خلاصه پایان نامه بررسی اثرات حرارتی بر PLL مبتنی بر MEMS و جبران آن
پایان نامه
اخذ درجه کارشناسی ارشد
در رشته مکاترونیک
چکیده
در این پایاننامه یک حلقهی قفل فاز بر پایهی سیستمهای میکرو الکترومکانیکال طراحی شده است. سیستم حلقهی قفل فاز فیدبک داری است که فاز ورودی را با فاز خروجی مقایسه میکند. این مقایسه توسط یک آشکارساز فاز انجام میشود. آشکارساز فاز مداری است که ولتاژ متوسط خروجی آن بطور خطی با اختلاف فاز بین دو ورودی متناسب است. سعی بر این است که اختلاف فرکانس بین ورودی و خروجی در حلقهی قفل فاز ثابت بماند و به همین دلیل اثرات تغییر دما بر این حلقه بررسی خواهد شد و روشهای جبران حرارتی با استفاده از شبکه عصبی ارائه میشود. همانطور که مشاهده میشود دما بر روی حلقه تاثیر میگذارد و باعث تغییر در فرکانس خروجی میشود و هدف این است که فرکانس ورودی و خروجی در حلقه ثابت بمانند. هدف کمینه کردن اختلاف فرکانس بین ورودی و خروجی در حلقهی قفل فاز است.
مقدمه
سیستمهای میکرو الکترومکانیکی[1] یکی از فناوریهای نوید بخش قرن حاضر میباشد که با توجه به قابلیتها و مزیتهای فراوانش میتواند در محصولات صنعتی، تجاری و مصرفی تحول بزرگی ایجاد نماید. این سیستمها، وسایل میکرونی هستند که می‌توانند بر محیط ماکرو اثر بگذارند. تحقیقات بر روی طراحی، تولید و کاربرد سیستمهای میکرو الکترومکانیکی در حال حاضر در دنیا با جدیت پیگیری میشود و سرمایه گذاری عظیمی در این زمینه انجام می‌گیرد.
در این بخش در ابتدا ضمن ارایهی تعریف کلی جهت آشنایی اجمالی با این سیستمها و در ادامه به تاریخچهی مختصر و سپس مزایا، ویژگیها، کاربردها، روشهای ساخت و مواد به کار رفته در MEMS و ... پرداخته خواهد شد.
۱-۲ تعریف MEMS
فناوری MEMS یا فناوری سیستمهای میکرو الکترومکانیکی، حاصل تلفیق اجزای مکانیکی، حسگرها، محرکها و قطعات الکترونیکی (شکل (1-1)) بر روی یک لایهی سیلیکون به کمک فناوری ساخت تراشههای میکرونی است [1].
میکرو مکانیک
میکرو محرکها
میکرو سنسور
سیستم میکروالکترومکانیکی
میکرو الکترونیک
شکل 1-1 : اجزای MEMS [1]
ابعاد قطعات MEMS با توجه به شکل (1-2) طیف گستردهای را در برمی‌گیرد، از ابعادی کوچکتر از یک میکرومتر که قابل رویت با چشم نیستند تا ابعاد یک میلیمتر، همچنین انواعی از این سیستمها میتواند در حالتی ساده، ابزاری بدون قطعهی متحرک و یا در حالتهای پیچیده، دارای اجزای متحرک متعددی باشد که با سیستمهای کنترل الکترونیکی هدایت میشوند.
شکل 1-2 : گسترهی ابعاد MEMS [1]
سیستمهای میکرو الکترومکانیکی یا MEMS اصطلاحی است که اولین بار در اواخر دههی ۱۹۸۰ در آمریکا برای نامیدن این نوع سیستمها معمول شد و نیز این سیستمها در اروپا با نام MST و در ژاپن نیز ماشین آلات خرد[2] نامیده میشود.
برای ساخت ادوات MEMS از تکنیکها و موادی که در ساخت مدارهای مجتمع[3] به کار می‌روند، استفاده میشود؛ یا به عبارتی دیگر میتوان گفت سیستمهای میکرو الکترومکانیکی را میتوان تلاشی برای بهرهبرداری و گسترش تکنیکهای توسعه یافتهی ساخت در صنعت مدارهای مجتمع برای اضافه کردن عناصر مکانیکی مانند تیرها، چرخ دندهها، دیافراگمها و فنرها به مدارات الکترونیکی و تولید میکرو سیستم یکپارچه برای ادراک و کنترل جهان فیزیکی دانست [1].
