طراحی و محاسبات ساخت سلف با تکنولوژی MEMS سمینار کارشناسی ارشد

در  ابن بخش طراحی  و محاسبات ساخت سلف با تکنولوژی MEMS مورد بررسی قرار میگرد. از این مطلب میتوانید در پایان نامه و مقاله سمینار و … خود استفاده بنمایید.

همچنین به طور اختصاصی این سایت برای این تحقیق به صورت کامل نحوه شبیه سازی سلف MEMS   از نوع SPIRAL در نرم افزار  شبیه ساز  عناصر MEMS به نام ADS (Advanced Design System)  آموزش داده شده است.

هشدار : دیده شده برخی سایتها مطالب این محاسبات را از اینجا کپی کرده و به صورت ناقص و غیر کامل در اختیار قرار میدهند. ما هیچ مسئولیتی در قبال آن ها نداریم.

مقدمه

با پیشرفت تکنولوژی و ارائه طرحهای مدرن در صنعت مخابرات، ادوات پسیو مانند سلف و خازن نقش مهمی را دردنیای الکترونیک ایفا می کنند. استفاده سلف ها در اسیلاتورهای LC به عنوان هسته اصلی مدارات فرستنده گیرنده نقشی حیاتی است.مقدار اندوکتانس و ضریب کیفیتQ، دو پارامتر بسیار مهم در سلف هاست.به دلیل مقدار اندوکتانس و ضریب کیفیت Q پایین، تلفات مقاومتی بالا و فرکانس مرکزی پایین، استفاده از تکنولوژی MEMS به جای ترکیباتp-n در طراحی سلف ها گزارش شده است که نتایج، حاکی از بهبود کارایی آن نیز می باشد.

 

طراحی سلف mems www.mktop.ir

در فرکانسهای بالا ترکیبات مغناطیسی به شدت جریان eddy و تلفات هیستریزیس در هسته مغناطیسی را افزایش می­دهد. تکنیکهای MEMS چندین روش مختلف برای بهبود عملکرد سلف در فرکانسهای بالا ارائه می­دهد. هسته مغناطیسی و هادی ها با ضخامت و پهنای مطلوب می تواند به خوبی کارایی یک سلف را کنترل کند. این مورد در مجموع باعث تأخیر در انتقال سیگنال می­شود. همچنین به دلیل اثرات القایی و خازنی، نویز نیز می­تواند تولید شود. بنابراین ارائه یک مدل برای سلف که به شدت متأثر از پهنا، طول و ضخامت هادی می باشد کار ساده ای نیست.در ادامه به بررسی انواع سلف ها که در مدارهایRF  ارائه شده می پردازیم.

Introduction

An inductor is a circuit component which is capable of producing voltage across its terminals in response to a changing current flowing through it. As in the case of capacitors, which store electric energy, inductors store magnetic energy. Inductors play an important role in RF ICs. In particular, a high-Q (Quality) inductor is a key element for high performance RF ICs such as a voltage controlled oscillator (VCO), power amplifier (PA), LC tank and DC-DC converters [2]. In recent years, the demands for micromachined inductors on “a chip” which have high inductance and Q factor, small size and weight, reliability, low power consumption and phase noise have been greatly. Magnetic cores and conductors with desired thickness and width with good dimensional control could be realized using MEMS technology. Three types of micromachined inductive components with closed magnetic circuits, spiral type, solenoid type, toroidal-meander-type inductor. Among them, spiral inductors [1-2] are commonly used due to their relative ease in design layout and fabrication process. The Q-factor is an important characteristic for inductors. The energy dissipation in inductors depends on the Q-factor of inductors. As the Q-factor of inductors increases, the energy dissipation in inductors decreases. To design a high-Q inductor, the loss mechanism should be investigated.

