معرفی انواع ساختار های سلف ممز, شبیه سازی سلف MEMS به وسیله نرم افزار ADS

مقاله کامل در مورد معرفی انواع ساختار های سلف ممز, شبیه سازی سلف MEMS به وسیله نرم افزار ADS. از این مطلب میتوانید در پایان نامه و مقاله سمینار و … خود استفاده بنمایید.

مقدمه :

در این مقاله ابتدا به معرفی انواع سلف هایی که در ساختار MEMS میتوان تعریف کرد ، پرداخته شده و سپس به پارامتر های اثر گذار در طراحی این نوع ساختار ها پرداخته میگردد. همچنین به ساختار هندسی های مختلف پیشنهادی در ساخت سلف های MEMS میپردازیم و هر کدام را جداگانه مورد بررسی قرار میدهیم. همچون ضریب کیفیت ، نویز، ساختار هندسی ، جنس لایه ها، اثر جریان، اثر تعداد دور ، اثر طول سلف، اثر ضخامت فلز ،اثر ضخامت هادی، اثر فاصله هوایی، اثرات مقاومت ویژه زیر لایه و …. پرداخته میشود. در ادامه به تفاوت های ساختاری و مقایسه انواع سلف MEMS میپردازیم.  سپس به ساختار پیشنهادی پرداخته و مدلی از سلف MEMS پیشنهاد میگردد.و به کاربرد سلف در فیلتر ها و ساخت فیلتر MEMS میپردازیم. و در نرم افزار  Advanced Design System (ADS) شبیه سازی سلف MEMS را انجام میدهیم و با بررسی ابعاد ساختار و مشخصات فیزیکی (مثل ضریب گذردهی الکتریکی، ضریب گذردهی مغناطیسی و رسانایی) لایه های انتخابی ،  نمودار های خروجی را بررسی مینماییم.

انواع سلف های ساخته شده با تکنولوژی MEMS :

انواع سلفهایی که در حوزه طراحی های RF MEMS جای می گیرند عبارتند از:سلف Meander -سلف Spiral-سلف Solenoid-سلف Toroidal .برای تحلیل تئوری تمام این ساختارها می توان از مدار معادل π مربوط به یک دور استفاده کرد. برای کامل شدن مدل الکتریکی این سلفها باید شارهای پیوندی را نیز در نظر گرفت که در هر ساختار قابل بدست آوردن است. اما شکل سلفهای نام برده شده بصورت زیر است:

 سلف Meander :

 یکی از سلفهایMEMS که دارای پیاده سازی ساده­ای نیز می باشد سلفMeanderمی باشد. در این ساختار بدلیل القای متقابل منفی مقدار اندوکتانس پایین می باشد.یکی از مشکلات اصلی در رسیدن به تحرک مغناطیسی پیاده سازی هسته سه بعدی از نوع سولونوئیدی می باشد.

 مدل یک سلفMeanderدر شکل نشان داده شده است فلوی مغناطیسی در مرکز هر حلقه با ارزیابی میدان مغناطیسی در مرکز آن می­تواند محاسبه شود میدان مغناطیسی نیز توسط جریان عبوری از هادی ایجاد می شود که در شکل نشان داده شده است.مقدار اندوکتانس خودی و متقابل بصورت زیر محاسبه می شود.

مقدار ^برابر شار به هم پیوسته کل مدار می باشد که توسط جریان عبوری از کل هادی بوجود امده است.Q سلفرا نیز می تواند بصورت زیر نوشت:

بطوریکه Acمساحت هسته مغناطیسی از برش عرضی، Lcطول هسته سیم پیچ, ثابت دی الکتریک فضای آزاد و نسبی  هم قرار داده شده است. Awمساجت برش عرضی هادی، (W+L)2 طول هر دور کویل ، رو هم مقاومت ویژه فلز هادی می باشد. در رابطه بالا همان طور که مشاهده می شود وجود هسته مغناطیسی تا حد زیادی مقدار Qرا بهبود می دهد.

