بخشی از مقاله
خلاصه
هدف اصلی این مقاله تحقق یک فیلتر میانگذر است. بدین ترتیب این فیلتر از یک میکرورزوناتور تشکیل یافته که از طریق تحریک الکترواستاتیکی به نوسان در میآید. در طراحی میکرورزوناتورها باید به عواملی همچون ساختار میکرورزوناتور، محرک و مواد مورد استفاده در آن توجه شود چونکه بیشترین تاثیر بر روی ضریب کیفیت و توان مصرفی و فرکانس کاری دارند. تا بحال تحقیقات گستردهای در مورد محرک میکرورزوناتورها انجام شده و محرکهای مختلفی مانند محرک الکترواستاتیک، پیزوالکتریک و... برای تحریک معرفی شدهاند.
با اینحال استفاده از محرک الکترواستاتیک در میکرورزوناتورها - با توجه به هزینه ساخت پایین، تلفات پایین و کنترل پذیری بالا - نسبت به سایر محرکها ارجحیت دارد. در این مقاله ابتدا به طراحی رزوناتور پرداخته شده و ساختارهای مختلف بررسی شدهاند. ابتدا یک تحلیل مکانیکی با نرم افزار Comsol 3.5 روی میکرورزوناتور انجام شده تا میکرورزوناتور از لحاظ ابعاد بهینه شود. ولتاژ بایاس اعمالی به میکرورزوناتور 1,1 ولت میباشد و زمان سوئیچینگ بدست آمده 120 میکروثانیه است. سپس به طراحی خود فیلتر پرداخته شده است که یک فیلتر میانگذر با پهنای باند 80 مگاهرتز بدست آمد.
.1 مقدمه
با توجه به نیاز روزافزون به طیف فرکانسی بیشتر در فرکانسهای رادیویی و اختصاص کاربرد کمتر به هر طیف فرکانسی، میل روزافزونی به سمت امواج مایکروویو وجود دارد و امروزه رنج فرکانسی مورد استفاده در کاربردهای مختلف به چندین ده گیگاهرتز نیز رسیده است. استفاده از عناصر فشرده در طراحی فیلترها، در فرکانسهای بالا با مشکلاتی بهمراه است. یکی از این مشکلات اینست که عناصره فشردهای همچون خازن و سلف در فرکانسهای بالا تلفات زیادی دارند و کارایی خود را از دست میدهند.
همچنین با افزایش فرکانس، روشهای حاکم بر تحلیل مدار در فرکانسهای پایین همچون قوانین کیرشهف* و روابط بین جریان و ولتاژ قطعات مدار، دیگر در این فرکانسها اعتباری ندارد - بخاطر اینکه با کاهش طول موج، زمان انتشار موج در مدار با دوره تناوب نوسانات جریان مدار قابل قیاس میشود و دیگر نمیتوان در تحلیل مدار از آنها چشمپوشی نمود - و باید در مدارات فرکانس بالا از روشهای تحلیل موجی براساس توصیف میدانهای الکتریکی و مغناطیسی استفاده نمود که روشهای تحلیلی طاقت فرسایی هستند.
همچنین عناصر فشرده ابعاد نسبتا بزرگی دارند که ابعاد فیلتر را بالا برده و استفاده از آن را در کنار مدارات مجتمع نامناسب میکند [1] مشکلات ذکر شده در مورد مدارهای قبلی، مهندسان را بطرف ابداع روشهای جدیدی سوق داده و تلاشهای زیادی برای بهینهسازی مدار از لحاظ اندازه - یا حجم - مدار، توان مصرفی، ولتاژ تغذیه، نویز و مقرون به صرفه بودن انجام دادهاند. در سالهای اخیر با ظهور مدارات مجتمع و توسعه تکنولوژی آنها، گامهای بلندی در توسعه فیلترها برداشته شده و فیلترهای جدیدی براساس فرایندهای سیستمهای میکروالکترومکانیکی - MEMS - ساخته شدهاند که بر محدودیتهای مذکور غلبه کردهاند.[2]
سیستمهای میکروالکترومکانیکی ترکیبی از سیستمهای الکترونیکی و مکانیکی در ابعاد میکرومتر - به سیستمهای میکروالکترومکانیکی در ابعاد میکرومتر، MEMS گویند - وحتی نانومتر - به سیستمهای میکروالکترومکانیکی در ابعاد نانومتر، NEMS گویند - میباشند.[3] فیلترهای RF، در سیستمهای مخابراتی، رادارها و سیستمهای تست و اندازه گیری کاربرد فراوانی دارند. دلیل اهمیت فیلترهای RF در مقیاس فرکانس های مایکرومتر و امواج میلیمتری بخاطر محدودیت طیف فرکانسی و تقسیم طیف فرکانس برای کاربردهای مختلف میباشد .[1 ]
