www.mktop_.ir

پایان نامه انواع خازن ممز و بررسی ساختار خازن شانه ای MEMS capasitor.  (46 صفحه) از این مطلب میتوانید در پایان نامه و مقاله سمینار و … خود استفاده بنمایید.

  • خازن یکی از اجزای مدارهای الکترونیکی می باشد.هنگامی که در مدار قرار می‌گیرد،برخلاف  مقاومت، بارالکتریکی را از خود عبور نمی‌دهد، بلکه آن را در خود ذخیره می نماید وبه همین سبب کاربردهای فراوان وقابل توجهی در مدار دارد.واحد ظرفیت در SI فاراد است که با F نشان داده می‌شود.یک فاراد ظرفیت خازنی است که هرگاه اختلاف پتانسیل بین صفحات آن یک ولت باشد، بار ذخیره شده روی هر یک از صفحات یک کولن شود.واحدهای دیگر ظرفیت: میکروفاراد (10-6 F) ، نانوفاراد (10-9 F) ، پیکوفاراد .( 10-12 F) خازن های مسطح ازدوصفحه که به صورت موازی بایکدیگرقرار گرفته اند،تشکیل شده است.

پایان نامه انواع خازن ممز و بررسی ساختار خازن شانه ای MEMS capasitor www.mktop.ir
پایان نامه انواع خازن ممز و بررسی ساختار خازن شانه ای MEMS capasitor www.mktop.ir

 

خازن مسطح capasitor www.mktop.ir

ظرفیت خازن (C) :نسبت میزان بار انباشته شده برروی صفحات خازن به اختلاف پتانسیل میان آنهارا ظرفیت خازن می نامند.مقداری ثابت دارد وا ز رابطه زیرمحاسبه می شود:

C = kε0 A/d

که در آن : ε0 : قابلیت گذردهی الکتریکی خلأ است که برابر ب8.85 * 10^12ااست.k : ثابت دی الکتریک است که برای موادمختلف متفاوت می باشد(برای هوا و خلأ 1=K است).A : سطح مشرک صفحات بالا و پایین خازن بر حسب مترمربع(m2)d : فاصله میان دو صفحه خازن بر حسب متر(m). همان گونه که رابطه فوق نشان می دهد مقدار ظرفیت خازن به پارامترهای مختلفی وابسته می باشد،به طوریکه می توان با تغییر هر یک از آنها می توان مقدار ظرفیت خازن را تغییر داد.وقتی که یک خازن بی بار را به دو سر یک باتری متصل می نماییم؛الکترونها در مدار جاری می‌شوند. به دنبال آن یکی از صفحات بارمثبت (+) و صفحه دیگر بارمنفی (-) پیدا می‌کند. آن صفحه‌ای که به قطب مثبت باتری وصل شده ؛ بار مثبت و صفحه دیگر بار منفی پیدا می‌کند. مقدار بار ذخیره شده از رابطه زیر بدست می آید:

پایان نامه انواع خازن ممز و بررسی ساختار خازن شانه ای MEMS capasitor www.mktop.ir
پایان نامه انواع خازن ممز و بررسی ساختار خازن شانه ای MEMS capasitor www.mktop.ir

 فرمول های اصلی خازن capasitor www.mktop.ir

حال اگر بتوانیم بار ذخیره شده در روی هر صفحه را ثابت نگه داریم با تغییر ظرفیت خازن،ولتاژ خروجی تغییر می کند،از این خاصیت درساخت بسیاری از سنسورها استفاده می نماییم.  خازنهای مسطح تا قبل ازاستفاده ازتکنولوژی میکروالکترومکانیکی (MEMS) به طور کلی به دو دسته:خازن های ثابت و خازنها متغییر  تقسیم بندی می شدند که در ادامه به معرفی آنها خواهیم پرداخت.

  • خازن های ثابت :

خازن ثابت به خازنی گفته می شود که ظرفیتش از پیش تعیین شده و ثابت باشد،به طوری که مقدار آن را پس از ساخت نمی توان تغییر داد.خازن های ثابت را معمولاً با جنس دی الکتریک به کار رفته در آنها می شناسندکه درادامه به معرفی گونه هایی از آنها می پردازیم.پایان نامه انواع خازن ممز و بررسی ساختار خازن شانه ای MEMS capasitor

  1. خازن کاغذی :

 دی الکتریک این نوع خازن از یک صفحه نازک کاغذ متخلخل تشکیل یافته ویک ماده عایق مناسب درون آن تزریق می گردد تا مانع از جذب رطوبت شود . برای جلوگیری از تبخیر دی الکتریک درون کاغذ ، خازن را درون یک قاب نفوذ ناپذیر قرار می دهند.خازن های کاغذی به علت کوچک بودن ضریب دی الکتریک عایق آن ها دارای ابعاد فیزیکی نسبتاًبزرگی هستند اما از مزایای این خازن ها آن است که در ولتاژ ها و جریانهای زیاد می توان از آنها استفاده نمود.شکل زیر ساختمان داخلی خازن کاغذی رانشان می دهد: 

خازن کاغذی www.mktop.ir paper capacitor خازن کاغذی www.mktop.ir paper capacitor

 2. خازن میکا

خازن میکا از تعدادی ورقه ی نازک میکا به عنوان دی الکتریک و ورقه های نازک فلزی تشکیل می شوند.این ورقه ها به صورت یک در میان روی هم قرار می گیرند.ورقه های فلزی در دو دسته به یک دیگر متصل شده اند تا سطح موثر هر صفحه ی خازن را بزرگتر شده وبه این ترتیب ظرفیت خازن بالا رود.هر چه تعدادصفحات فلزی بیش تر و اندازه ی آنها بزرگتر گردد ، ظرفیت خازن افزایش می یابد . مجموعه ورقه های میکا و فلز در یک کپسول قرار می گیرند .

پایان نامه انواع خازن ممز و بررسی ساختار خازن شانه ای MEMS capasitor www.mktop.ir
پایان نامه انواع خازن ممز و بررسی ساختار خازن شانه ای MEMS capasitor www.mktop.ir

 mica capasitor خازن میکا www.mktop.ir

  1. خازن الکترولیتی :

میزان ظرفیت این نوع خازنها به طورمعمول درمحدوده میکرو فارادمی باشد.خازنهای الکترولیتی همان خازنهای ثابت هستند، اما اندازه و ظرفیتشان از خازنهای ثابت بزرگتر است. نام دیگر این خازنها، خازن شیمیایی می باشد.نهادن این نام برروی این خازنهاازاین رومی باشد که دی ‌الکتریک آنهارا به نوعی مواد شیمیایی آغشته می‌ نمایند که در عمل ، حالت یک کاتالیزور را داشته و باعث بالا رفتن ظرفیت خازن می‌شوند.