 سلفSpiral :

یکی دیگر از سلف های قابل پیاده سازی سلفSpiral  می باشد. همانطور که گفته شد در چند طرح که در شکل (15) نشان داده شده است پیاده سازی می شود بدلیل مقدار اندوکتانس بهتر و ضریب کیفیت بالاتر نسبت بهMeander و همچنین پیاده سازی آسان تر نسبت به القاگرهای سه بعدی این سلف بسیار کاربردی است و عموماً در طراحی بسیاری از مدارات مخابراتی مانند اسیلاتورها از این نوع سلف استفاده می شود.

طراحی سلف Spiral در تکنولوژی MEMS www.mktop.ir

همانطور که گفته شد از پارامتر های مهم در سلف مقدار اندوکتانس و ضریب کیفبت آن می باشد که این دو پارامتر به مشخصات مختلفی بستگی دارد از جمله :پهنا ،ضخامت هادی ، مقدار تلفات هادی تلفات زیر لایه و فاصله زیر لایه و هادی.

سلفSolenoid:

بطور معمول سلفهای سولونوئیدی از پیچاندن سیم هادی اطراف یک هسته مغناطیسی پیاده سازی می­شود .اگر چه تشخیص ساختار سه بعدی در یک برش دو بعدی بسیار مشکل است.

پیاه سازی یک سیم پیچ اطراف یک هسته بسیار مشکل تر از پیاده سازی یک القاگر Spiral یا Meander است .

در شکل (16) یک القاگر سولونوئیدی که بصورت یک میله در مرکز به عنوان هسته و سیم هادی در اطراف آن، نشان داده شده است. برای کاهش اثرات شار مغناطیسی، هسته را می­توان بصورت دایره­ای پیاده سازی کرد. (القاگر Toroidal).

طراحی سلف Solenoid در تکنولوژی MEMS www.mktop.ir

هادی ها در دو طرف هسته میله ای باریک اتصال به یکدیگر متصل می شوند برای افزایش مقدار خود القایی سلف می بایست تعداد دور سیم پیچ بیشتر شود و این به معنای افزایش مقاومت ناشی از اتصال هادی ها به یکدیگر با استفاده از روش آبکاری الکتریکی (electroplating) سعی شده مقدار مقاومت اتصال کاهش یابد.

 سلفToroidal:

همانطور که در شکل ساختاری مدل Toroidalدیده می شود برای کاهش شارهای پراکندگی، هسته مغناطیسی سلف های سولونوئیدی را بشکل حلقه در می آورند تا بدین طریق هم مقدار اندو کتانس را افزایش دهند و هم تا حدی ضریب کیفیت را بیشتر کنند. در واقع مشخصات سلف های نوع Solenoid و Toroidal بسیار بهم نزدیک است.

طراحی سلف Toroidal در تکنولوژی MEMS www.mktop.ir

در سلف Solenoid نشان داده شده در شکل 16 اگر هسته مغناطیسی بشکل حلقه در آید مقدار اندوکتانس ساختار از رابطه زیر بدست می آید

ضریب کیفیت این نوع القاگر باربر است با :

-سلفهای متغییر ساخته شده با تکنولوژی MEMS :

یکی از نکاتی که در مقالات بررسی شده مشاهده شد اینست که بعد از شاخصه مهم ضریب کیفیت دومین فاکتور مهمی که در سلفهای MEMS مورد بررسی قرار می گیرد و تلاشهای زیادی برای رسیدن به این ویژگی در سلف ها می شود، ساخت سلفهای متغییر است. در واقع این نوع سلفها جزو دسته بندی انواع سلفها قرار نمی گیرد زیرا قابلیت تغییر را به تمام مدلهایی که معرفی شد می توان اضافه کرد، لذا قابلت تغییر در اندوکتانس سلفها موضوعیست که در مقوله ویژ گی سلفها قرار می گیرد.