MEMS یک فناوری است که اجازهی توسعهی محصولات هوشمند، تکمیل توانایی محاسباتی میکرو الکترونها، با در نظر گرفتن قابلیتهای میکرو سنسورها و میکرو محرکها و توسعهی فضای ممکن طراحی و استفاده را میدهد.
مدارهای مجتمع میکرو الکترونیک میتواند به عنوان مغز متفکر یک سیستم در نظر گرفته شود و MEMS این قابلیت تصمیمگیری را با چشم‌ها و بازوهایی، زیاد کرده تا به میکروسنسورها اجازه دهد تغییرات پیرامون سیستم را به وسیلهی دریافت اطلاعات پدیدههای مکانیکی، حرارتی، بیولوژیکی، شیمیایی، نوری و یا مغناطیسی جمع آوری کنند. پس از دریافت اطلاعات از حسگرها، دستگاههای الکترومکانیکی به کمک قدرت تصمیمگیری خود، محرکها را به پاسخهایی همچون حرکت، جابجایی، تنظیم کردن، پمپ کردن، فیلتر کردن و ... وادار کرده و محیط را به سمت نتایج مورد نظر هدایت می‌کنند.
پتانسیل واقعی سیستمهای میکرو الکترومکانیکی وقتی بروز پیدا میکند که میکرو سنسورها، میکرو عملگرها و میکرو ساختارها روی یک صفحهی سیلیکونی با یکدیگر ترکیب شده و به یک مدار الکترونیکی متصل شوند. تکنیکهای ساخت MEMS قادر می‌سازد که اجزا و وسایل با کارایی و با قابلیت بیشتر تولید شوند؛ در ضمن مزیت‌هایی همچون کاهش اندازهی فیزیکی، حجم، وزن و هزینه دارند [1] در شکل (1-3) نمونهای از تولیدات MEMS در ابعاد میکرو نشان داده شده است.
شکل 1-3 : نمونهای از تولیدات در ابعاد میکرو [1]
۱-۳ تاریخچه
ایدهی ساخت سیستمهای بسیار ریز در سال ۱۹۵۹ توسط فیزیکدان مشهور ریچارد فایتمن، در یک سخنرانی[4] مطرح شد. او در این سخنرانی، ایدهها و چشم اندازهایی در مورد طرح کار، دانش مهندسی و کاربردهای سیستم ها و ماشینهای خیلی کوچک مطرح کرد. او در سال ۱۹۸۳ نیز سخنرانی دیگری در این مورد ایراد و پیش بینیهای جالبی ارایه کرد که بیشتر آنها تاکنون محقق شدهاند و برخی دیگر نیز موضوع تحقیقات هستند.
در سال ۱۹۸۲ کورت پیترسن[5] از کمپانی IBM پس از چند سال پژوهش و آزمایش، مقالهای انتشار داد که در آن با بیان نتایج پژوهشهایش نشان داد که سیلیکون دارای خواص و قابلیتهای بسیار خوبی از جمله استحکام برای ساخت قطعات مکانیکی بسیار ریز است.
از آنجایی که در ساخت مدارهای مجتمع نیز به وفور از سیلیکون استفاده می‌شد و فرآیندهای لازم برای ساخت ادوات سیلیکونی (مثل لیتوگرافی، لایهبرداری و ...) وجود داشتند، این مقاله باعث شد که ساخت قطعات مکانیکی سیلیکونی به سرعت رواج یافته و پیشرفت کند. مقاله سال ۱۹۸۲پیترسن، از نظر بسیاری افراد به عنوان نقطهی آغاز رسمی تکنولوژی MEMS شناخته میشود [2].
