خلاصه پایان نامه بررسی اثرات حرارتی بر PLL مبتنی بر MEMS و جبران آن
ارائه شده به مدیریت تحصیلات تکمیلی به عنوان بخشی از فعالیت های تحصیلی لازم برای اخذ درجه کارشناسی ارشد
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.
(تصاویر در فایل اصلی موجود است)
سیستم های 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[1] نامیده می‌شود.
برای ساخت ادوات MEMS از تکنیکها و موادی که در ساخت مدارهای مجتمع[2] 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 سیستم های 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.
(تصاویر در فایل اصلی موجود است)
تاریخچه
ایدهی ساخت سیستمهای بسیار ریز در سال ۱۹۵۹ توسط فیزیکدان مشهور ریچارد فایتمن، در یک سخنرانی[1] 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[2] 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[3]
۱۹۵۴: شناسایی اثر پیزو رزیستیو در سیلیکون و ژرمانیوم توسط آقای اسمیت[4]
۱۹۵۸: ساخت اولین مدار مجتمع توسط جک کیلبی[5]
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 شرکتHPilby
Abstract:
In this thesis a Phase-Locked Loop based on micro-electromechanical systems are designed. Micro-electro-mechanical systems are a feedback control system that compares phase input with the output phase. This comparison is done by a phase detector. The phase detector is a circuit that its average output voltage is proportionate linearly with phase difference between the two inputs. We want the frequency difference between input and output in the fixed phase lock loops to be stable and so we check the effects of temperature changes on this loop and thermal compensation method using neural network offer. Because as you can see temperature can effect on the ring and cause a change in the frequency of the output, and our purpose is that a fixed input and output frequencies in the loop be achieved. Our purpose is to minimum frequency difference between Input and output in the phase locked loop.
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:
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.