خازن الکترولیتی electric capasitor www.mktop.ir خازن الکترولیتی electric capasitor www.mktop.ir

برخلاف خازنهای عدسی ، این خازنها دارای قطب یا پایه مثبت و منفی می‌باشند. مقدار  واقعی ظرفیت و ولتاژ قابل تحمل آنها نیز روی  بدنه درج شده است .خازنهای الکترولیتی در دو  نوع آلومینیومی و تانتالیومی ساخته می‌شوند.پایان نامه انواع خازن ممز و بررسی ساختار خازن شانه ای MEMS capasitor

خازن سرامیکی

خازنهای سرامیکی دارای دی الکتریکی با توان بالا و اندازه کوچک می باشند. از این خازنها در فرکانس های بالا استفاده می شود . صفحات خازن سرامیکی از جنس نقره و به صورت صفحات بیسار نازکی هستند که ماده ی دی الکتریک بین آنها سرامیک می باشد. این خازنها از لحاظ فیزیکی بسیار کوچک وظرفیت آنها ازچند پیکوفاراد تا میکروفاراد متغیر است .  ولتاژ شکست این خازنها زیاد می باشدبه طوری که  در ولتاژهای بسیاربالا ( چندین هزار ولت ) نیزمی توان ازآنهابهره گرفت.

  • خازنهای متغییر

خازنها متغیر خازنهایی هستند که ظرفیت آنها در هر لحظه می توان از حداقل تا حداکثر تغییر داد . با خازنهای متغیر می توان ظرفیت مورد نیاز را تنظیم نمود.از این گونه خازنها در فرکانس های پایین ، متوسط و بالا استفاده می شود.مقدارظرفیت آنهادرمحدوده فرکانس های پایین از 250 تا 500 پیکوفاراد بوده و برای فرکانس ها بالا درحدود چند پیکو فارادمی باشد.

  1. خازن متغیر Variable capasitor www.mktop.irخازن متغیر Variable capasitor www.mktop.ir

    تریمر وخازن هوا

خازنی است که دی الکتریک میان صفحات آن هوا می باشد و بیشتر برای انتخاب فرکانس مناسب در گیرنده هابه کاررفته وبه این منظوربا یک سلف به طور موازی بسته می شود . این گونه خازنها از چندین صفحه متحرک تشکیل شده اند که به صورت یک در میان درفواصل منظم از یک دیگر قرار دارند . با چرخش محور که به صفحات متحرک متصل است ، صفحات متحرک بین صفحات ثابت حرکت  می کنند ، سطح موثر صفحات تغییریافته  و در نتیجه ، ظرفیت خازن نیز متناسب با گردش محور تغییر می نماید .

  • خازنهای میکرو الکترو مکانیکی (MEMS)

بسیاری ازکاربردهای پهن باند (باندگسترده) باطراحی های خاص وویژه وجوددارند که به خازن به عنوان کنترل کننده پارامترهای مهم واساسی الکترونیکی نیازمبرم دارند.این کابردها شامل تقویت کننده های با نویزپایین (LNAS)، ژنرراتورهای یا مولدهای امواج با فرکانسهای متفاوت ونیزکنترل کننده های فرکانس می باشد.دربسیاری ازسیستم های بی سیم مدرن وامروزی نیازمبرم وشدیدی به کیفیت بالا،پایداری،نویزفازپایین به همراه محدوده تغییرات وگستره تنظیمات وسیع فرکانسی برای اسیلاتورهای کنترل شده باولتاژ(VCOها)مشاهده می شود.محدوده تغییرات این اسیلاتورها می بایست به اندازه کافی بزرگ باشدتاباندفرکانسی موردنظرمارابه طورکامل پوشش دهد.دربسیاری ازنوسان سازهای کنترل شده باولتاژ (VCOها)، وجودخازن های الکترونیکی متغیربه عنوان عناصری کلیدی برای تحقق اهداف ماضروری می باشد.

به دلیل وجودمشکلات ومسائلی که درساخت خازن های متغیرباضریب کیفیت بالابرروی تراشه موجود می باشد، مجبوربه طراحی عناصروخازن هایی دربیرون ازتراشه دربسیاری ازمدارها هستیم.عناصری ازقبیل انتخاب کننده های باند فرکانسی، کانال های مخابراتی وادواتی که به منظور تنظیم نوسان سازهای کنترل شونده باولتاژ به کار می رود در بیرون ازتراشه ها ساخته شده وبه کار می روند که دلیل امر،این مطلب می باشدکه ساخت سلفها و خازن های متغیر(ورکتورها)با ضریب کیفیت بالا با استفاده ازتکنولوژی استاندارد CMOS (سیلیکونی( محقق نمی گردد.ضریب کیفیت (Q) ورکتورهای متداول ومرسوم که بااستفاده ازسیلیکون یاگالیم آرسناید یاپیوندهای شاتکی برای کاربردهای تنظیم جریان که درساخت ادواتی بانویز فاز پایین مورد نیازمی باشد، بسیاراندک وناکافی می باشد. درمقایسه باورکتورهای حالت جامد، خازن های ساخته شده باتکنولوژی MEMSمیزان تلفات پایین تر ونیز قابلیت تنظیم ومحدوده تغییرات وسیع تری دارند.درسال های اخیر،ظهورسیستم ها وادواتی که بابهره گیری ازتکنولوژیMEMS وبرای کاردر فرکانسهای نسبتا ًبالا ساخته می شوند، تحولی شگرف درعلم مهندسی و شاخه مخابرات پدیدآورده است.

نیاز به ضرایب کیفیت بالا و مشخصه های تنظیم پذیری و محدوده تغییرات بالا در ادوات غیرفعالی نظیرسلف ها، خازن ها و…که درسیستم های مخابراتی کاربردی وسیع دارند، سبب روی آوردن این رشته به تکنولوژیMEMS به سبب توانایی بالای آن دررفع این موانع ومعضلات می باشد.ساخت خازن های تنظیم پذیر و دارای محدوده تغییرات وسیع با این تکنولوژی که درساخت مدارهای شبه مجتمع  نیزمی توان ازآنها استفاده نمود، ودر محدوده  فمتوفاراد تاچند ده پیکوفاراد باشند ونیزرنج تغییرات بالاتراز50 درصد وضریب کیفیت بالاتراز50 داشته باشند، ازموارد مطلوب ومورد انتظارما ازاین ادوات می باشد. ضرایب کیفیت بالاازطریق خازن های متغیربااستفاده ازتکنولوژی MEMS که مبتنی براستفاده ازفلز باشد تحقق می پذیرد.سیستم های میکروالکترومکانیکی(MEMS) قابلیت حرکت دادن وجابجایی صفحات (Plates) وتیرها (Beams) را با ولتاژهای بسیارپایین رادارد و نیز ازاین تکنولوژی برای مجتمع سازی سیستم هایی درفرکانس های رادیویی وبالابه منظورتنظیم وسوییچینگ استفاده می شود.

به عبارت بهترهدف ازبه کارگیری این تکنولوژی درسیستم های مخابراتی بی سیم،تحقق عملکرد وکارایی به مراتب بسیار بهتروعالی تر از ادوات وقطعات مورداستفاده فعلی می باشد. بسیاری ازادوات غیرفعال (Passive) ازقبیل سلفها، خازنها  وسوییچها که برروی تراشه ها ساخته می شوند، قطعاتی حیاتی ومهم برای استفاده درپهناهای فرکانسی نسبتاً بالامی باشند. خازن های متغیرکه بابهره گیری ازتکنولوژیMEMSساخته می شونداین پتانسیل وقابلیت رادارامی باشندکه جایگزین دیودهای ورکتورمتداول دربسیاری ازکاربردهاازقبیل نوسان سازها، فیلترهای قابل تنظیم وشیفت دهنده های فازشوند.