هر چند که قبل از آن نیز کارهای پراکندهای در مورد ساخت سیستمهای بسیار کوچک انجام شده و انتشار یافته که در ادامه، به برخی از مهمترین رویدادهایی که منجر به توسعهی این فناوری شدهاند به صورت فهرستوار اشاره میشود:
۱۹۴۸: اختراع ترانزیستور ژرمانیومی در آزمایشگاه بل توسط ویلیام شاکلی[6]
۱۹۵۴: شناسایی اثر پیزو رزیستیو در سیلیکون و ژرمانیوم توسط آقای اسمیت[7]
۱۹۵۸: ساخت اولین مدار مجتمع توسط جک کیلبی[8]
۱۹۵۹: رونمایی از اولین سنسور فشار سیلیکونی
۱۹۶۷: ارایهی اولین روش حکاکی ناهمسانگرد عمیق سیلیکون
۱۹۶۸: اختراع ترانزیستور رزونانت گیت با استفاده از روش میکرو ماشینکاری سطحی
۱۹۷۰: ساخت سنسورهای فشاری توسط فرآیند میکرو ماشینکاری حجمی
۱۹۷۱: اختراع میکرو پروسسور
۱۹۷۹: تولید نازل جوهرافشان توسط شرکتHP
۱۹۸۲: ارایهی روشLIGA
۱۹۸۲: ساخت ترانسدیوسر فشار خون
۱۹۸۳: ساخت سنسور فشار یکپارچه
۱۹۸۳: ساخت سنسور کیسهی هوا در خودرو
۱۹۸۶: اختراع میکروسکوپ نیروی اتمی
۱۹۸۶: معرفی روش اتصال ویفرهای سیلیکونی
۱۹۸۸: ساخت مجموعهی سنسورهای فشار توسط روش اتصال ویفرها
۱۹۸۸: ساخت موتورهای چرخشی با نیروی جانبی الکترواستاتیکی
۱۹۹۱: ساخت مفاصل پلی سیلیکون
۱۹۹۱: کشف نانو لولههای کربنی
۱۹۹۲: ساخت مدولاتور نور شبکهای
۱۹۹۲: ایجاد روش فرآیند SCREAM در میکرو ماشینکاری حجمی
۱۹۹۳: ساخت نمایشگر آینهای دیجیتال توسط شرکت تگزاس ابزار[9]
۱۹۹۳: ساخت اولین شتابسنج با روش میکرو ماشینکاری سطحی در حجم بالا توسط شرکت تجهیزات آنالوگ[10]
۱۹۹۴: ثبت اختراع شرکت بوش در روش DRIE
۱۹۹۹: سوئیچ های شبکهی نوری شفاف[11]
دههی اول قرن بیست و یکم پیشرفت سریع MEMS نوری و توسعهی سریعBIOMEMS تحولات این فناوری از سال ۲۰۰۰ به بعد بسیار سریع بوده و هر ساله تعداد زیادی محصولات جدید وارد بازار میشوند [2].
۱-۴ کوچکسازی به عنوان شاخصهی اصلی MEMS
کوچکسازی یکی از شاخصههای اصلی در تولید MEMS محسوب میشود. کوچکسازی مسلماً از بخش‌های مهم این فناوری است، چرا که مواد و اجزای کوچک و سبک علاوه بر اینکه قادر به ارسال پاسخهای سریع و فشرده میباشند؛ همچنین هزینهی ساخت بسیار کمتری را به همراه دارند و دلایل اقتصادی خود یکی از مهمترین عللی است که ما را به سمت کوچکسازی سوق میدهد. بنابراین، این فناوری در تلاش است تا سیستمهای مکانیکی با ابعاد بسیار کوچک را بسازد که در شکل (1-4) برخی از این محصولات را مشاهده کنید [1].
شکل 1-4 : نمونهای از محصولات MEMS در مقایسه با سایر اشیا که نشان دهندهی کوچکی ابعاد آنها [1]
کوچکسازی سیستمهای مکانیکی، فرصتهای منحصر به فردی را در زمینههای جدید در توسعهی علوم و فناوری به وجود آورده است؛ زیرا محصولات و سیستمهای میکرو مکانیکی ذاتاً کوچکتر، سبکتر، سریعتر و معمولاً دقیقتر از موارد مشابه ماکروسکوپیک خود می باشند. این فناوری در حال کوچکتر کردن ابعاد خود و گذر از ابعاد میکرون و ورود به حوزهی نانو میباشد و محصولات متعددی در این حوزه به تولید رسیدهاند. بنابراین در حالت کلی دلایل کوچکسازی بررسی خواهد شد [1]:
۱-۵ دلایل و مزایای کوچکسازی در فناوری MEMS
1- یکپارچگی سیستم در اندازههای بسیار ریز، افزایش مییابد.