پارامترهایی نظیر پهنای باند عبور، باند توقف و میزان تلفات از پارامترهای مهم در طراحی فیلتر هستند. با توجه به اهمیت فیلترها در سیستم های مخابراتی، تا بحال تحقیقات گسترده ای برای دستیابی به این پارامترها انجام گرفته است بدینمنظورفیلترهای مختلفی با پارامترهای بهبودیافته مانند باترورث، چبیشف و الپتیک طراحی و ساخته شدهاند. این فیلترها توسط مجموعه ای از عناصر فشرده - خازن، سلف و مقاومت - پیاده سازی شده است .[1-7]
امروزه فیلترهای mems، توسعه چشمگیری را در فرکانس های مایکروویو و امواج میلیمتری داشتهاند که این توسعه روز افزون بخلطر عملکرد استثنایی آنها در این فرکانسها میباشد. تا بحال فیلترهای MEMS مختلفی با پهنای باند مناسب، تلفات داخلی کم و تلفات پایین طراحی شدهاست. فیلترهای طراحی شده مبتنی بر تکنولوژی MEMSاز ترکیب چند رزوناتور ساخته شده است که از طریق یک مکانیزم تحریک در فرکانسهای خاص شروع به نوسان میکند ] . [5-9 بدین ترتیب، برخی از نیازهای خاص طراحی باید ملاحظه شود تا بهترین ساختار انتخاب گردد:
-1 داشتن توان مصرفی پایین
-2 محدوده مناسب جابجایی رزوناتور
-3 سرعت پاسخ دهی بالا1
-4 کنترل پذیری
-5 عملکرد در دماهای نسبتا پایین برای جلوگیری از تلفات حرارتی
-6 ایزوله بودن مکانیزم تحریک - محرک بصورت حرارتی و الکتریکی عایق شده باشند -
-7 نویزپذیری کمتر
-8 ارزان* بودن طرح
-9 سهولت در ساخت : امکان مجتمعسازی با مدارات الکترونیک میتواند هزینههای ساخت را کاهش داد. همچنین عملی شدن طرح بستگی به پروسه ساخت دارد. رزوناتورهای MEMS دارای ضریب کیفیت و پایداری فرکانسی خوبی میباشند. علاوه بر این نویزپذیری کمی دارند. مکانیزم تحریک برای میکرورزوناتور با توجه به الزامات طراحی، انتخاب میشود . [10-11 ] به طور کلی، محرکهای پیزوالکتریک مزیتهای توان مصرفی پایین و سرعت های بالا را دارد، اما آنها پروسه ساخت دشواری دارند. همچنین به ولتاژ تحریک بالا نیاز دارند12 ]و. [13 محرکهای مغناطیسی پروسه ساخت دشواری دارند و به سختی مینیممسازی میشوند.
در نتیجه فرایند ساخت گران قیمتی را دارند. محرکهای الکتروترمال به راحتی با استفاده از تکنیکهای میکروساختاری استاندارد میتوانند در طرح های یکپارچه تولید شوند. محرکهای الکتروترمال در درجه حرارت بالا کار میکنند و تلفات حرارتی بالایی دارند[13 ] .محرکهای الکترواستاتیک پروسه ساخت آسانی دارد و ازلحاظ اقتصادی مقرون به صرفهاند. همچنین توان مصرفی پایین، سرعت بالا، کنترل پذیری بیشتری نسبت به سایر محرکها دارند.
ولی محرکهای الکترواستاتیک، ولتاژ تحریک بالایی دارند. با این حال، ولتاژ تحریک یک محدودیت اساسی برای محرک الکترواستاتیک نیست، بخاطر اینکه میتوان طراحی بهینه شدهای را معرفی نمود که ولتاژ تحریک را پایین آورد.[14-20] در این مقاله ابتدا به بررسی انواع رزوناتورها پرداخته شده و مزایا و معایب هر کدام را بیان و معادلات ریاضی ممکن را برای هر کدام از آنها استخراج شده است. سپس به طراحی میکرورزوناتور پرداخته شده و تا حد امکان سعی شده رزوناتوری پیشنهاد شود که ساده بوده، تلفات داخلی کم، ضریب کیفیت بالا و توان راه اندازه پائینی داشته باشد و بتوان با هزینه کم ساخت نمود. در نهایت به معرفی فیلتر پیشنهادی پرداخته شده است.
.2 طراحی میکرورزوناتور الکتروستاتیکی
پس از بررسی به این نتیجه رسیدیم که محرکهای الکترواستاتیک بهترین گزینه برای میکرورزوناتور میباشند. در شکل 1شماتیک مدل محرک الکترواستاتیک ساده نشان داده شده است. در این مدل، فرض شده که الکترودها بی عیب و نقص هستند. همچنین فرض شده که ساختار خازن در یک محیط خلاء واقع شده تا بارگذاری خارجی مکانیکی برابر صفر برای الکترود بالایی تضمین گردد.