ادواتی که از طریق حرارت (گرم کردن)  ونیزبا استفاده ازخواص پیزوالکتریکی تحریک می شوند قابلیت کنترل پذیری بهتری را فراهم می آورند، بسیاری ازخازن های متغیرخطی رابا استفاده ازاین روشها محقق می سازند.تحریک الکترواستاتیکی ونیزبهره گیری ازهوا یا خلا به عنوان دی الکتریک بین صفحات خازن سبب ایجاد ادواتی باتوان مصرفی پایین وضرایب کیفیت بالامی شوند. خازن های متغیر بسیاری با استفاده ازتکنولوژیMEMS ساخته شده اند (بادوصفحه موازی که یکی ازآنها ثابت ودیگری متحرک می باشد). درمیان خازنهای متغیربسیاری که درسالهای اخیرساخته شده اند خازنهایی باصفحات موازی که درآنهاازتحریک الکترواستاتیکی بهره گرفته می شود،بسیارمتداول ومرسوم می باشند. یک خازن متغیرباصفحات موازی رامی توان بااستفاده ازتکنولوژی وپروسه ماشین کاری سطحی (Surface Micromachining) محقق نمود.درسال های اخیر،به منظور بالا بردن محدوده تغییرات درخازن های متغیر،خازن هایی بادوصفحه متحرک ونیزباصفحات به شکل شانه ساخته شده ومورد بررسی ومطالعه قرارگرفته اند.

خازن های متغیرشانه ای دارای تعدادی نقیصه می باشند که ازجمله آنهامی توان به ولتاژکنترل بالا،ناسازگاری باتکنولوژی ساخت IC(مدارهای مجتمع)، قابلیت اطمینان پایین ونیزپیچیدگی هایی درزمینه ساخت آن اشاره نمود. ذکراین نکته ضروری می باشدکه درساخت یک خازن خوب و بهینه تنها فراهم ساختن کارآیی وکارکرد مطلوب، انتظارما ازآن نمی باشد، بلکه قیمت پایین، پروسه ساخت آسان به منظورصرفه جویی درزمان ونیزکمترین میزان اشغال سطح تراشه ازضروریات وخواستهای ماازآن می باشند.

قبل از طراحی یک خازن بااستفاده ازتکنولوژیMEMS برای کاربردهای باند وسیع ، طراح باید مواردی مانند مقاومت،تلفات الحاقی،خازنهای پارازیتی عنصر،ESR (معادل مقاومت سری)، پاسخ خطی دستگاه درفرکانسهای رادیویی ونسبتاً بالا و نیزضریب کیفیت خوب و بالا برای تمامی باند فرکانسی رابه خوبی مدنظرداشته باشد. در این ساختار از منبع تغذیه به دو منظور استفاده می نمایند،هدف اول این است که با اعمال یک ولتاژ کم بین دو صفحه بالا و پایین خازن الکتریکی بین دو صفحه ایجاد کنند و هدف بعدی تغییر دادن مقدار خازن است به طوری که با تغییر ولتاژ اعمالی به صفحه بالایی فاصله بین دو صفحه کاهش می یابد. می دانیم که ظرفیت خازن با فاصله دو صفحه رابطه عکس دارد،بنابراین با تغییر ولتاژ دو صفحه مقدار ظرفیت خازن نیزتغییر می کند. برای این خازن الکترو مکانیکی می توان یک مدل الکتریکی در نظر گرفت که به شکل زیر می باشد. (معادل سازی  متغیرها و المان های الکتریکی ومکانیکی نیز ارائه شده است).

خازن ممز mems capasitor www.mktop.ir خازن ممز mems capasitor www.mktop.ir

در ادامه بررسی میکنیم که ولتاژ پولین pull in voltage چیست :

حال که توانستیم یک مدار معادل برای این نوع خازنها پیدا کنیم باید به بررسی خواص مکانیکی و الکتریکی آن بپردازیم.با صرف نظر کردن از خفگی (Damping Effect) معادله حرکت یک صفحه متحرک باتوجه به نیروی کششی الکترواستاتیکی (F) حاصل ازیک ولتاژتغذیه ثابت (V) درحالت تعادل  با نیروی مکانیکی حاصل از وابستگی دیافراگم به بدنه در یک مدارالکترومکانیکی خواهیم داشت.

خازن MEMS ممز از دید الکترونیک و مکانیک WWW.MKTOP.IR پایان نامه انواع خازن ممز و بررسی ساختار خازن شانه ای MEMS capasitor www.mktop.ir
خازن MEMS ممز از دید الکترونیک و مکانیک WWW.MKTOP.IR پایان نامه انواع خازن ممز و بررسی ساختار خازن شانه ای MEMS capasitor www.mktop.ir

 

خازن MEMS ممز از دید الکترونیک و مکانیک WWW.MKTOP.IR

نیروی کشش الکترواستاتیکی FE بااستفاده ازمشتق گیری مکانی (نسبت به مکان) میزان انرژی ذخیره شده درخازن قابل حصول بوده , که درآن ε0 گذردهی (نفوذپذیری) الکتریکی فضای آزاد،A مساحت صفحه خازن و d0 فاصله هوایی میان دوصفحه می باشد. که با استفاده از بسط تیلور بست داده میشود. و  سپس دو رابطه (معادله نیرو ونیروی الکترواستاتیکی)را برابربایکدیگر قرار می دهیم تا به معادله ولتاز پولین برسیم.

روش محاسباتی خازن MEMS www.mktop.ir MEMS capacitor 

روش محاسباتی خازن MEMS www.mktop.ir MEMS capacitor

در نتیجه درولتاژی مشخصی به نام ولتاژ متوقف  کننده (Pull-In) سیستم مربوطه دچارناپایداری می گرددکه این امردرمکانی به وقوع می پیوندد که صفحه متحرک خازن مسافتی درحدودیک سوم فاصله اولیه بین دوصفحه متحرک وثابت راپیموده باشد.بنابراین ولتاژی که درآن متوقف کنندگی صورت می پذیرد،برابراست با ولتاژ پولین که هنگامی که ولتاژبه مقداری بالاتراز ولتاژمتوقف کنندگی برسد ،نیروی الکترواستاتیکی  حاصل، سبب افتادن یافروریختگی صفحه متحرک برروی صفحه ثابت می گردد و دراین حالت اصطلاحاً می گوییم خازن اتصال کوتاه شده است. که به طور کلی ولتاژ پولین در x/3 اتفاق می افتد.  و گپ پولین نیز  2X/3 می باشد.