کارهای زیادی در راستای ایجاد قابلیت تغییر در اندوکتانس سلفها انجام شده که برای داشتن انسجام در مطالب آنها را در چهار دسته کلی قرار میدهیم:

1. کنترل مشخصات مربوط به مواد هسته مغناطیسی سلفها برای دستیابی به اندوکتانس متغییر.

2. استفاده از سوئیچ های MEMS برای کنترل مقدار سلف بصورت دیجیتال.

3. کنترل اندوکتانس متقابل بین حلقه های سلف برای دستیابی به اندوکتانس متغییر.

4. کنترل اندوکتانس متقابل بین یک سلف ثابت(اصلی) و یک سلف اتصال کوتاه شده برای دستیابی به اندوکتانس متغییر.

 برای توضیح هر کدام از روشها مقاله ای را در نظر میگیریم که از تکنیک مورد نظر برای ایجاد قابلیت تغییر اندوکتانس استفاده کرده است.

1. کنترل مشخصات مربوط به مواد هسته مغناطیسی :

 در مقاله مورد نظر برای نشان داده مزیتهای VCO( Voltage-controlled oscillator) ساخته شده با سلف متغییر نسبت به VCO ساخته شده با خازن و سوئیچ بعنوان خازن متغییر از سلفی استفاده می کند که دارای هسته مغناطیسی است. هسته مغناطیسی این سلف از جنس مواد پیزو الکتریک می باشد و همین ویژگی باعث شده که با کنترل ولتاژ اعمالی به هسته مغناطیسی، ضریب گذردهی قابل تغییر داشته باشیم.

مواد پیزو الکتریک به موادی اطلاق می شود که با اعمال یک سیگنال مکانیکی(نظیر فشار) به آنها میتوان سیگنال الکتریکی(نظیر ولتاژ) از آنها دریافت کرد. اما مواد پیزوالکتریک خاصیت عکس پیزوالکتریکی نیز دارند بطوریکه با اعمال یک سیگنال الکتریکی(نظیر ولتاژ) به آنها میتوان سیگنال مکانیکی(نظیر فشار) از آنها دریافت کرد.

طبق رابطه زیر ضریب گذردهی مغناطیسی هسته با ولتاژ اعمالی به آن کنترل میشود.

از آنجایی که مدار معادل یک ماده پیزوالکتریک یک سلف و خازن و مقاومت موازی است، مدار معادل سلف به صورت زیر در خواهد آمد. همچنین ضریب گذردهی این مواد فرکانسی بوده و با افزایش فرکانس با رابطه زیر کاهش می یابد:

 در نتیجه VCO ساخته شده به این دو طریق با هم مقایسه شد که برتری های VCO با سلف متغییر در جدول زیر قابل مشاهده است:

 در جدول می بینیم که با بازه فرکانسی ، فرکانس مرکزی و منبع تغذیه مشابه، VCO ساخته شده با سلف متغییر دارای توان مصرفی کمتر و عدد شایستگی نویز فاز بیشتر است.

استفاده ازسوئیچهایMEMS:

در مقاله مورد نظر از ساختاری استفاده شده که شامل دو سوئیچ و سه سلف است. برای داشتن ساختاری با چند مقدار سلفی مختلف از سوئیچهایی استفاده می شود که در هر حالت موجب افزودن مقدار اندوکتانس متقابل به مقدار اندوکتانس سلف اصلی می شوند. شماتیک ساختار معرفی شده و سلف ساخته شده بصورت شکل زیر می باشند:

با توجه به اینکه کدام یک از سوئیچها وصل یا قطع باشد مقدار اندوکتانس معادل دیده شده از سرسلف اصلی،با رابطه زیر بدست می آید:

با اضافه شدن حلقه های سلف اتصال کوتاه به مدار ساختار سلف مورد نظر مقاومت های اهمی این حلقه های اتصال کوتاه نیز افزایش می یابد. رابطه بیان کننده این افزایش مقاومت بصورت زیر است:

در صد تغییر سلف در این ساختار با رابطه زیر بیان می شود که مشخص است از رابطه اندوکتانس معادل براحتی قابل بدست آوردن است:

با دو سوئیچ چهار مقدار برای سلف معادل بدست خواهد آمد و البته در هر حالت ضریب کیفیت متفاوت است که در حالت کلی با افزایش مقدار سلف با فعال شدن حلقه های بیشتر ایجاد می شود، مقاومتهای اهمی افزایش یافته و ضریب کیفیت را کم می کنند. نمودار اندوکتانس و ضریب کیفیت بر حسب فرکانس در حالتهای مختلف نشان داده شده است:

کنترل اندوکتانس متقابل بین حلقه های سلف :

 در مقاله ای که برای این بخش در نظر گرفته شد، سلفی پیشنهاد شده که از دو لایه تشکیل میشود. این دولایه که طلا و کروم هستند، دارای ضریب انبساط حرارتی متفاوت می باشند و با جریان بایاس می شوند. سلف مورد نظر دارای دو بخش می باشد که سلف بیرونی ثابت نگه داشته شده و سلف درونی با گذشتن جریان از آن و جابجایی نسبت به حالت اولیه، با سلف ثابت، اندوکتانس متقابل متغییر ایجاد می کند. در واقع با تغییر زاویه بین دو سلف درونی قابل تحرک و سلف بیرونی ثابت، اندوکتانس متقابل بین دو سلف تغییر پیدا کرده و سلف معادل را تغییر می دهد.

 کنترل اندوکتانس متقابل بین یک سلف ثابت(اصلی) و یک سلف اتصال کوتاه شده :

مقاله ای که در این بخش در نظر گرفته شده بدین صورت عمل می کند که ساختار سلف معرفی شده دارای دو بخش است، یک بخش سلف ثابت را تشکیل می دهد و بخش دیگر، صفحه ای از جنس ماده مغناطیسی است که بعنوان یک سلف اتصال کوتاه شده در نظر گرفته می شود

مکانیزمی که باعث ایجاد تغییر در مقدار اندوکتانس سلف میشود بدین صورت است. وقتی به صفحه متحرک ولتاژی اعمال نشود بیشترین فاصله بین دو سلف ثابت و سلف اتصال کوتاه شده وجود دارد و مقدار اندوکتانس در کمترین حالت خود است. اما هنگامی که به سلف اتصال کوتاه شده که در واقع یک صفحه متحرک است ولتاژ اعمال شود، این صفحه بسمت پایین جابجا می شود و سبب می شود شار پیوندی به مقدار حداکثر خود افزایش می یابد و باعث افزایش مقدار اندوکتانس معادل از دو سر سلف اصلی می شود.

هنگامی که سلف در مقدار ماکزیمم خود است شار پیوندی مازیمم و جریان القایی ایجاد شده در سلف اتصال کوتاه در مقدار ماکزیمم خود است لذا در این صورت تلفات اهمی به مقدار ماکزیمم خود می رسد و ضریب کیفیت را به کمترین مقدار می رساند. مدار معادل این ساختار بصورت زیر است که پارامترهای متغییر در آن مشخص شده اند:

نتایج بیانگر تغییرات در مقدار اندوکتانس سلف بصورت زیر است که نتایج قابلیت تغییر تا 78% را نشان می دهد

رویکردها برای بهبود ضریب کیفیت

 ضریب کیفیت Q یکی از معیارهای شایستگی سلف می­باشد. مقادیر بالای Q در سلف­ها برای طراحی مدارهای RF با نویز کم ، تلفات پایین ،بهره بالا و قابلیت انتخاب مناسب فرکانس، نیاز ضروری است. در بخش 2-3 و 2-4 عوامل موثر در ضریب کیفیت و تلفات سلف مورد بررسی قرار گرفت. در این بخش به تکنیک­هایی که برای کاهش تلفات و بهبود ضریب کیفیت در انواع مختلف سلف­ها در مقالات مختلف ارائه شده است می­پردازیم.

