TỤ BIẾN DUNG HỆ THỐNG TẤM MEMS SONG SONG VỚI ĐỘ TUYẾN TÍNH CAO VÀ TỶ LỆ ĐIỀU CHỈNH RỘNG SỬ DỤNG CẤU TRÚC ĐÒN BẨY (LEVERING) Học viên: 1. Đào Thị Mơ (MS: 10021187) 2. Nguyễn Thị Nga (MS: 10021188) 3. Vũ Thị Phương (MS: 09021240) Tóm tắt: - Một phương pháp đơn giản và sáng tạo được đề xuất để đạt được đáp ứng siêu tuyến tính của điện dung so với điện áp và để có được một độ điều chỉnh điện dung lớn trong tụ biến dung với hệ thống tấm MEMs song song bằng cách di chuyển các tấm theo hướng tăng khoảng cách. Bằng việc áp dụng một cấu trúc đòn bẩy (cấu trúc nâng), phương pháp phổ biến là di chuyển với khoảng cách cố định của các thiết bị điện tử tĩnh được chuyển thành một chuyển động tăng dần khoảng cách để giảm điện dung khi điện áp đặt vào thiết bị truyền động được tăng lên. Đạt được độ tuyến tính cao bằng cách cân bằng tỷ lệ : tấm di chuyển cao lên khi điện áp đặt vào thiết bị truyền động tăng lên và tỷ lệ: điện dung giảm khi tấm di chuyển lên. Tụ điện biến dung MEMS đề xuất, được chế tạo thông qua vi máy móc (vi gia công micromachining) bề mặt kim loại, cho thấy hệ số tuyến tính tuyệt vời (linearity factor (LF)) là 99,5% cho đáp ứng C – V, và một tỉ lệ điều chỉnh điện dung đạt được là 134% trong phạm vi thực tế (10-45V) ở một tần số thấp. Khi nó hoạt động ở 1 GHz, thiết bị được đề xuất đã chứng minh hệ số LF 99,5% và tỉ lệ điều chỉnh điện dung 125% [2011 - 0021] Danh mục thuật ngữ: Tỷ lệ điều chỉnh điện dung , đáp ứng điện dung so với điện áp (đáp ứng C – V ), phát động (thiết bị truyền động) nâng, tuyến tính, hệ thống MEMS, tụ biến dung. I. Giới thiệu Trong ứng dụng RF, tụ biến dung với hệ thống tấm MEMS song song được nghiên cứu rộng rãi để sử dụng trong tầng LC do cấu trúc đơn giản của nó, mất tín hiệu thấp, và các hệ số chất lượng tương đối cao so với các loại tụ biến dung MEMS khác và điốt điện dung trạng thái rắn. Theo đó, các tụ biến dung với tấm MEMS song song thường được sử dụng trong các dao động điều khiển bằng điện áp. (VCOs) và mạch vòng khóa pha (PLL: Phase – locked loop) để đạt được nhiễu pha thấp. Ngoài ra, khi tụ điện biến dung MEMS điều khiển giá trị điện dung sử dụng chuyển động cơ học, cấu trúc quán tính đã ngăn ngừa một tín hiệu nhiễu với một tần số vượt quá tần số cộng hưởng cơ học của thiết bị. Do các bộ dẫn động tĩnh điện, sự phân cực của bộ dẫn động điện áp là không quan trọng, cái này ngăn cản bất kỳ một vấn đề nào của phân cực thuận mà có thể là kết quả quan trọng trong đi - ốt biến dung (varactor) tiếp giáp p-n Mặc dù có nhiều lợi thế, các tụ biến dung với tấm MEMS song song phổ biến cho thấy đáp ứng C-V không tuyến tính nhất là điều chế điện dung xảy ra gần khu vực điện áp điều khiển cao nhất. Điều này là do tốc độ là tấm di chuyển xuống khi điện áp dẫn động cung cấp tăng cung cấp một hiệu ứng gia tốc cho tốc độ làm điện dung tăng khi tấm di chuyển xuống. Đã có một số báo cáo minh họa cái phi tuyến vốn có này như là một yếu tố bản chất trong thế hệ của nhiễu pha phi hằng số trong phạm vi điều chỉnh tần số của VCOs và sự thay đổi băng thông lặp lại trong LC – VCO dựa trên PLLs. Ngoài ra, bất kỳ sự thay đổi biên độ nào trên nút đầu ra VCO do phi tuyến dẫn động đều được biết đến như một nguồn đáng kể mà làm tăng mức độ nhiễu pha VCO. Gần đây, một số tụ biến dung tấm MEMS song song đã cho thấy hệ số tuyến tính cao (LFs) (98,5%-99,6%) và tỷ lệ điều chỉnh điện dung lớn hơn đáng kể so với các thiết bị thông thường. Tuy nhiên, sẽ khó khăn để thiết kế một giá trị điện dung và một phạm vi điện áp điều khiển bằng cách tiếp cận cũ là tăng hằng số đàn hồi cơ học sử dụng một cấu trúc lò