MEMS capasitor خازن ممز ولتاز پولین PULL IN VOTAGE www.mktop.ir MEMS capasitor خازن ممز ولتاز پولین PULL IN VOTAGE www.mktop.ir

  • فرکانس رزونانس

نکته دیگری که باید هنگام استفاده از خازنهای الکترومکانیکی مد نظر باشد فرکانس نوسانات دریافت شده توسط دیافراگم خازن می باشد.قبل از بررسی این مطلب می بایست به این نکته توجه نمود که هر صفحه مکانیکی دارای یک فرکانس رزونانس می باشد،پس دور از انتظار نیست که خازن الکترومکانیکی دارای یک فرکانس نوسان باشد.به طوری که اگر دامنه تغییرات ورودی نزدیک به فرکانس نوسان باشد خازن دیگر پایدار نخواهد بود و در صورت نبودن مقاومت هوا با همان فرکانس شروع به نوسان می نماید.برای خازن شکل- 10 مقدار فرکانس نوسان خازن از رابطه زیر به دست می آید:

که در آن T و D از روابط زیر به دست می آیند:

همانطور که می بینیم فرکانس رزونانس یک صفحه به جنس و ابعاد صفحه وابسته می باشد.

  • ضریب کیفیت :

یک خازن مکانیکی را می توان به شکل ساده زیر مدل نمود:

که درآن RS معادل بااثر مقاومت مولکولهای فضا(مثلاًهوا وLS نیز معادل با جرم دیافراگم می باشد.امپدانس کل برای این مدل برابر است با:

می دانیم که ضریب کیفیت برای یک المان به صورت زیر تعریف می شود، با فرض اینکه:

اگر قسمت موهومی امپدانس را برابر با صفر قرار دهیم،فرکانس نوسان به صورت زیر تعریف می شود:

حال برای یک نمونه از خازنهای الکترومکانیکی نمودار ضریب کیفیت را رسم می کنیم.که در این نمودار در فرکانس 8گیگاهرتز مقدارضریب کیفیت برابر صفر می شود.در اینجا مقدار Rs=0.83ohm Ls=0.4nH و C=1pF می باشد.

 نمودار ضریب کیفیت خازن های الکترومکانیکی MEMS www.mktop.ir

  • خازنهای میکروالکترومکانیکی ( MEMS ) متغیر :

خازنهای متغیرساخته شده بااستفاده ازتکنولوژی MEMS این قابلیت رادارندکه دربسیاری ازکاربردها ازقبیل نوسان سازهای کنترل شده باولتاژ،فیلترهای قابل تنطیم وشیفت دهنده های فازجایگزین دیودهای ورکتورگردند.خازنهای متغیربااستفاده ازتکنولوژیMEMS  با دو صفحه (یک صفحه متحرک ویک صفحه ثابت) ساخته شده اند.ذکراین نکته ضروری می باشدکه یک خازن بهینه علاوه برفراهم نمودن عملکردمناسب،بایدقیمت نسبتاً ارزان وپروسه ساخت ساده داشته باشد ونیزسطح بسیارکمی ازتراشه رااشغال نماید.تکنولوژی MEMS توانست این نیازها را ارضاومواردمطلوب رامحقق سازد.در ادامه به بررسی چند نوع ازخازنهای متغیر می پردازیم.

  • طراحی خازن های میکروالکترومکانیکی متغیر

معمولا برای ایجا خازن متغیر با تکنولوژی MEMS سعی می نمایند صفحه بالایی را به صورت معلق نگاه دارند(به عبارت دیگر وابستگی آن را به بدنه کاهش دهند) تا ولتاژ مورد نیاز برای رسیدن به بیشترین گستره تغییرات کاهش یابد.در شکل- 13 یک نوع از این خازنها را مشاهده می کنیم.

خازن میکروالکترومکانیکی متغیرMEMS www.mktop.ir خازن میکروالکترومکانیکی متغیرMEMS www.mktop.ir

Pad:محل اعمال ولتاژبه صفحات -Beam : تیر برای نگه داشتن دیافراگم- Etch hole : حفره برای خورده شدن لایه قربانی – با مشاهده شکل فوق درمی یابیم که خازن متغیر شامل بخشهای زیرمی باشد:

  1. دوصفحه موازی با رسانایی بالا

  2. چهارصفحهTشکل برای معلق نمودن وآویزان نگه داشتن صفحه بالایی

  3. فاصله هوایی که بین صفحه بالایی وصفحه پایینی وجود دارد.

هنگامی که ولتاژبه محل اتصال (Pad) نشان داده شده درشکل فوق اعمال می شود،صفحه بالایی درنتیجه نیروی الکترواستاتیکی به سمت پایین می آید.ازنقطه نظرتئوری،صفحه معلق یامتحرک می تواندتاحداکثربه اندازه 3/1 فاصله اولیه بین دوصفحه متحرک وثابت پایین بیاید که این امربه معنای  افزایش ظرفیت خازن به میزان50درصد می باشد(دلیل وقوع این امر،خاصیت غیر خطی نیروی الکترواستاتیکی بین دو صفحه خازن می باشد).باید توجه داشت به دلیل محدودیت های ساخت ،درعمل مقدار افزایش میزان خازن بسیار کمتر از این مقدار می باشد که در قسمتهای بعدی راههای افزایش گستره(محدوده) تغییرات را بیان می نماییم.

در تمام خازنهای الکترو مکانیکی ولتاژ متوقف کنندگی یکی از مهمترین پارامترهای طراحی می باشد. در این ساختار(شکل بالا) ولتاژ متوقف کنندگی از رابطه زیر به دست می آید:

در آن: x0  فاصله اولیه بین دوصفحه خازن و C0ظرفیت خازنی اولیه درغیاب ولتاژاعمالی و  kmثابت موثرفنر(ضریب سختی ) چهارتیر Tشکل می باشد،که به صورت زیر به دست می آیند.

شبیه سازی عنصر میکروالکترومکانیکی متغیرMEMS www.mktop.ir شبیه سازی عنصر میکروالکترومکانیکی متغیرMEMS www.mktop.ir

هر یک از چهار تیر به شکل می باشند برای ساده سازی می توان هر یک از قسمتها را معادل یک فنر در نظر گرفت. پس شکل کلی به صورت شکل زیرمی شود.همانطور که در شکل نشان داده شده است هر تیر(Beam)از سه فنر تشکیل شده  است با توجه به تقارن موجود در هر تیر(Beam)می توان آن را به دو قسمت که به صورت سری قرار گرفته اند مدل نمود.یکی از این قسمتها (KT) خود از دو فنر که به صورت موازی قرار گرفته اند مدل کرد.با توجه به مطالب فوق در ابتدا ثابت فنر معادل را برای دو قسمت موازی بدست می آوریم.در اینجا نیروی وارد شده بر دو قسمت را FT می نامیم و رابطه نیرو را برای آن می نویسیم:

فرمول های معادل ثابت فنر برای خازن میکروالکترومکانیکی متغیرMEMS www.mktop (1) فرمول های معادل ثابت فنر برای خازن میکروالکترومکانیکی متغیرMEMS www.mktop (1)

             

فرمول های معادل ثابت فنر برای خازن میکروالکترومکانیکی متغیرMEMS www.mktop (2) فرمول های معادل ثابت فنر برای خازن میکروالکترومکانیکی متغیرMEMS www.mktop (2)

حال که توانستیم ثابت سختی هر یک از تیرها(Beams) را محاسبه نماییم.نوبت آن است تا ثابت سختی کل را برای دیافراگم از رابطه زیر به دست آوریم.