سلفهای ساخته شده با تکنولوژی MEMS

یک سلف مداری است که قابلیت تولید ولتاژ دو سر خود، با واکنش به جریان گذرنده از خود را دارد. بطوریکه در خازن، انرژی الکتریکی ذخیره می شود،سلف ذخیره کننده انرژی مغناطیسی می باشد. در واقع ولتاژ، نتیجه القای مغناطیسی در سلف می باشد. تغییر در جریان باعث تغییر در میدان مغناطیسی شده و آن نیز یک نیروی الکتریکی را سبب می شود.سلفها معمولااز یک هسته و سیم تشکیل شده­اند که بصورت دایره­ای یا مارپیچ می باشند. پیچشهادر سلف برای بهبودی شار مغناطیسی و افزایش اندوکتانس در یک فضای کوچک نیاز می باشند. در کل، سیمها در یک مدار به سه روش روی ادوات موثر می باشند.

الف)سیمها خاصیت خازنی به مدار اضافه می­کنند. ب) سیم­ها بدلیل خاصیت سلفی و خازنی و مقاومتی باعث تأخیر در سیگنالها می­شوند. ج)بدلیل خاصیت خازنی و سلفی در تزویج سیمهای مختلف، نویز به مدار اضافه می کنند.

یک سیم در هر مدار RF دارای سه مشخصه می باشد:  مقاومت –خازن – اندوکتانس

هر تغییر در جریان مدار باعث تغییر در میدان مغناطیسی می شود. براساس قانون فارادی هر تغییر در میدان مغناطیسی میدان الکتریکی راتحریک می کند و از قانون لنز این تحریک در میدان الکتریکی همواره با تغییر در جریان مخالفت میکند.

در یک اِلمان  پسیو ایده ال، مقدار اندوکتانس و فاز آن در هر فرکانسی ثابت بوده و تغییر نخواهد کرد. اما در واقع مقدار المان غیر ایده­ال با  فرکانس تغییر خواهد کرد. بطوریکه به عنوان یک نمونه در شکل مشاهده می­شود ناحیهI  ، ناحیه مفید برای یک  القاگر می باشد زیرا دارای مقدار اندوکتانس ثابت با تغییر در فرکانس می­باشد. ناحیهII  مقدار اندوکتانس افزایش می یابد اما افزایش فرکانس منجر به تغییر ناگهانی اندوکتانس و تبدیل خاصیت سلفی به خازنی میشود. در ناحیه عبور از خاصیت سلفی به خازنی اولین فرکانس رزونانس اتفاق می­افتد که می بایست از این ناحیه دوری کرد.

 

اندوکتانس خودی و اندوکتانس متقابل:

 بطوریکه در شکل نشان داده شده است تغییر در جریان هسته  A ،میدان مغناطیسی هسته A را تغییر خواهد داد که اثر آن تولید یک ولتاژ در هستهB می باشد. نیروی الکتریکی ناشی از تغییر جریان مدار AدرسمتBبا تغییر شار مغناطیسی متناسب است. تولید پایدار ولتاژکه با میدان مغناطیسی مخالفت می کند اساس کار یک ترانسورماتور می- باشد.

تغییر جریان در یک هسته، بر روی جریان و ولتاژ هسته دیگر تأثیر می­گذارد که به این اثر القای متقابل گویند. تولید این نیروی الکتریکی با قانون فارادی تشریح می شود که همواره با تغییرمیدان مغناطیسی تولید شده توسط هسته تزویج مخالفت می­کند. تغییر در جریان هسته یک نیروی الکتریکی ایجاد می­کند که شار مغناطیسی خود هسته را نیز تغییر می­دهد و باعث ایجاد یک میدان مغناطیسی تولید شده توسط خود هسته می­شود که این اثر را القای خودی گویند.

در مورد اندوکتانس یک سلفSpiral، اندوکتانس کل برابر مجموع اندوکتانس خودی به اضافه اندوکتانس القایی است. برای مثال در شکل اندوکتانس القایی بین قسمت  a وeبه علت عبورجریان ازآن دو قسمت است که در فرکانس و فاز ثابت می­توان آنها رابا هم جمع کرد.اگر بخواهیم یک الگوریتم برای شکل بیابیم تمام خطوط موازی دارای القای متقابل بوده در نتیجه اندوکتانس متقابل برای این سلف مجموع اندوکتانس متقابل بین تمام خطوط موازی است، بنابراین اندوکتانس کل برای این مدار برابر است با فرمول زیر بطوریکه L_Tاندوکتانس کل، L₀جمع تمام اندوکتانس خودی و Mنیز جمع تمام القای متقابل در مدار می باشد.