xo bổ sung hoặc độ cong của đầu tấm bilayer khi tăng điện áp hiệu dụng đặt vào. Vì vậy, một số thử nghiệm đã được yêu cầu để tối ưu hóa. Từ quan điểm này, một phương pháp rất đơn giản và hiệu quả được đề xuất để đạt được độ tuyến tính cao và tỷ lệ điều chỉnh điện dung lớn là sử dụng cấu trúc tấm song song thông thường. Điều này nghiên cứu tập trung vào hướng chuyển động của tấm. Ngược lại với hướng điều khiển khoảng cách cố định thông thường, nó đã được tìm ra là, bằng cách di chuyển các tấm theo hướng với khoảng cách tăng dần với một dịch chuyển lớn, tuyến tính tuyệt vời của đáp ứng C-V và đồng thời cũng đã đạt được tỷ lệ điều chỉnh điện dung lớn. Trong bài báo này, cung cấp mô tả cấu trúc chi tiết, mô hình hóa, thiết kế, chế tạo và kết quả thử nghiệm của các thiết bị đề xuất. Ngoài ra, trình bày so sánh các kết quả đo của đáp ứng C – V với kết quả tính toán và mô phỏng. II . Khái niệm của tụ biến dung MEMS tuyến tính Hình 1 so sánh các nguyên tắc của tụ biến dung MEMS giữa một thiết bị thông thường và thiết bị đề xuất. Như hình 1(a), các tụ biến dung MEMS song song thông thường làm tăng điện dung của nó bằng cách thu hẹp khoảng cách giữa 2 tấm song song khi điện áp dẫn động đặt vào 2 tấm này. Hình 1 Các sơ đồ khái niệm (a)tụ điện biến dung MEMS thông thường, (b) thiết bị nâng cao tỉ lệ điều khiển điện dung, và (c) thiết bị mới được đề xuất với độ tuyến tính cao và tỷ lệ điều chỉnh điện dung lớn Khi điện áp tăng, tốc độ của tấm di chuyển cũng tăng. Nhưng, khi dịch chuyển tăng, tỷ lệ tăng diện dung cũng tăng. Do đó, khi tăng điện áp, tốc độ tăng điện dung cũng tăng nhưng hơi dốc, kết quả là phi tuyến nghiêm trọng ở phần cuối đáp ứng C-V. Ngoài ra, bởi vì hiện tượng kéo xảy ra khi tấm dịch chuyển đạt 1/3 khoảng cách ban đầu, tỷ lệ điều chỉnh điện dung tối đa đạt được là 50%. Nếu phạm vi chuyển động có thể được tăng cường thông qua một phương pháp khác, C-V phi tuyến nặng hơn, có thể nhìn thấy trong hình 1(b). Khi coi dịch chuyển các tấm với một khoảng cách theo hướng ngày càng tăng với sự chuyển hướng nâng cao, sự khác biệt phát sinh từ mối quan hệ điện dung – sự dịch chuyển, được biểu diễn trong hình 1(c). Tốc độ dịch chuyển của tấm tấm tăng lên khi điện áp tăng. Tuy nhiên, tỷ lệ của sự thay đổi điện dung giảm khi tăng độ dịch chuyển. Sự phụ thuộc tốc độ đối lập có thể cân bằng tỷ lệ thay đổi từ điện áp dẫn động đặt vào tấm dịch chuyển và thế là từ chuyển động tấm đó đến điện dung để tạo ra đáp ứng C-V tuyến tính. Ngoài ra, một tỷ lệ điều chỉnh điện dung rộng có thể có được do khoảng chuyển động mở rộng của nó. III. Thiết kế A. Tụ biến dung MEMS đề xuất. Để nhận ra các khái niệm được đề xuất hình 1(c), một thiết bị truyền động có thể nâng tấm bên trên theo hướng tăng khoảng cách khi tăng điện áp dẫn động được yêu cầu . Phương pháp đơn giản nhất là đặt một tấm khác trên tấm đầu. Tuy nhiên, trong trường hợp này, mức độ chế tạo phức tạp tăng, điều rất quan trọng là cần thiết một khoảng cách lớn giữa tấm di chuyển được và tấm đầu để đạt được khoảng cách dịch chuyển đủ, dẫn đến không thể chấp nhận được điện áp hoạt động cao. Một phương pháp khác để nâng tấm ở đầu là đưa vào một điện áp hiệu dụng tăng để tạo một lực đẩy phát sinh từ một trường điện không đối xứng. Sử dụng phương pháp này, chuyển động theo hướng tăng khoảng cách cũng có thể đạt được với sự dịch chuyển rộng. Tuy nhiên, hành vi dịch chuyển tấm với việc coi trọng đẩy truyền dẫn động khác nhiều so với phương pháp thu hút truyền dẫn động đã nói ở trên là rất quan trọng để nhận ra đáp ứng C-V tuyến tính, như mô tả trong hình 1(c). Vì vậy trong