 

تا اینجا توانستیم با استفاده از تیرها(Beams)، وابستگی دیافراگم به بدنه را کاهش داده وبه دنبال آن ولتاژ متوقف کنندگی را پایین بیاوریم.ولی باید توجه داشت که استفاده از این تیرها پیامدهایی نیز دارند که در ادامه به بیان آن می پردازیم.

  • جابجایی اولیه (initial displacement)

ضخامت تیرهاوصفحه بالایی3μmمی باشد، به دلیل آنکه ضخامت نسبتاًزیادجرم آن زیاد می باشد از طرف دیگر وابستگی دیافراگم در اثر استفاده از تیر به بدنه کاهش پیدا می کنند،در نتیجه اثرجاذبه بر روی دیافراگم  سبب تغییرشکل اولیه می گردد.جابجایی اولیه صفحه بالایی می تواند با استفاده ازرابطه زیرمحاسبه گردد

که درآن mجرم صفحه نیکلی بالایی، g شتاب جاذبه زمین (g = 9.80665 m/s2) و xg   جابجایی اولیه پس ازآزاد کردن صفحه بالایی خازن متغیر می باشد. و  دراینجاجابجایی اولیه درحدود  0.00274μmمی باشدکه بسیارکوچکتر از 1μm بوده وقابل صرف نظرکردن می باشد.

 پروسه ساخت خازن :

بعد از طراحی این خازن حال نوبت به بیان مراحل ساخت آن می باشد.برای ساخت خازنها از یک ویفر سیلیکونی استفاده می کنیم.پروسه ساخت شامل چند مرحله می باشد که در ادامه به بررسی آن می پردازیم

  1. درابتدا، یک لایه ازکروم (Cr)/مس(Cu) به ترتیب با ضخامتهای10/ 90 نانومتربه روش sputtering(الکترون پراکنی) به عنوان لایه جذب کننده (seed layer) برروی ویفرمی نشانیم سپس فتورزیست مثبت AZP4620 به ضخامت 5 میکرومتربااستفاده ازدستگاه spin  coaterو hot  plateوبه عبارت بهترباروش ) spin coatinنشاندن لایه ازیک مایع بااستفاده ازعمل چرخاندن) برروی لایه جذب کننده می نشانیم، الگوهای موردنظرنیزبرروی آن منتقل شده سپس یک لایه نیکل به ضخامت  2μmرا برای ایجاد صفحه پایینی،پدهای مربوط به اتصالات (کنتاکتهای) بااستفاده ازروش آبکاری (electroplating) نشانده می شودکه انجام این مرحله در شکل زیر نشان داده شده است.

درمرحله دوم، فتورزیست نشانده شده به اندازه 5 μm را با استفاده ازاستون ازبین می بریم.

2-فتورزیست مثبت به ضخامت 5 μm بااستفاده ازروش  Spin coatingبرروی لایه جذب کننده می نشانیم سپس الگوی تکیه گاه ها ((Anchor را روی فتورزیست ایجاد می کنیم سپس با استفاده از روش آبکاری (Electroplating) تکیه گاه ها را به ضخامت 5 μm مطابق شکل زیر ایجاد می کنیم.

3- سپس فتورزیست نشانده شده  را از روی ساختار بر می داریم و توسط زدایش خشک (Dry Etching) لایه جاذب را از بین می بریم. با از بین بردن لایه جاذب، حال می توان لایه قربانی را ایجاد نمود.دراینجا برای لایه قربانی از آلومینا (Alumina : Al2O3) استفاده می کنیم.در ابتدا به ضخامت 5 μm از آلومینا را با استفاده از روش  Sputtering(الکترون پراکنی)  بر روی ساختار ایجاد می کنیم،سپس سطح لایه قربانی را ساییده وصیقل می زنیم(Polished) تا تکیه گاه ها مشخص شوند.شکل نهایی بعد از انجام این مراحل مطابق به صورت زیر می باشد:

4-در این مرحله قصد داریم تا صفحه متحرک ومعلق بالایی را ایجاد نماییم.به همین منظور،در ابتدا یک لایه جاذب را بر روی لایه قربانی با روش   Sputtering(الکترون پراکنی) ایجاد می کنیم.سپس فتورزیست مثبت به ضخامت 5 μm بااستفاده ازروش  spin coatinبرروی لایه جذب کننده می نشانیم،پس ازآن الگوی صفحه بالایی را روی فتورزیست ایجاد می کنیم.نوبت ایجاد صفحه بالایی و چهار تیر(Beam)می باشد که آنها را به ضخامت 3 μm با استفاده از روش آبکاری (Electroplating) مطابق شکل زیر پدیدمی آوریم.

– 5سپس فتورزیست نشانده شده  را از روی ساختار بر می داریم و توسط زدایش (خوردگی)خشک(Dry Etched) لایه جاذب موجود بر روی لایه قربانی را از بین می بریم.در آخرین مرحله می بایست لایه قربانی را از بین ببریم.به همین منظوراز روش زدایش(خوردگی) با حلال (Wet Etching) استفاده می کنیم،محلول استفاده شده برای از بین بردن لایه قربانی محلول KOH می باشد.پس از حذف لایه قربانی شکل کلی به صورت زیر می شود.

در ادامه نتایج شبیه سازی واندازه گیری های صورت گرفته برروی نمونه ساخته شده راارائه می نماییم.در تصاویرگرفته شده ازساختارخازن توسط میکروسکوپ SEM را مشاهده می نمایید. همان گونه که ملاحظه می شود،سطح صفحه پس از خوردگی Al2O3 بسیارصاف وهموارمی گردد و تقریباًهیچ گونه خمیدگی در آن مشاهده نمی شود.

ساختارخازن میکرو الکترومکانیکی MEMS توسط میکروسکوپ SEM www.mktop.ir ساختارخازن میکرو الکترومکانیکی MEMS توسط میکروسکوپ SEM www.mktop.ir

برای بررسی این طرح از شبیه ساز HFSS استفاده شده است.در نمودار زیر نتایج شبیه سازی و مقدار واقعی ضریب کیفیت برای این نمونه بیان شده است.

HFSS شبیه سازی و مقدار واقعی ضریب کیفیت www.mktop.ir HFSS شبیه سازی و مقدار واقعی ضریب کیفیت www.mktop.ir

شکل بالانتایج حاصل ازاندازه گیری وشبیه سازی ضریب کیفیت(Q)باافزایش فرکانس وبدون اعمال ولتاژرانشان می دهد . ضریب کیفیت (Q) درفرکانسهای 0.5، 1، 2و3 گیگاهرتز به ترتیب برابربا 62، 51.6، 24 و 15.5می باشد. فرکانس رزنانس این خازن متغیرنیزبالاتراز10گیگاهرتزمی باشد. پس تا اینجا توانستیم یک خازن با ضریب کیفیت بالا ایجاد نماییم.