 

  مدلسازی سلف:

 از آنجایی که سلفهای معرفی شده در این تحقیق دارای تعداد دور های محدود در ساختارشان هستند و از طرفی همه این ساختارها دارای ویژگیهایی مشترک می باشند میتوان از مدار معادلی برای یک دور تمام سلف ها استفاده کرد.

در واقع تفاوتها در مقدار پارامترهای این مدار معادل تاثیر داده می شود و برای ساختارهای مختلف می توان از روابط غیر خطی برای المان های آورده شده در مدار معادل استفاده کرد. مدار معادل معرفی شده برای این گونه از سلف ها با نام مدار معادل π عنوان می شود. شکل 3  این مدار معادل را نشان می دهد.

در این مدار  و  ، اندوکتانس و مقاومت اهمی مربوط به لایه سلف در فرکانس های پایین ،  و  مدل خازن بین لایه سلف و بستر،  خازن تشکیل شده بین دورهای مختلف سلف است،  ، ، و  مدل مقاومت و خازن ایجاد شده از لایه بستر می باشند.

برای تحلیل مدل الکتریکی مربوط به یک دور از سلف و بدست آوردن پاسخ فرکانسی مربوط به این ساختار یک طرف سلف را زمین قرار می دهیم و امپدانس را از سر دیگر سلف بدست می آوریم.

 

در فرکانسهای پایین باتوجه به مقادیر نوعی ایکه برای خازنهای پارازیتی و مقاومت مربوط به بستر بدست می آید میتوان از اثر آنها در مدار معادل صرفنظر کرد. پس در فرکانس های پایین مدار معادل شامل مقاومت و سلف سری می باشد که امپدانس معادل در اینصورت برابر خواهد شد با فرمول بالا و اما در فرکانسهای بالا این خازنها و مقاومتهای پارازیتی قابل صرف نظر نیستند و در رابطه امپدانس ورودی ظاهر میشود. در نهایت با رسم این روابط و در حالت دقیق تر با بدست آوردن امپدانس ورودی مدار معادل πنمودار های اندازه و فاز امپدانس بصورت شکل 5 و 6 خواهد شد. البته این نمودارها برای یک سری از مقادیر نوعی المانهای مدار معادل رسم شده اند.

 

دو معیار برای در نظر گرفتن امپدانس سلفی برای مدار معادل بیان شده وجود دارد. اول اینکه اگر از ساختار بررسی شده اندوکتانسی ثابت در نظر داشته باشیم با توجه به نمودارهای نشان داده شده ساختار سلف تحلیل شده تا 50 % فرکانس رزونانس می تواند برای این منظور قابل قبول باشد. اما اگر فاز 90 در جه را از ساختار انتظار داشته باشیم بازه فرکانسی قابل قبول برای این منظور به 85% فرکانس رزونانس افزایش می یابد.

2-3- ضریب کیفیت سلف:

طبق اطلاعاتی که از درسهای قبل داریم، ضریب کیفیت برای هر مدار به این صورت تعریف می شود که نسبت انرژی ذخیره شده در مدار به انرژی تلف شده در آن ضریب کیفیت مدار را مشخص می کند. برای سلفها نیز این تعریف بصورت معادل اینطور خواهد شد: نسبت تفاضل انرژی ذخیره شده بصورت مغناطیسی و انرژی الکتریکی به انرژی تلف شده در ساختار سلف. طبق این تعریف رابطه ضریب کیفیت بصورت زیر خواهد شد.

در فرکانسهای بالا استفاده از پارامتر های پراکندگی مرسوم است که رابطه ضریب کیفیت از شکل کلی زیر پیروی می کند,با رسم این روابط برای مدار معادل گفته شده ضریب کیفیت دارای شکل کلی زیر خواهد شد:

 

 در فرکانسهای بالا استفاده از پارامتر های پراکندگی مرسوم است که رابطه ضریب کیفیت از شکل کلی زیر پیروی می کند و با رسم این روابط برای مدار معادل گفته شده ضریب کیفیت دارای شکل کلی زیر خواهد شد.