  اثرات مقاومت ویژه زیرلایه

 مقاومت زیرلایه بصورت جدی بر ماکزیمم Q  و فرکانس رزونانس موثر است. مقاومت به دو دلیل از فاکتورهای بسیار مهم در کارایی یک سلف می­باشد. اول بخاطر تزویج خازنی که اجازه می­دهد جریان­های هادی نه تنها از نوار فلزی بلکه از تمام زیرلایه سیلیکونی عبور کنند. دلیل دیگر تزویج القایی می­باشد که جریان­های گردابی و تلفات به هم پیوسته توسط میدان مغناطیسی در زیرلایه را ایجاد می­کند. این تلفات روی Q سلف تاثیر می­گذارند وQ  با مقاومت­های مختلف زیرلایه تغییر می­کند که در شکل (26) نشان داده شده است.

در شکل (27) نمونه­ای از سلف spiral ساخته شده روی زیرلایه کوارتز به همراه منحنی ضریب کیفیت و اندوکتانس بر حسب فرکانس آن را مشاهده می­کنید.

شکل نیز تصویر سلف solenoid ساخته شده بر روی زیرلایه سیلیکون و گلاس و مقایسه بین پارمترهای مختلف آن را نشان می­دهد.

همانطور که می­بینید استفاده از زیرلایه­ هایی با مقاومت ویژه بالاتر ضریب کیفیت بهتری را سبب می­شود.

 اثرات فاصله هوایی

یکی دیگر از روش­های کاهش تلفات زیربنا جلوگیری از عبور شار تولیدی توسط سلف از درون زیرلایه  می­باشد. این امر با ایجاد فاصله بین سلف و زیرلایه محقق می­شود. شکل فاصله ایجاد شده بین سلف و زیرلایه و منحنی تغییرات ماکزیمم ضریب کیفیت بر حسب افزایش فاصله را نشان می­دهد. روند صعودی منحنی نشان می­دهد که طبق انتظار با افزایش ارتفاع فاصله هوایی بین سلف و زیرلایه مقدار ماکزیمم ضریب کیفیت نیز افزایش می­یابد.

ایجاد فاصله بین سلف و زیرلایه به گونه­ای دیگر نیز ممکن می­باشد. اگر سلف spiral به صورت عمودی بر روی زیرلایه قرار گیرد در این صورت فاصله بین سیم­پیچ سلف و زیرلایه افزایش یافته و سبب کاهش تلفات زیرلایهمی­شود. برای ایجاد چنین ساختاری از تکنیک ساخت PDMA(Plastic Deformation and Magnetic Assembly) استفاده می­شود. در این تکنیک برای ایجاد خمش در ماده پلاستیکی، یک لایه نازک از ماده پرمالوی روی آن قرار می­دهند. پرمالوی ماده­ای با ضریب گذردهی مغناطیسی بالا می­باشد. قرار گرفتن این ساختار در میدان مغناطیسی سبب وارد آمدن نیروی مغناطیسی بر ماده پرمالوی شده و در نتیجه در ساختار خمش ایجاد می­کند. گشتاور وارد شده بر ماده پرمالوی (T_m) بر حسب میدان مغناطیسی خارجی که ماده در معرض آن قرار می­گیرد (H_ext) از رابطه زیر بدست می­آید:

که در آن M میزان گذردهی مغناطیسی و w، t و l به ترتیب عرض، ضخامت و طول ماده پرمالوی می­باشند. نهایتاً ماده پلاستیکی را در معرض حرارت مناسب قرار می­دهند تا در ساختار پایداری مکانیکی ………………

امید داریم تا اینجای مطلب مورد توجه شما قرار گرفته باشد. جهت دریافت ادامه مطلب ،روشها و فرمولهای مربوطه و… به صورت کامل  WORD + PDF  به لینک دریافت زیر مراجعه نمایید.این مطلب دارای رفرنس های معتبر و مقالات بسیاری میباشد.

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

قیمت: 18000تومان