۲- میتوان با استفاده از روش ساخت گروهی[12]، هزینهی ساخت سیستم را کاهش داد. در فرایند ساخت گروهی برخلاف سیستمهای دستساز، هزاران محصول به طور همزمان ساخته میشوند که این عامل، هزینهی تولید را به طور قابل توجهای کاهش میدهد.
۳- در فرآیند ساخت گروهی تمامی المانها به صورت یکنواخت ساخته میشوند که خود یک مزیت بزرگ محسوب میشود.
۴- با کاهش اندازهی قطعه، به دلیل کم شدن فاصلهها، سرعت افزایش پیدا کرده و مصرف توان کاهش پیدا میکند. به عنوان مثال در ریز پردازندههای جدید، چون اندازهی قطعه کوچکتر شده، سرعت پردازش نیز بسیار زیاد شده است.
۵- در اندازههای بسیار ریز میتوان سیستمهای غیر الکترونیکی (مثل مکانیکی، شیمیایی، نوری و ...) را با اجزای الکترونیکی ترکیب کرد.
۶- حساسیت و کیفیت اجزای غیر الکترونیکی در اندازههای میکرو افزایش مییابد.
به عنوان مثال از کرنش سنج[13] سنسوری که برای اندازهگیری کرنش استفاده میشود، اگر برای اندازهگیری کرنش در ابعاد کوچک استفاده شود، باعث افزایش حساسیت و کیفیت سنسور خواهد شد.
۷- میتوان با اشیا و اجسام در ابعاد ریز ارتباط برقرار کرد.
به عنوان مثال میتوان از خون، میکروبها را گرفت و یا در خون میکروبها را شناسایی و تشخیص داد [1].
۱-۶ برتریهای فناوری MEMS
سیستمهای MEMS اندازهی بسیار کوچکی دارند که این مهمترین مزیت MEMS است. استفاده از فناوری MEMS برای ساخت سنسور بسیار مفید است؛ چرا که به خاطر اندازه خیلی کوچک آن، بسیار کمتر از ادوات بزرگ با محیط بر همکنش و تبادل انرژی دارد. در ضمن میتوان از یک آرایه از سنسورها استفاده کرد، به خاطر اثر افزونگی[14]، بدون اینکه حجم زیادی اشغال شود. استفاده از MEMS، به عنوان محرک نیز مفید است؛ چرا که به خاطر اندازهی خیلی کوچکش، حرکت اعمال شده توسط آن میتواند خیلی دقیق باشد [1].
در ضمن، کوچک بودن این ادوات باعث میشود که آنها را در جاهای خاصی، مثل خودروها و بدن انسان وارد کرد تا بعضی پارامترهای محیط را اندازه گرفته یا تغییر دهند.
از آنجایی که تولید MEMS شبیه تولید مدارهای مجتمع است، پس ادوات MEMS نیز در صورت تولید انبوه، ارزان تمام میشوند. در ضمن در مواردی خاص، اگر ادوات MEMS گران تمام شود نیز در جاهای خاصی که اندازه و وزن کم بسیار اهمیت دارد (مثل ماهوارهها یا سفینههای فضایی) باز هم استفاده از MEMS توجیه دارد.
در ضمن همانطور که قبلاً هم ذکر شد، اگر قسمتهای مکانیکی و الکترونیکی سیستم MEMS به طور یکپارچه روی یک ویفر ساخته شوند؛ به دلیل کاهش نویز، مقاومت و خازن پارازیتیک، دقت و حساسیت سیستم حاصله بسیار بیشتر از سیستمهای بزرگ معمولی خواهد بود [1].