 خازن MEMS (ممز)ضریب کیفیت Qباافزایش فرکانس وبدون اعمال ولتاژ www.mktop.ir

هنگامی که میزان ولتاژاعمالی صفرولت باشد،مقدارظرفیت خازن درعمل برابربا0.759pF می باشد، در حالیکه وقتی میزان ولتاژاعمالی برابربا 12.8 ولت باشد مقدارظرفیت اندازه گیری شده برابربا 0.996pFمی باشد، بنابراین نرخ تغییرات ظرفیت خازن برابربا1.31:1می باشد.مشاهده می شود که ولتاژمتوقف کننده (pull-in) برابربا13.5ولت می باشد، که اندکی ازمیزان محاسبه شده بااستفاده از روابط تئوری که برابربا13ولت می باشد، بیشتراست.از مطالب فوق درمی یابیم که بااستفاده ازتکنولوژیMEMS می توان خازن های میکرو الکترومکانیکی با ضریب کیفت بالا ایجاد نمود.باید توجه داشت که محدوده تغییرات ظرفیت این خارن ها کم می باشد که با ایجاد تغییراتی در ساختار معمول خازنها،این نقیصه راتاحدزیادی مرتفع نمود.در ادامه به بررسی یک خازن متغیر با محدوده تغییرات وسیع می پردازیم.

  • خازنهای متغیربا گستره ی تغییرات وسیع :

محدوده تغییرات ظرفیت یک خازن به دلیل پدیده متوقف شوندگی (Pull-in) به50درصد محدود می باشد.نرخ تغییرات ظرفیت خازن درعمل بسیارکمتراز50درصد می باشد که دلیل آن وجود خازنهای پارازیتی می باشد که طبق گزارشها نرخ تغییرات حدود16درصد به دست آمده است.در اینجا به بررسی یک ساختار خاص خواهیم پرداخت،به طوریکه گستره تغییرات را در عمل به چهار برابر مقدار قبل می رساند. این طرح شکل متداول ومرسوم خازن با دوصفحه موازی راحفظ می نماید ،درحالیکه مشکل ومعضل پایین بودن میزان نرخ تغییرات ظرفیت خازن رابرطرف می نماید. ضریب کیفیت این خازن درفرکانس5گیگاهرتز30می باشدوفرکانس رزونانس آن نیزبسیار بالاتر از 5 گیگا هرتزمی باشد.

  • تئوری وطراحی

یک مدل متداول ومرسوم برای خازن هایی بادوصفحه موازی به صورت زیرمی باشد که در آن صفحه فوقانی به صورت متحرک ومعلق دربالای صفحه تحتانی که ثابت شده قرار دارد:

باصرف نظرازاثرات لبه ای یاکناره ای (نشت میدان الکتریکی درلبه ها)، مقدارظرفیت خازن C با استفاده ازرابطه زیرتعیین می گردد که A مسحت مشترک صفحه بالا و پایین می باشد:

حال اگرمیزان جابجایی صفحه متحرک بالایی ازیک سوم فاصله میان دو صفحه فراتررود (x>x0/3)، دوصفحه به دلیل خاصیت غیر خطی نیروی الکترواستاتیکی با یکدیگراتصال برقرارمی نمایند. این پدیده به اثرمتوقف شوندگی(Pull-in Effect) معروف می باشد.میزان ولتاژ  DCمورد نیاز به منظور وقوع این پدیده یا به عبارت بهترپایین آمدن صفحه بالایی به اندازه یک سوم فاصله میان دوصفحه به عنوان ولتاژمتوقف کننده(Pull-In Voltage)تعریف می شود.اثر متوقف کنندگی ماکزیمم درصد تغییرات  قابل کنترل ظرفیت رابرای یک خازن متغیربا دو صفحه موازی به مقدار50 درصدمحدود می نماید.به منظوردستیابی به نرخ (درصد) تغییرات ظرفیت بالاتر،مدل یک خازن متغیرجدید با محدوده تغییرات وسیع درشکل زیرنشان داده شده است:

مدل یک خارن متغیربا دامنه تغییرات وسیع mems www.mktop.ir
مدل یک خارن متغیربا دامنه تغییرات وسیع mems www.mktop.ir

این خازن از سه صفحه به نام هایE1، E2و E3 تشکیل شده است.E1 صفحه متحرک بالایی می باشدکه توسط 4 تیرکه هرکدام ازیک طرف آزاد می باشند، معلق و آویزان نگه داشته می شود. صفحه ثابت  E2با صفحه  E1خازن متغیر را تشکیل می دهد. صفحه ثابت  E3وصفجه متحرکE1 به منظورفراهم نمودن تحریک الکترواستاتیکی برای تغییر فاصله بین صفحه ثابت  E2با صفحه  E1مورداستفاده قرارمی گیرند.هنگامی که ولتاژ DC بین صفحاتE3  و E1اعمال می شود،فاصله میان دوصفحه E2وE1 می کند.با تغییر فاصله بین صفحات E2وE1 ظرفیت خازنی بین این دوصفحه عوض می شود،بنابراین می توان با تغییر میزان ولتاژ DC اعمالی بین صفحاتE3  و E1ظرفیت خازن را روی مقدار دلخواه تنظیم نمود. فاصله هوایی بین دوصفحه  E2وE1 (d1) طوری طراحی می گردد که اندازه آن بسیارکمترازفاصله هوایی میان صفحات E1وE3 (d2) باشد.فواصل  d2وd1 تحت کنترل ما بوده ودرهنگام ساخت خازن می توان آنهاراتغییرداد.برای بررسی ساختار فوق از لحاظ محدوده تغییرات در ابتدا باید رابطه ای را برای محدوده رنج تغییرات تعریف کرد T بیانگر گستره تغییرات می باشد و از رابطه زیر محاسبه می شود:

حال فرض می کنیم در ساختار فوق صفحه بالایی ( (E1تحت  تأثیر ولتاژ اعمالی به اندازه  x پایین می آید،محدوده تغییرات ظرفیت خازن ازرابطه زیرمحاسبه  می شود:

دراینجا با توجه به اندازه های d1 و  d2دو حالت می تواند بوجود آید که ما در اینجامحدوده تغییرات خازن را برای دو حالت بدست می آوریم:

1.اگرفاصله d1 ازیک سوم فاصله هوایی d2 بزرگتر باشد (d1>d2/3):

در این حالت پدیده متوقف کنندگی سبب محدود شدن گستره تغییرات ظرفیت خازن می شود. ماکزیمم نرخ تغییردرظرفیت خازن با جایگذاری مقدار d2/3 به جای X در رابطه بالا به صورت زیر به دست می آید:

  1. اگرفاصله هواییd1 ازیک سوم فاصله هوایی d2 کوچکتریا مساوی باشد (d1<=d2/3).

