تحلیل، مدل‏سازی و ساخت میکسر-فیلتر میکروالکترومکانیکی با پهنای باند باریک برای کاربرد در باند فرکانسی fm

در سال‏های اخیر با پیشرفت‏های صورت‏گرفته در زمینه ساخت سیستم‏های میکروالکترومکانیکی (mems)، استفاده از قطعات میکرومکانیکی فرکانس‏گزین، به‏دلیل عملکرد عالی، اندازه کوچک و قابلیت مجتمع شدن آن‏ها بر روی تراشه، در سیستم‏های مخابراتی بی‏سیم گسترش یافته است. هم‏چنین اثبات شده که استفاده از این قطعات در معماری‏های نوین فرستنده- گیرنده های مخابراتی می‏تواند منجر به بهبود عملکرد، کاهش مصرف توان و کاهش اندازه این سیستم‏ها شود. در این پژوهش، بیش‏تر بر روی تحلیل، مدل‏سازی، طراحی و ساخت قطعات میکرومکانیکی فرکانس‏گزین نظیر تشدیدگر، فیلتر و میکسر- فیلتر میکرومکانیکی برای کاربرد در باند فرکانسی fm تأکید می‏شود. برای این منظور، مدهای ارتعاشی حجمی در ساختار حلقوی به‏دلیل برخی ویژگی‏های منحصر به فرد نظیر توانایی دستیابی به ضریب کیفیت بالا، مقاومت جنبشی پایین و آزادی عمل در طراحی ابعاد، انتخاب می‏شوند. مدل تحلیلی جدیدی برای تشدیدگرهای حلقوی به‏عنوان المان پایه میکسر- فیلترهای حلقوی میکرومکانیکی، پیشنهاد شده و سپس این مدل برای طراحی میکسر- فیلترهای حلقوی توسعه داده می‏شود. شبیه‏سازی‏های ساختاری با استفاده از تحلیل‏های المان محدود نرم افزار ansys انجام و با نتایج به‏دست آمده توسط مدل تحلیلی مقایسه و درستی مدل ارائه‏شده تأیید می‏شود. سپس، تحلیل و مدل‏سازی مکانیزم‏های اتلاف انرژی و پیش‏بینی ضریب کیفیت تشدیدگر حلقوی میکرومکانیکی، به‏عنوان یکی از پارامترهای مهم در طراحی قطعات فرکانس‏گزین انجام و رابطه بسته ضریب کیفیت ناشی از هر مکانیزم میرایی محاسبه می‏شود؛ به‏طوری‏که روابط به‏دست آمده دید خوبی را در زمینه طراحی تشدیدگرهای حلقوی میکرومکانیکی با ضریب کیفیت بالا فراهم می‏کند. هم‏چنین، مدل‏سازی اثرات غیر خطی الکتریکی و مکانیکی محدود کننده عملکرد تشدیدگرهای میکرومکانیکی حلقوی انجام و اثرات آن بر پایداری فرکانسی و خطی‏بودن این تشدیدگرها بررسی می‏شوند. فرآیند طراحی میکسر- فیلتر میکرومکانیکی بر مبنای فرآیند ساخت مبتنی بر ویفرهای soi و در نظر گرفتن محدودیت‏های ساخت، برای تشدیدگرهای حلقوی میکرومکانیکی با کوپلاژ مکانیکی مد حجمی انجام می‏شود. میکسر- فیلتر طراحی شده دارای فرکانس if، mhz 7/10 با پهنای باند khz 220 و اتلاف تبدیل db 6/13 است؛ و توانایی جایگزینی دو بخش میکسر و فیلتر میان‏گذر غیرفعّال را در سیستم گیرنده fm دارد. فرآیند ساخت تشدیدگر و میکسر- فیلتر میکرومکانیکی حلقوی با استفاده از تکنولوژی liga و به دو روش لیتوگرافی اشعه ایکس (x-ray) و لیتوگرافی ماوراء بنفش (uv) انجام می‏شوند. در فرآیند ساخت، روش‏های جدیدی در زمینه ساخت ماسک لیتوگرافی اشعه ایکس و آزادسازی ساختار، در جهت کاهش هزینه پیشنهاد می‏شوند. نتایج اندازه‏گیری، عملکرد و موفقیت ساخت قطعات میکرومکانیکی فرکانس‏گزین را تأیید می‏کند. تشدیدگر ساخته‏شده با این روش، ضریب کیفیت 140000 را در فرکانس تشدید mhz 37/9 تحت شرایط خلأ mbar 1/0 از خود نشان می‏دهد؛ و بخش فیلتری میکسر- فیلتر ساخته‏شده، نیز عملکرد فیلتر میان‏گذر در فرکانس مرکزی mhz 3/10 با پهنای باند khz 26 را تأیید می‏کند. نتایج به‏دست آمده در زمینه ساخت نشان می‏دهند که در صورت بهینه‏سازی فرآیندهای موثر بر خواص مکانیکی نیکل در آبکاری و استفاده از ماسک‏های لیتوگرافی با تفکیک بالا، می‏توان از مدل تحلیلی و روش ساخت ارائه شده در این پژوهش برای طراحی و ساخت قطعات میکرومکانیکی فرکانس‏گزین استفاده کرد.