 -3-1- تاثیر مقاومت اهمی روی ضریب کیفیت سلف:

از آنجایی که مقاومت المان تلف کننده انرژی دز مدارهاست و در واقع میزان تلفات در ندار ها با مقاومتهای اهمی در قسمتهای مختلف مدار معادل مدل می شود روشن است که با افزایش این پارامتر ضریب کیفیت کاهش پیدا می کند. اما مقدار مقاومتهای مدل شده در مدار معادل ساختار سلف مقاومتهایی فرکانسی اند به این معنی که با افزایش فرکانس و ایجاد جریانهای پوستی مقاومت معادل ساختار افزایش می یابد و این افزایش با تحلیل الکترومغناطیسی ساختار نشان می دهد که رابطه بین مقاومت و فرکانس بصورنی است که با افزایش فرکانس مقاومت با جذر فرکانس افزایش می یابد.

به همین دلیل با افزایش فرکانی که مقدار سلف افزایش پیدا می کند مقدار انرژی مغناطیسی ذخیره شده در ساختار سلف افزایش می یابد اما از طرفی افزایش مقاومت اهمی این مقدار انرژی را کم می کند و در نهایت برایند این تغییرات به کاهش ضریب کیفیت می انجامد. مطابق شکل زیر.

 تاثیر خازنهای پارازیتی ساختار روی ضریب کیفیت سلف:

همانند تاثیراتی که اقزایش مقدار مقاومت در ساختار سلف بهمراه دارد، افزایش مقدار هازنهای پارازیتی نیز ضریب کیفیت را کاهش می دهد. تاثیر خازن روی ضریب کیفیت به این صورت است که با افزایش مقدار خازن مقدار انرژی ذخیره شده بصورت الکتریکی در ساختار سلف افزایش می یابد و این افزایش به کاهش مقدار انرژی مغناطیسی ذخیره شده در سلف منجر می شود. علاوه بر این تاثیر روی ضریب کیفیت با توجه به رابطه تقریبی فرکانس رزونانس برای مدار معادل مورد نظر مشخص است که بر خلاف تاثیر مقاومت روی مقدار فرکانس رزونانس با افزایش مقدار خازن فرکانس رزونانس کاهش می یابد.

– مکانیزم تلفات در سلفها :

در مورد سلفهای ساخته شده با تکنولوژی MEMS مهمترین فاکتور ضریب کیفیت است و از آنجایی که تلفات در این گونه از سلفها یکی از عوامل کم کننده ضریب کیفیت اند دارای اهمیت خاص میشوند. همانطور که از مدار معادل π سلفها نیز مشخص است تلفات در ساختار

سلفهای MEMS با دو مکانیزم ایجاد می شود.

     رسانایی محدود سلف : 

یکی از عواملی که در ساختار فیزیکی سلفها موجب کم کردن سطح انرژی مغناطیسی ذخیره شده در ساختار سلف می شود رسانایی محدودی است که لایه ایجاد کننده سلف از خود نشان می دهد و در مدار معادل π این نوع از سلفها با مقاومت R_s مدل می شود. این مقاومت با توجه به اینکه در مسیر مستقیم عبور جریان قرار دارد نقش بسیار موثری در تعیین ضریب کیفیت سلف دارد و از آنجایی که اثر پوستی در مورد ساختار سلف مورد مطالعه از جمله پارامتر هایی است که مورد توجه قرار می گیرد، بحث مربوط کننده مقاومت و فرکانس می باشد.

عمق پوستی چیست؟ عمق پوستی معیار و اندازه ای است که نشان می دهد رسانایی الکتریکی تا چه عمقی از فلز وجود داشته و تابعی از فرکانس کاری است. در DC (فرکانس صفر) تمامی رسانا مورد استفاده قرار می گیرد. اهمیتی ندارد که ضخامت فلز چقدر است. اگر شما سطح مقطع یک سیم را دو برابر کنید، مقاومت DC در واحد طول نصف خواهد شد، همان طور که از قانون اهم انتظار داریم. در فرکانس های RF، رسانایی فلزات هر چه در عمق فلز پیش می رویم غیر خطی (در واقع نمایی منفی) است. به همین دلیل مقدار رسانایی دارای محدودیت خواهد بود. و افزایش ضخامت فلز به منظور کاهش تلفات، خرج بی فایده پول خواهد بود. 