ماکزیمم فاصله پایین آمدن صفحه E1برابربا d1 می باشد، به عبارت دیگر پدیده متوقف کنندگی (Pull-in Effect ) اتفاق نخواهد افتاد و محدوده تغییر برای صفحه بالایی کل فاصله d1 می باشد.حال گستره تغییرات خازن را دراین ساختاربدست می آوریم،برای این مطلب فرض می نماییم که صفحه متحرک به میزانی جابجا گردد که فاصله میان دوصفحه E1 وE2  بسیارناچیز شود (x=d1-ε)، بنابراین طبق رابطه زیربرای ماکزیمم گستره تغییرات ظرفیت خازن خواهیم داشت:

ازنقطه نظرروابط تئوری ،به هرمیزان که بخواهیم می توانیم محدوده تغییرات ظرفیت خازن رامحقق سازیم،درحالیکه درعمل محدوده تغییرات ظرفیت خازن توسط محدودیت های پروسه ساخت محدود می شوند،که این محدودیتهاعبارتند از:

  1. ناهمواریهای سطح.

  2. خمیدگی وانحنای صفحات E1و E2.

  3. ولتاژ اعمالی به صفحات E1 و E2 جهت تشکیل خازن.

  1. پروسه ساخت خازن :

پروسه ساخت شامل مراحل مختلفی می باشد که در ادامه به بررسی آنها می پردازیم.

1. برای ساخت این خازن از بستری(Substrate) ازجنس شیشه (Glass) به ضخامت 1 میلی متر استفاده می نماییم.دراینجا d1=2μm و اندازه d2=3μm می باشد.در مرحله اول یک لایه از طلا به ضخامت 0.5μm را با روش تبخیر گرمایی (Thermal Evaporation) را بر روی بستر ایجاد می کنیم.سپس الگوی دو صفحه ثابت E2 وE3 وکنتاکت های اتصال برای صفحه E1 را بر روی لایه طلا مطابق شکل زیر ایجاد می نماییم.

mems capasitor
mems capasitor

2. در اینجا از مس (Copper) به عنوان لایه قربانی استفاده می نماییم.به منظورایجادلایه قربانی از روش تبخیر گرمایی (Thermal Evaporation) استفاده می کنیم.در مرحله اول یک لایه به ضخامت 1μm از جنس مس را نشانده،ساختاری مطابق شکل زیر ایجاد می کنیم :

mems capasitor
mems capasitor

3. حال با انتقال الگوی مورد نظر بر روی شکل فوق،ساختاری مطابق شکل زیررا خواهیم داشت :

mems capasitor
mems capasitor

4. در مرحله بعد باز هم 2μm از فلز مس را با روش تبخیر گرمایی بر روی لایه قربانی می نشانیم تا شکلی مطابق زیرحاصل شود :

mems capasitor
mems capasitor

5. در این مرحله یک لایه 2μm از فلز پرمالوى را برای تشکیل صفحه E1 می نشانیم،برای ایجاد این لایه از روش آبکاری (electroplating) استفاده می نماییم به طوری که بعد از ایجاد لایه پرمالوی ساختاری مطابق شکل زیر راخواهیم داشت :

mems capasitor
mems capasitor

6. در این مرحله باید لایه قربانی را از بین ببریم.برای این منظور از محلولی استفاده می کنیم که خوردگی مس در در آن نسبت به ساختار بسیار بیشتر باشد.این محلول از مواد HAC : H2O2 : H2O =1:1:10)) تشکیل شده است که بعد از خارج کردن ساختارازمحلول موردنظر،شکل زیر حاصل می شود:

mems capasitor
mems capasitor

در ادامه به بررسی نتایج شبیه سازی و هم چنین آزمایشگاهی می پردازیم.شکل زیر یک نمونه ساخته شده ازاین ساختار نمایش داده شده است.همانطور که مشاهده می کنیم خمیدگی در صفحه بالایی دیده نمی شود.

با توجه به اندازه ها ی در نظر گرفته شده برای d1 و d2 مقدارگستره تغییرات توسط اثر متوقف کنندگی بین دو صفحه E1 و E3  محدود می شود و بیشترین میزان تغییرات از لحاظ تئوری برابر 100% می باشد.

در  اینجا برای شبیه سازی از نرم افزار MEMSCAD استفاده شده است. در شکل- 34  مقدار نتیجه شبیه سازی و نتایج عملی به ازای مواد مختلف نشان داده شده است.همانگونه که مشاهده می فرمایید با استفاده از شبیه ساز بیشترین میزان گستره ی تغییرات برابر 90.8% می باشد که تفاوت آن با مقدار تئوری به دلیل وجود خازنهای پارازیتی می باشد.

نمودار خازن MEMS - ولتاژ وتغییرات دیافراگم با نرم افزر MEMSCAD www.mktop.ir
نمودار خازن MEMS – ولتاژ وتغییرات دیافراگم با نرم افزر MEMSCAD www.mktop.ir

همانطور که مشاهده می کنیم ولتاژ متوقف کنندگی که از شبیه سازی حاصل می شود برابر با 19 ولت است که با نتایج عملی اندکی اختلاف دارد..    نکته قابل توجه در شکل فوق وجود منحنی هیسترزیس می باشد که با عث می شود وقتی ولتاژ از 0ولت  به 20ولت می رود مقدار ولتاژ متوقف کنندگی(Pull-In Voltage) برابر 17.2 ولت شود و وقتی که ولتاژ از 20ولت به 0 ولت می رود مقدار ولتاژ متوقف کنندگی برابربا 15.8 ولت می شود. شاید بتوان آن را اینگونه توجیه نمود که در حالت اول وقتی که ولتاژ از صفر ولت شروع به افزایش می کند،ولتاژ بلید آنقدر زیاد شود تا نیروی الکترواستاتیکی بتواند بر نیروی کشش حاصل از بازوها غلبه نماید،به عبارت دیگر نیروی الکترواستاتیکی باید بزرگتر از نیروی کششی بازوها باشد.ولی در حالتی که ولتاژ از 20 ولت شروع به کاهش می کند،نیروی الکترواستاتیکی باید آنقدر کاهش یابد تا نیروی کشش بازوها بتواند بر نیروی الکترواستاتیکی غلبه کند واین موضوع باعث ایجاد منحنی هیسترزیس می شود.

و نکته دیگر که باید به آن توجه نمود این است که در عمل وقتی متوقف کنندگی اتفاق می افتد، فاصله d1 به جای صفر بر روی مقدار  0.6μm ثابت می شود،که این به معنای آن است که صفحه بالایی به طور کامل با صفحه پایینی در تماس قرار نمی گیرد،دلیل این امرآن است که ما در اندازه گیری ها فقط مرکز دیافراگم را در نظر می گیریم،در صورتی که وقتی متوقف کنندگی رخ می دهد لبه ها مقداری کج می شوند و قبل از اینکه مرکز صفحه به طور کامل پایین بیاید لبه ها به صفحه پایینی می رسند و باعث می شوند که قبل از اینکه مرکز به صفحه پایینی برسد،متوقف کنندگی رخ دهد.در شکل سه بعدی زیر که از نمونه ساخته شده این ساختار تهیه شده است،مشاهده می شود وقتی ولتاژ dc به ساختار اعمال می شودبه صورت نامتقارن تغییر شکل خواهیم داشت.