۱-۷ کاربردهای MEMS
فهرست پایان نامه بررسی اثرات حرارتی بر PLL مبتنی بر MEMS و جبران آن
فهرست:
فصل اول : سیستمهای میکروالکترومکانیکی
۱-۱ مقدمه. 2
۱-۲ تعریف MEMS. 2
۱-۳ تاریخچه. 4
۱-۴ کوچکسازی به عنوان شاخصهی اصلی MEMS. 6
۱-۵ دلایل و مزایای کوچکسازی در فناوری MEMS. 7
۱-۶ برتریهای فناوری MEMS. 8
۱-۷ کاربردهای MEMS. 9
۱-۸ لزوم توسعه و پیشرفت در زمینهی MEMS. 12
۱-۹ تکنولوژی طراحی و ساخت سیستمهای میکروالکترومکانیکی.. 13
۱-۹-۱ طراحی.. 13
۱-۹-۲ تکنولوژی ساخت... 14
۱-۹-۲-۱ انتقال طرح بر روی بستر. 14
۱-۹-۲-۲ لایهبرداری.. 14
۱-۹-۲-۳ لایهنشانی.. 15
۱-۱۰ مواد مورد استفاده در MEMS. 16
۱-۱۰-۱ اکسید سیلیکون SiO2 18
۱-۱۰-۲ سیلیکون نیترید Si3N4 18
۱-۱۰-۳ سیلیکون کارباید (SiC) 18
۱-۱۱ دلایل استفاده از کریستال سیلیکون در MEMS. 19
فصل دوم : اسیلاتورهای کنترل شده با ولتاژ
۲-۱ مقدمه. 21
۲-۲ نوسانکنندهی کنترل شده با ولتاژ (VCO) 21
۲-۳ انواع نوسانساز. 22
۲-۴ LC-VCO.. 24
۲-۵ نوسانساز عمودی.. 25
۲-۶ Q-VCO.. 29
۲-۷ نویز فاز و جیتر زمانی.. 30
۲-۷-۱ نویز فاز. 30
۲-۷-۲ جیتر زمانی.. 31
فصل سوم : حلقهی قفل فاز
۳-۱ مقدمه. 34
۳-۲ نحوهی عملکرد PLL.. 34
۳-۳ اجزای PLL.. 34
۳-۴ آشکارساز فاز. 35
۳-۵ بلوک دیاگرام PLL.. 35
۳-۶ روابط PLL.. 35
۳-۷ کاربردهای PLL.. 37
۳-۸ PLL مبتنی بر MEMS. 37
۳-۹ کریستال کوارتز. 37
۳-۱۰ روشهای قبلی انجام شده برای جبرانسازی حرارتی.. 40
فصل چهارم : شبیهسازی و تحلیل نتایج
4-1 شبیهسازی.. 51
4-2 کدنویسی با PSO.. 52
4-2-1 کد نویسی با شبکهی عصبی ............................................................................................ 56
4-3 نتایج.. 61
فصل پنجم : نتیجه گیری و پیشنهادها
5-1 نتیجه گیری.. 65
مراجع.. 67
منبع:
مراجع
S. P. Beeby, G. Ensel, and M. Kraft, 2004, “MEMS Mechanical Sensors”, Artech House.
D. S. Eddy and D. R. Sparks, 1998, “Application of MEMS Technology in automotive sensors and actuators” Proceedings of the IEEE, vol. 86, pp. 1747-1755.
S. Kota and G. K. Ananthasuresh, S. B. Crary and K. D. Wise, “Design and Fabrication of Microelectromechanical Systems”, Journal of Mechanical Design December 1994, vol. 116.
Ali Hajmiri and Thomas H. Lee, “The Design of Low Noise Oscillators”., Kluwer Academic Publishers, NewYork, Boston., 2003.
B. Z. Kaplen, “On the simplified implementation of quadrature Oscillator models and the expected quality of their operation as VCO’s,” Proc. IEEE, vol. 68, pp. 745-746, 1980.
G. A. Korn and T. M. Korn, Electronic Analog and Hybrid Computers New York: McGraw-Hill, 2nd ed. 1972, p. 252.
R. Genin and J. Genin, “Nouveau modele d’oscillatoeur non Lineaire donnant deux signaux sinusoidaux en quadrature”, C. R.Acad. Sci., serie A, vol. 286, pp. 377-379, 1978.
