارند که از لحاظ رفتار خطی و تلفات، ویژگی های بهتری نسبت به فناوری های دیگر دارند.
ورکتور های حالت جامد - solid state varactors - معمول با تکنولوژی سیلیکون یا GaAs ساخته می شوند که از پیوندهای p-n یا شاتکی بهره می برند. برای بررسی مشخصات یک ورکتور معیارهای مختلفی وجود دارد، همچون : نسبت تغییر ظرفیت خازنی - capacitance tuning range - و ضریب کیفیت - . - Quality Factor تلاش های اخیر در زمینه فناوری MEMS به تحقق ورکتورهایی با کارکرد عالی منجر شده است.
این ورکتورها از صفحات موازی فلزی ساخته شده اند که ظرفیت خازنی بین آنها بصورت تابعی از فاصله بین صفحات تغییر می کند. فاصله بین صفحات نیز به نوبه خود با استفاده از تحریک الکترواستاتیکی تغییر می کند. برخی از نکات ضعف ورکتورهای نیمه هادی - - solid-state همانند مقاومت تلفاتی بالا با استفاده از فناوری MEMS برطرف شده است.
ورکتورهای ساخته شده با فناوری MEMS که از صفحات موازی تشکیل می شوند به خاطر ساده تر بون فرآیند ساخت، توان مصرفی پایین و سرعت تغییرات بالا در مقایسه با ورکتورهایی که از تحریک گرمایی برای تغییر فاصله بین صفحات استفاده می کنند پرکاربردتر می باشند .[6] اگر چه، بیشترین نسبت تغییرات خازنی این نوع از خازن های میکروالکترومکانیکی %50 می باشد که دلیل آن سقوط صفحات بر روی یک دیگر است هنگامی که ولتاژ اعمالی از ولتاژ سقوط - pull in voltage - فراتر رود. . [6] هدف از این مقاله طراحی، آنالیز و شبیه سازی یک ورکتور با فناوری میکروالکترومکانیکی است با نسبت تغییر ظرفیت خازنی بالا، فرکانس تشدید مناسب برای کارکرد در بازه فرکانسی X و Ku ، تلفات ذاتی پایین و فاکتور کیفیت بالا است.
هنگامی که h به یک سوم h0 می رسد نیروهای الکترواستاتیکی و بازگشتی فنر با هم برابرند. ولتاژی را که در آن صفحه ی متحرک بالایی جابجایی اش به اندازه یک سوم فاصله اولیه می باشد را ولتاژ سقوط می نامند. با افزایش ولتاژ بایاس به صورت پیوسته و گذشتن از مرز ولتاژ سقوط، هیچگونه حالت تعادلی بین نیروهای الکترواستاتیکی و بازگشتی فنر ایجاد نمی شود و صفحه بالایی بر روی صفحه پایینی سقوط میکند.
بنابراین مقدار ظرفیت خازنی بین دو صفحه موازی تنها تا مقدار %150 مقدار اولیه - بایاس DC صفر ولت - می تواند به صورت پیویسته و قابل کنترل تغییر کند. بنابراین بیشینه بازه تغییرات ظرفیت خازنی در حالت تئوریک %50 می باشد. طرح کلی ورکتور ارائه شده در [8] در شکل 2 نشان داده شده است. همانطور که مشاهده می شود این ورکتور شامل سه صفحه با نامهای E1 ، E2 و E3 میباشد.
صفحهی E1 متحرک است و توسط چهار تیر یک سر درگیر معلق نگه داشته شده و می تواند حرکت عمودی به سمت پایین داشته باشد. صفحهی E2 که در زیر E1 بر روی زیر لایه قرار دارد ثابت است و با صفحهی E1 خازن متغیر را تشکیل میدهد. صفحهی E3 که در اطراف صفحهی E2 و بر روی زیرلایه قرار گرفته بهمراه صفحهی E1 برای تحریک الکترواستاتیکی بکار میروند.
در ابتدا که هنوز VDC برابر با صفر ولت است، h1 طوری طراحی می شود که از h2 کوچکتر باشد. با اعمال ولتاژ DC بین صفحات E1 و E3 ، صفحهیE1 بدلیل نیروی الکترواستاتیکی به سمت پایین جابجا میشود و با جابجبایی E1 ، فاصله ی بین E2 و E1 نیز تغییر کرده که منتج به تغییر خازن بین آنها میشود. رابطهی بازهی تغییرات خازنی نسبی - relative tuning range - به صورت زیر بدست میآید.
ساختار بکار رفته در طراحی ورکتور نهایی در این مقاله در شکل 3 آورده شده است. همانگونه که در شکل .3 الف تصویری از برش طولی ورکتور نشان داده شده، این ورکتور شامل دو صفحهی معلق میباشد که هرکدام با چهار عدد بیم نگهداشته شدهاند. صفحهی E1 که بین صفحهی E4 و صفحات E2 و E3 معلق است در مرکز خود فرورفتگی به عمق یک میکرومتر و بشکل مربعی با ابعاد 100×100 ʽm دارد که همانند ورکتور مرجع [8] سبب ایجاد اختلاف فاصله هوایی برای به تاخیر انداختن زمان سقوط است.
فاصلهی صفحهی E1 ازE2 و E3 به ترتیب برابر است با d1 = 2 ʽm و . d2 = 2 ʽm صفحهی E4 که در بالای صفحهی E1 با فاصلهی d3 = 2 ʽm قرار دارد و به منظور اعمال ولتاژ DC برای جابجایی E1 به سمت بالا استفاده میشود. به این منظور که با اعمال ولتاژ DC بین E1 و E4 بین آنها نیروی جاذبه الکترواستاتیکی ایجاد شده و سبب جابجایی صفحهی E1 به سمت بالا میشود. در این حالت میزان جابجایی E4 بسیار ناچیز و تقریبا در برابر فاصله 2 ʽm قابل چشمپوشی می باشد. دلیل ثابت ماندن صفحهی معلق E4 استفاده از تیرهای نگهدارنده با ثابت فنر بزرگ است که ولتاژ لازم برای جابجایی E4 تا چندین برابر ولتاژ کنترلی اعمال شده به ورکتور میباشد.
شکل:3 الف - برش طولی ورکتور طراحی شده ب - نمای بالا از ورکتور بدون نشان دادن صفحه ی بالایی - E4 - جنس صفحات E1 و E2 و E3 از طلا است. ضخامت صفحه ی E1 ، 2 ʽm و صفحات E2 و E3 ، 3 ʽm است که دو لایه نیم میکرومتری به صورت بخار بر روی زیرلایه نشانده می شود. از سیلیکون با ضخامت 1 mm به عنوان زیرلایه استفاده شده است. تیرهای حامل صفحه ی E1 به گونه ای طراحی شده است تا بین ولتاژ کنترلی پایین و حساسیت کم نسبت به نیروهای خارجی مصالحه صورت پذیرد.
با اضافه کردن صفحهی چهارم - E4 - به ساختار می توان بازه تغییرات ظرفیت خازنی را بیش از پیش افزایش داد. با اعمال اختلاف ولتاژ DC بین صفحهی E1 و E4 صفحهی E1 به سمت بالا حرکت کرده و از مقدار خازن بین صفحات E1 و E2 کاسته میشود. بیشترین جابجایی صفحهی E1 به سمت بالا بدلیل محدودیت پدیده سقوط یک سوم h2 - فاصله بین E1 و - E4 میباشد.
