خازنهای میکرو الکترو مکانیکی (MEMS)
58 صفحه در قالب word
فهرست مطالب :
خازن ................................................................................ 2
خازنهای ثابت ..................................................................... 4
خازنهای متغیر .................................................................. 6
خازنهای میکرو الکترو مکانیکی ............................................... 8
خازنهای میکروالکترومکانیکی متغیر ........................................... 14
خازنهای متغیربا محدوده تغییرات وسیع ........................................ 20
خازنهای شانه ای .................................................................. 27
خازن های با لبه جفت شده ...................................................... 32
بررسی اثرات حفره های ایجادشده برروی دیافراگم ............................ 35
نوسان سازهای کنترل شونده با ولتاژ ........................................... 44
نتیجه گیری ........................................................................ 54
مراجع ............................................................................. 55
- خازن :
خازن یکی ازاجزای 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 فارادظرفیت 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.
شکل -1 طرح کلی این نوع خازن ها را نشان می دهد.
ظرفیت خازن (C) :
نسبت میزان بارانباشته شده برروی صفحات خازن به اختلاف پتانسیل میان آنهارا ظرفیت خازن می نامند.مقداری ثابت داردواز رابطه زیرمحاسبه می شود:
C = kε0 A/d
که در آن :
ε0 : قابلیت گذردهی الکتریکی خلأ است که برابر بااست.
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:
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
- خازنها متغییر
تقسیم بندی می شدند.
- 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 شناسند.
- 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.
- 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
ساختار کلی خازنهای میکرو الکترومکانیکی به همراه مدار تغذیه به شکل زیر می باشد:
چون فقط تکه هایی از متن برای نمونه در این صفحه درج شده است ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود، ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل می‌باشد.
متن کامل با فرمت word را که قابل ویرایش و کپی کردن می باشد، می توانید در ادامه تهیه و دانلود نمائید.
خازنهای میکرو الکترو مکانیکی (MEMS)