نمودار خازن MEMS – اعمال ولتاژ 0- 16 ولت با نرم افزر MEMSCAD www.mktop.ir

این عدم تقارن به دلیل محدودیت تکنولوژی ساخت و عدم یکسانی سختی ایجاد می شود و از طرفی باعث کاهش محدوده تغییرات می شود .برای رفع این عیب سعی می شود ابعاد را کوچکتر کنند تا این عدم تقارن تاثیر گذاری کمتری داشته باشد.ولی باید توجه داشت که کوچک شدن باعث کاهش ظرفیت خازن می شود که باهدف افزایش ظرفیت خازن در تقابل است.برای رفع این مشکل ایده استفاده از آرایه خازنی به وجود آمد تا هم محدودیتهای تکنولوژی ساخت را برطرف نموده و هم مقدار ظرفیت خازن را افزایش دهد.در شکل زیر یک نمونه ساخته شده از این آرایه خازنی را مشاهده می کنیم.

ارایه خازن mems www.mktop.ir
ارایه خازن mems www.mktop.ir

تا اینجا توانستیم در عمل به گستره تغییرات 70% دست پیدا کنیم،ولی این مقدار پایان کار نبود و با ورود خازنهای شانه ای تحولی عظیم درمحدوده تغییرات ظرفیت خازن ایجاد شد که در ادامه به بررسی آن می پردازیم.

  • خازنهای شانه ای Comb Capacitors))

در این قسمت به معرفی یک نمونه از خازنهای میکروالکترومکانیکی که به عنوان خازنهای شانه ای شناخته می شوند،می پردازیم. تفاوت این ساختار با ساختار قبل در شکل ظاهری و نحوه تغییر مقدار ظرفیت خازن می باشد،به طوری که در ساختارهای قبل برای تغییرمیزان ظرفیت خازن فاصله بین دو صفحه را تغییر می دادند ولی در اینجا برای تغییر ظرفیت خازن مقدار مساحت مشترک دو صفحه را تغییر می دهند.در شکل زیر یک نمونه از این خازنها را مشاهده می فرمایید.

خازن شانه ای MEMS - با شانه هایی به ارتفاع80میکرومتروضخامت2میکرومتر www.mktop.ir
خازن شانه ای MEMS – با شانه هایی به ارتفاع80میکرومتروضخامت2میکرومتر www.mktop.ir

این نوع خازنها علاوه بر دارا بودن گستره تغییرات ظرفیت بالا، دارای ضریب کیفیت بالایی نیزمی باشند.به طوری که برای نمونه ساخته شده فوق میزان ضریب کیفیت برای فرکانس 2 گیگا هرتز بالای 36 می باشد که این مشخصه ها و ویژگی ها،خازنهای مربوطه را برای کاربردهای فرکانس بالا مناسب می گرداند.

پروسه ساخت خازن

برای ساخت یک SOI (Silicon On Insulator) در ابتدا یک بستر مناسب انتخاب نموده و سپس یک لایه ازماده ایزوله کننده را بر روی آن نشانده و سپس بر روی لایه ایزوله کننده سیلیکون را ایجاد می نماییم.در ادامه مراحل ساخت این نوع خازن را شرح می دهیم :
• در ابتدا 2μm ارفلزآلومینیم بااستفاده از،روش لایه نشانی با بخارشیمیایی(Evaporation) ،رامی نشانیم.سپس الگوی مناسب را بر روی آن انتقال داده وبااستفاده ازروش زدایش(خوردگی) با تابش یون (Reactive Ion Etching) الگوی مورد نظر را برروی آن ایجاد می کنیم تا شکل زیر حاصل شود:

   • در این مرحله SOI توسط ماده اپکسی (Epoxy) به ویفر حامل (Carrier Wafer) متصل (Bond) می شود و شکل زیر را ایجاد می کند.

• سپس در این مرحله ویفر حامل و اکسید روی سیلیکون (Device Layer) را از بین می بریم و 2μm ازفلزمربوطه را بر روی سیلیکون (Device Layer) مطابق شکل زیرمی نشانیم:

• در این مرحله برای الگو دادن به آلومینیم و سیلیکون از یک ماسک استفاده نموده وبه همین منظوراز روش پلاسما بهره می گیریم.ساختار به شکل زیر در می آید:

• در آخرین مرحله ساختار را در محلول مناسب به منظوراز بین بردن لایه اپکسی رها می کنند. پس از بین رفتن لایه اپکسی شکل زیر ظاهر می شود:

در شکل زیر یک نمونه ساخته شده ازآن ارائه شده است که ارتفاع هر یک از شانه ها برابر با 80μm می باشد.

خازن شانه ای MEMS با میکروسکوپ SEM www.mktop.ir

بعد از اینکه ساختار ایجادگردید،در شانه ها حدود 4.5μm خمیدگی (بیرون زدگی) وجود داشت.برای رفع این موضوع حدود 0.1μm از فلز پاریلن (Parylene) را بر روی ساختار با روش Sputtering  (الکترون پراکنی) می نشانیم.با این کار این خمیدگی ها به .2μm0 کاهش پیدا کرد. از طرف دیگر اضافه کردن یک لایه فلز باعث می شود که مقاومت خازن کاهش پیدا کند.لازم به ذکراست که کاهش مقاومت باعث افزایش ضریب کیفیت (Q) می شود.ولی باید توجه داشت که اضافه کردن یک لایه فلز بر روی سیلیکون باعث افزایش ثابت سختی قسمت متحرک می شود که این افزایش سختی خود منجر به افزایش ولتاژ متوقف کنندگی می شود.در ادامه به بررسی  نتایج آزمایشات انجام شده برروی این نوع خازن می پردازیم.

در ابتدا برای ساختن این طرح ارتفاع شانه ها برابر با 80μm بود که با این میزان ارتفاع محدوده تغییرات برابر با 740% شد.ولی در اینجا یکی از عوامل محدود کننده ناصافی موجود در هر یک از شانه هاست که آن هم به دلیل ارتفاع زیاد نسبت به ضخامت هر یک از شانه ها می باشد.برای رفع این معضل،ارتفاع شانه ها را به 40μm کاهش می دهیم،در این صورت سختی هر یک از شانه ها بیشترشده ومیزان ناصافی ها کمتر می گردد.در نتیجه محدود تغییرات خازن افزایش پیدا می کند.از طرف دیگر با کاهش ارتفاع شانه ها میزان تاثیر خازن ها پارازیتی کاهش پیدا می کند. نمودار شکل زیر مقدار ظرفیت خازن را بر حسب ولتاژ اعمالی نشان می دهد.ملاحظه می کنیم که با کاهش ارتفاع شانه ها میزان گستره تغییرات به 84% رسیده است که …..

 

امید داریم تا اینجای مطلب مورد توجه شما قرار گرفته باشد. جهت دریافت ادامه مطلب  به صورت کامل  WORD + PDF  به لینک دریافت زیر مراجعه نمایید.

 

برای دریافت pdf + word بر روی کلیدزیر ،کلیک نمایید . 

قیمت: 15000تومان

25000 تومان خريد

 

۱۶ دیدگاه. بیرون رفتن و ثبت نظرجدید

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.

Fill out this field
Fill out this field
لطفاً یک نشانی ایمیل معتبر بنویسید.
برای ادامه، شما باید با این شرایط موافقت کنید

پنج × دو =