یکی از مباحثی که درک درستی از آن وجود ندارد این است که تصور می شود جریان RF بر روی تمامی سطوح رسانا حرکت می کند. جریان بر روی سحطی حرکت می کند که در مجاورت محیط انتشار امواج الکترومغناطیسی باشد. با توجه به شکل نشان داده شده در زیر، سطح مقطع یک مایکرواستریپ، جریان در سطح زیرین خط مایکرواستریپ ماکزیمم است. به همین دلیل است که اولین فلز برای رسانایی در مایکرواستریپ اهمیت دارد. لطفا توجه داشته باشید که در موجبرها خلاف این امر صادق است. در موجبرها جنس فلز زیرین اهمیتی ندارد، بلکه فلزی که آبکاری می شود مورد توجه است. توجه داشته باشید که امواجی بالای خط مایکرواستریپ نیز وجود دارند، ولی شدت و چگالی اندکی دارند.معادله عمق پوستی: معادله معروف عمق پوستی در زیر آورده شده است. توجه داشته باشید که عمق پوستی تابعی از سه متغیر فرکانس، رسانایی و گذردهی مغناطیسی است.

 رساناها بدون اینکه بر روی تلفات مدار تاثیری داشته باشد با افزایش فرکانس نازکتر می شوند. زیرا عمق پوستی با افزایش فرکانس کاهش می یابد. بنابراین آبکاری 150 میکرواینچی بر روی آلومینیوم در باند ایکس (X) را می توان با ضخامت نصف نیز استفاده کرد، بدون اینکه کارایی را کاهش دهد ولی هزینه صرفه جویی می گردد. به طور کلی همیشه ضخامت فلز را حداقل پنج برابر عمق پوستی در نظر میگرند. با این کار 99% از اکترون ها به راحتی به انجام وظیفه ی خود می پردازند. 

پس اثر پوستی از آنجا ناشی می شود که در فرکانسهای بالا با توجه به مطالعه میدانهای الکتریکی و مغناطیسی در ساختار مواد مختلف اثبات می شود که جریان در فرکانسهای بالا بتدریج به سمت پوسته هادی حرکت می کند و از آنجایی که در این صورت سطح کمتری را در مقابل خود می بیند، مقاومت بیشتری از خود نشان می دهد و با افزایش فرکانس ضریب کیفیت را کاهش می دهد.

در این رابطه   مقاومت در واحد طول،  رسانایی ویژه ماده،  عرض دورهای سلف و  عمق پوستی ماده مورد نظر است. رابطه عمق پوستی و فرکانس نیز بصورت زیر است.

 

این مطلب تا 70 صفحه  به صورت کاملا تخصصی ادامه دارد و همچنین به مراحل کامل شبیه سازی یک سلف Spiral را با استفاده از شبیه ساز ADS (Advanced Design System)  پرداخته میگردد.ابعاد سلف ممز اسپیرال در نرم افزار ADS به صورت زیر در نظر گرفته میگردد.

 به روش های لایه گزاری جهت ساخت عنصر سلف ممز در نرم افزار و روش انتخاب ماده و مش بندی و نحوه انتخاب بازه فرکانسی جهت پاسخ فرکانسی صحیح برای شبیه سازی  سلف ممز اسپیرال صحبت میگردد .  نمودار های خروجی تحلیل میگردد.  و شبیه سازی نهاییی  بدست آورده شده و نحوه بدست اوردن این شماتیک  توضیح داده میگردد . و همچنین نوع مواد مصرفی در لایه گذای در ADS را برای این شبیه سازی  بیان میکند. در تصویر زیر به صورت مختصر  به شماتیک مداری خروجی و نحوه تنظیمات توضیح داده شده است و….

امید داریم تا اینجای مطلب مورد توجه شما قرار گرفته باشد. جهت دریافت ادامه مطلب ،روشها و فرمولهای مربوطه و رفرنس ها و پاورقی ها … به صورت کامل  WORD + PDF  به لینک دریافت زیر مراجعه نمایید. این مطلب بر اساس سیستم پایان نامه نویسی میباشد.

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

قیمت: 20000تومان