بخشی از مقاله
چکیده
تا بحال تحقیقات گسترده ای در مورد محرک میکرورزوناتورها انجام شده و محرکهای مختلفی مانند محرک الکترواستاتیک، پیزوالکتریک و... برای تحریک معرفی شده اند. 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 ساختار جدید برای طراحی رزوناتور ارائه شده است و ساختارهای مختلف بررسی شده اند. ابتدا یک تحلیل مکانیکی با نرم افزار ِ؟َ Comsol روی میکرورزوناتور انجام شده تا میکرورزوناتور از لحاظ ابعاد بهینه شود. ولتاژ بایاس اعمالی به میکرورزوناتور ٌ؟ٌ ولت میباشد و زمان سوئیچینگ بدست آمده ًٌٍ میکرو ثانیه است.
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 فرکانس های بالا با مشکلاتی بهمراه است. یکی از این مشکلات اینست که عناصره فشرده ای 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 می شود 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 روش های 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.
مشکلات ذکر شده در مورد مدارهای قبلی، مهندسان را بطرف ابداع روشهای جدیدی سوق داده و تلاشهای زیادی برای بهینه سازی مدار از لحاظ اندازه - یا حجم - مدار، توان مصرفی، ولتاژ تغذیه، نویز و مقرون به صرفه بودن انجام داده اند. 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 شده اند که بر محدودیتهای مذکور غلبه کرده اند .
پس اصلیترین قسمت فیلترهای MEMS، رزوناتورهای آن میباشد. رزوناتورها با تلفات داخلی و توان راه اندازی پایین و ضریب کیفیت و پایداری فرکانسی بالا نقش بسزایی در طراحی فیلترهای MEMS دارند. بنابراین طراحی رزوناتورهای ساده و کم هزینه، برای ساخت فیلترهای MEMS ضروری می باشد ]َ.[ در این مقاله ابتدا به بررسی انواع رزوناتورها پرداخته شده و مزایا و معایب هر کدام را بیان 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.
روش تحقیق
برخی از نیازهای خاص طراحی باید ملاحظه شود تا بهترین ساختار انتخاب گردد:
- داشتن توان مصرفی پایین ٍ
- محدوده مناسب جابجایی رزوناتور
- سرعت پاسخ دهی بالا ُ
- کنترل پذیری
- عملکرد در دماهای نسبتا پایین برای جلوگیری از تلفات حرارتی
- ایزوله بودن مکانیزم تحریک - محرک بصورت حرارتی و الکتریکی عایق شده باشند -
- نویزپذیری کمتر
- ارزان بودن طرح
- سهولت در ساخت : امکان مجتمع سازی با مدارات الکترونیک میتواند هزینههای ساخت را کاهش داد. همچنین عملی شدن طرح بستگی به پروسه ساخت دارد. با توجه به توضیحات ذکر شده میتوان گفت مکانیزم تحریک برای میکرورزوناتور با توجه به الزامات طراحی، انتخاب می شود. 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 دارند. محرکهای مغناطیسی پروسه ساخت دشواری دارند و به سختی مینیمم سازی می شوند. 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. محرکهای الکترواستاتیک پروسه ساخت آسانی دارد و ازلحاظ اقتصادی مقرون به صرفه اند. 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 شده ای را معرفی نمود که ولتاژ تحریک را پایین آورد ]ُ. [ با توجه به توضیحات بالا، محرکهای الکترواستاتیک بهترین گزینه برای طراحی رزوناتور در مقاله حاضر میباشند.
در ساخت دستگاههای MEMS از پروسههای مختلفی مانند تمیز کردن ویفر، لیتوگرافی، دیفیوژن، لایه نشانی، لایه برداری و کاشت یونی استفاده میشوند. در طراحی یک دستگاه MEMS ، انتخاب مواد نیز به اندازه ی ساختار آن از اهمیت برخوردار است. بدین خاطر که اولا مواد روش ساخت را تعیین میکنند و تاثیر مستقیمی بر عملی شدن طرح دارند. ثانیا مواد بر خواص الکتریکی و مکانیکی طرح اثر گذاشته و تاثیر زیادی بر پارامترهای مانند توان مصرفی، تلفات وبازده دارند.
پس از بررسی به این نتیجه رسیدیم که محرکهای الکترواستاتیک بهترین گزینه برای میکرورزوناتور میباشند. در شکل ٍ شماتیک 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.
بررسی ساختاری رزوناتور
با توجه به بررسیهای انجام شده برای طراحی اولیه رزوناتور شکل َ باید ملاحظات زیر را در نظر داشت:
▪ با نازک شدن و طولانی شدن بیمها، بازده رزوناتور - جابجایی تولیدی نسبت به ولتاژ اعمالی - افزایش مییابد ولی بیمها را - بخاطر مشکلات ساخت - بیش از یک اندازه نمیتوان کاهش داد.
▪ با ایجاد سوراخهایی بر روی صفحه متحرک میتوان بازده رزوناتور را افزایش داد
▪ با کاهش فاصله هوایی وضخامت صفحه متحرک میتوان، بازده محرک افزایش مییابد ولی بخاطر مشکلات ساخت بیش از یک اندازه نمیتوان کاهش داد.
