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

 امروزه سیستم­های MEMS، با توجه به پیشرفت روز افزون این فناوری، کاربردهای گوناگون و فراوانی در حوزه­های مختلف دارد. فناوری MEMS می­‌تواند در زمینه­های مختلفی از قبیل خودرو، پزشکی، الکترونیک، ارتباطات، هوا فضا، کاربردهای دفاعی و...  فعالیت کند.

به عنوان مثال در صنایع دفاعی، هدایت­گر دفاعی، سیستم­­های نظارتی، سیستم­های نظامی، سنسورهای مخفی نگهداری داده­­ها، کنترل هواپیما و یا در صنایع هوا فضا در نشانگرهای کابین خلبان، ابزار خروج[15]، اندازه­گیرهای تونل هوا و میکرو ماهواره­ها از فناوری MEMS استفاده می شود [1] و همان­گونه که در شکل (1-5) مشاهده می شود، نمونه­ای از سنسورهای شتاب و فشار که با تکنولوژی MEMS ساخته شده­اند، نمایش داده شده­اند.

شکل 1-5 : نمونه­ای از سنسورهای شتاب و فشار  MEMS [1]

در صنایع ارتباطات نیز از فناوری MEMS در دو نوع زیر بطور متداول استفاده می­شود:

MOEMS[16]

RF MEMS[17]

MOEMS ها به دلیل وجود فوتون بدون جرم نیاز به نیروی کمی دارند، مکان کوچکی را اشغال می­‌کنند، دقت بالایی دارند و با سرعت نور کار می­‌کنند. تکنولوژی ساخت آنها مانند نیمه هادی­ها می­‌باشد که این امر سبب تولید ارزان قیمت و افزایش کارایی آنها شده است. ساختار جزء آن­ها میکرو آینه است که باعث افزایش سرعت کار در تکنولوژی جریان اطلاعات شده است. کاربرد MOEMS در فیلترها، مدولاتورها، آنتن­­ها و موج­برها می­‌باشد [1].

RF MEMSها نیز امروزه کاربرهای بسیار وسیعی در صنعت ساخت موبایل پیدا کرده­‌اند به طوری که با پیشرفت آنها، موبایل­‌ها ارزان­تر شده و اندازه­ی کوچک­تری پیدا کرده­‌اند. از جمله بازارهای پرمصرف دیگر محصولات MEMS در صنایع پزشکی می­‌باشد که از کاربردهای ابتدایی نظیر سنسور اندازه­گیری فشار خون، فلوی مایعات داخلی بدن و یا در سیستم­های تزریق دارو گرفته تا کاربردهای جدید که براساس سیستم­­های میکرو فلویدی می­‌باشد که این سیستم­ها قابلیت آنالیز مقادیر کوچک حجمی مایعات را دارند و بر همین اساس در زمینه­ی صنعت ساخت وسایل پزشکی (شکل (1-6)) به ترتیب زیر مورد استفاده قرار می­‌گیرند:

۱- آزمایشگاه روی یک تراشه[18]: یک تراشه پلاستیکی که به نسبت بسیار بالایی میکرو ماشینی شده است و در واقع یک آزمایشگاه روی یک تراشه قرار گرفته است که دارای ابعاد 20×۳۷×۳ میلی­متر می‌­باشد.

۲-  داروخانه روی یک تراشه[19]: در اینجا یک داروخانه روی یک تراشه قرار گرفته است که در ارتباط با بدن قرار می­‌گیرد و مایعات بدن را اندازه می­گیرد و در صورت نیاز بدن، مایع به طور خودکار تزریق می­‌شود. این وسیله برای تنظیم انسولین بیماران دیابتی، هورمون و مسکن درد استفاده می­‌شود [1].

شکل 1-6 : کاربردهای  MEMS در صنایع پزشکی [1]

فناوری MEMS همچنین در زمینه­ی بیوتکنولوژی، کشفیات جدیدی  مانند میکرو سیستم­های واکنش زنجیره­ای پلیمری، برای تقویت و شناسایی DNA، میکروسکوپ­‌های سوراخ­کن برای مرور میکرو ماشین­ها (STMs)، ساخت تراشه­‌ها با الهام از قواعد زیست­شناسی برای کشف عوامل زیستی و شیمیایی خطرناک و میکروسیستم­هایی برای انتخاب و نمایش دارو با توان عملیاتی بسیار بالا را ممکن می­‌سازد. در وسایل نقلیه از فشارسنج­‌های MEMS برای      اندازه­گیری فشار روغن موتور، فشار خلأ، فشار تزریق سوخت، فشار سوخت منتقل شده، فشار خط ترمز ABS، فشار تایرها و فشار هوای ذخیره  شده برای کیسه­ی هوا (شکل (1-7)) استفاده می­‌شود[1].

شکل 1-7 : نمونه­ای از  MEMS مورد استفاده در ایربگ خودرو [1]

در صنعت نیز سیستم­های خودکار و ابزار دقیق می­‌توانند از ادوات MEMS مثل فشارسنج، دماسنج، شتاب­سنج، سنسور فاصله استفاده کنند (شکل (1-5) را مشاهده کنید). فناوری MEMS کاربرد گسترده­‌ای در ژیروسکوپ­­ها دارد. ژیروسکوپ­ها می­‌توانند تغییر در شتاب   زاویه‌­ای را تشخیص دهند و وسیله­ای برای تشخیص حرکت­‌ میباشند.

در سیستم­های کنترل کننده در خانه و صنعت نیز می­توان از MEMS استفاده کرد، که در اینجا هم سنسورها و هم محرک­ ها مورد نیاز هستند. از سنسورها برای اندازه­گیری پارامترهای مختلف محیط اطراف و از محرک ­ها برای تنظیم پارامترها استفاده می­‌شود.

سیستم­­های نوری نیز از محرک­­های MEMS در جاهای مختلفی مثل میکروآینه­­ها و پروژکتورهای دیجیتال، فیلترها، مدولاتورهای نوری، ابزار خواندن خط نماد و...  استفاده     می­کنند. در موارد متعدد دیگری مثل چاپگر جوهر افشان، میکروسکوپ­ها و ...  نیز از MEMS استفاده می­‌شود. در شکل (1-8) برخی کاربرد MEMS  نشان داده شده است

[1] - Micro Electro Mechanical System (MEMS)

[2]- micro machinery

[3] - Integrated circuit (IC)

[4]- با عنوان "There is a plenty of room at the bottom"

[5] - Kort Pitersen

[6] - William Shockley

[7] - C.S.Smith

[8] - Jack Kilby

[9] - Texas Instruments

[10] - Analog Devices

[11] - Lucent

[12] - Batch Processing

[13] - strain gauge

[14] - Redundancy

[15] - Ejection

[16] - Micro – Opto – Electro – Mechanical System

[17] - Radio – Frequency – Micro - Electro – Mechanical System

[18] - Lab on a chip

[19] - Pharmacy on a chip

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.