B. Adkins, “The General Theory of Electrical Machines”. London: Chapman and Hall, 1959.
M. K. Parasuram and B. Ramaswami, “A three phase sine wave reference generator for thyristorised motor controllers,” IEEE Trans. Ind. Electron. Contr. Instrum., vol. IECI-23, pp. 270-276, 1976.
Wei Tingcun;Chen Yingmei; Hu Zhengfei. Analog CMOS IC Design, Tsinghua University Press, 2010 : 267-271
Zhou, H. F.; Han, Y.; Dong, S. R.; Wang, C. H., “An Ultra-Low-Voltage High-Performance VCO in 0.13μm digital CMOS process,” Journal of Electromagnetic Waves and Applications, 2008, No. 17-18, vol. 22:2417-2426.
H. J. McSkimin, “ Measurement of elastic constant at low temperature By means of ultrasonic waves data for silicon and germanium single Crystals and for fused silica,” J. Appl. Phys., vol. 24, no. 8, pp. 988-997, Aug. 1953.
Y.-H. Chuang, S.-H. Lee R.-H. Yen, S.-L.Jang, and M.-H. Juang, “A low-voltage quadrature CMOS VCO based on voltage-voltage feedback topology,” IEEE Microw., vol.16, no. 12, pp. 696-698. Dec. 2006.
L. Lin and P. R. Gray, “A 1.4 GHz differential low-noise CMOS Frequency synthesizer using a wideband PLL architecture,” in IEEE Int. Solid-State Circuits Conf. (ISSCC) Dig. Tech. Papers, Feb. 2000, pp. 204-205, 458
M. Gradner, “Phase-lock Techniques. New York: Wiley”, in IEEE Int. Solid-State Circuits Conf. (ISSCC) Dig. Tech. Papers, Feb. 2000, pp. 204-205, 45817.
H. J. McSkimin, “Measurement of elastic constant at low temperature By means of ultrasonic waves data for silicon and germanium single Crystals and for fused silica,” J. Appl. Phys., vol. 24, no. 8, pp. 988-997, Aug. 1953.
J. Wang, J. E. Butler, T. Feygelson, and C. T. C. Nguyen, “1.5 GHz Nanocrystalline diamond micromechanical resonator with material Mismatched isolating support,” in Proc. IEEE MEMS 2004, Jan. 2004, pp.641-644.
K. Ho. Gavin, K. Sundaresan, S. Pourkamali, and F. Ayazi, “Micromechanical IBARs: Tunable High-Q Resonators for Temperature-Compensated Reference Oscillators”, Georgia Institute of Technology, Atlanta , IEEE., January 31, 2010., JOURNAL OF MICRO ELECTROMECHANICAL SYSTEMS, VOL. 19, NO. 3, JUNE 2010.
R. Tabrizian, G. Casinovi and F. Ayazi, “Temperature-Stable High-QAIN-on-Silicon resonators with Embedded Array of Oxide Pillars,” Solid-State Sensors, Actuators, and Microsystems workshop (Hilton Head 2010), June 2010, pp. 100-101.
R. Tabrizian, M. Pardo and F. Ayazi, “A 27 MHZ TEMPERATURE COMPENSATED MEMS OSCILLATOR WITH SUB-PPM INSTABILITY”, Georgia Institute of Technology, Atlanta, Georgia, USA, IEEE, 978-1-4673-0325-5,2012.
K. Ho. Gavin, K. Sundaresan, S. Pourkamali, and F. Ayazi “Electronically Temperature Compensated Silicon Bulk Acoustic Resonator Reference Oscillators”, School of Electrical and Computer Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA, and is now with GE Global Research, Niskayuna, NY 12309 USA, IEEE,. 2007., IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 42, NO. 6, JUNE 2007.
J. C. Salvia, R. Melamud, S. A. Chandorkar, S. F. Lord, and T.W. Kenny., “Real-Time Temperature Compensation of MEMS Oscillators Using an Integrated Micro-Oven and a Phase-Locked Loop”., JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS, VOL. 19, NO. 1, FEBRUARY 2010.