cách làm này, một thiết bị truyền động với một cấu trúc đòn bẩy được phát minh, như hình 2(a). Nó bao gồm một phần là truyền động và một phần là tụ điện. Khi một điện áp được đưa vào giữa điện cực truyền động và tấm truyền động treo lơ lửng trong phần truyền động. nó tạo lên một lực hút liên tục. Tuy nhiên, do đòn bẩy, một lực nâng được tạo ra thông qua đòn cân bằng truyền động để biến đổi di chuyển xuống của tấm thiết bị truyền động thành chuyển động đi lên của tấm tụ. Bằng cách này, tấm tụ được nâng lên bởi các thiết bị truyền động thu hút tĩnh điện thường xuyên. Một cách tương tự của cấu trúc đòn bẩy được sử dụng trước đó cho một công tắc RF để làm tăng các đặc tính cách ly. Với cấu trúc đòn bẩy, sự dịch chuyển thiết bị truyền dẫn động có thể dễ dàng được khuếch đại thông qua thiết kế phù hợp với tỷ lệ l 2 /l 1 , nghĩa là tỷ lệ l 2 /l 1 càng lớn thì tỷ lệ điều chỉnh điện dung của phần tụ càng rộng. Hình 2(b) và (c) biểu diễn thiết kế đầy đủ là thông qua cơ cấu truyền động nâng ở tất cả 4 góc của tấm tụ bên trên, cung cấp một dịch chuyển song song và ổn định trong phần tụ điện, diễn tả một vị trí ban đầu và một vị trí động, tương ứng.Khi phần truyền động và phần tụ điện được tách rời ra, chúng có thể được thiết kế một cách riêng biệt, như được mô tả trong một phần mô hình cấu trúc sau đây. Một ưu điểm khác của thiết bị truyền động đề xuất là thiết bị được đề xuất là có thể được sử dụng cho tín hiệu RF công suất lớn. Khi một tín hiệu RF được đưa đến phần tụ điện, tấm bên trên có xu hướng tiến gần với điện cực phía dưới thậm chí là không cần điện áp truyền động bởi vì thành phần DC trong tín hiệu RF (lưu ý rằng các lực tĩnh điện bỏ qua các tín hiệu phân cực) tạo nên một lực hấp dẫn giữa các tấm bản tụ điện. Các lực hấp dẫn tăng lên khi công suất của tín hiệu RF tăng lên. Tụ điện có bản tụ song song thông thường không thể điều khiển hoặc bù hiện tượng này vì nó chỉ có thể tạo ra lực hấp dẫn bằng cách đưa vào điện áp dẫn động . Tuy nhiên, trong cấu trúc đề xuất, một lực nâng lên có thể được tạo ra trong phần tụ điện một cách dễ dàng bằng cách đưa một điện áp vào phần truyền động thông qua kết cấu cơ khí đòn bẩy. Khi công suất của tín hiệu RF đưa tới được đo , khoảng cách giữa các tấm tụ điện có thể được duy trì như mong muốn để giữ điện dung mong muốn bằng cách điều khiển điện áp dẫn động làm cho lớn hơn hoặc nhỏ hơn trong cách phản hồi theo các phép đo công suất. B. Mô hình cấu trúc Để thực hiện thiết bị đã đề xuất, độ lớn của điện áp yêu cầu trong điện cực truyền động để di chuyên tấm tụ điện đến một mức nhất định để có được một điện dung nhất định phải được biết đến. Do đó, yêu cầu đặt ra là phải có một mô hình cho cấu trúc được đề xuất. Đầu tiên, một mô hình cho phần thiết bị truyền động được xem xét. Trong mô hình thiết bị truyền động, phải thu được những điều sau: mối quan hệ θ-Va, điện áp kéo- trong Va, là V a, kéo – trong nếu có, và góc kéo – trong θ pull−in đạt được tại V a, kéo – trong . Khi thu được mối quan hệ θ-Va, một mô hình cho phần tụ điện có thể thu được dễ dàng, cho phép thu được mối quan hệ C so với Va trong một cấu trúc phương trình chuỗi Taylor mở rộng. Từ mục tiêu của nghiên cứu là để đạt được một mối quan hệ C – Va là phải tuyến tính ở mức có thể, tối ưu hóa các thông số làm cho hệ số thứ 2 trong chuỗi taylor bằng 0 sẽ được tìm ra. 1)Mô hình thiết bị truyền động: Khi Va được đưa vào điện cực các thiết bị truyền động, nó tác động một mô men xoắn tĩnh điện Te, và sau đó sẽ đặt đến một trạng thái cân bằng khi Te bằng mô men xoắn phục hồi Tm được tạo ra bởi các lò xo cơ khí. Te =Tm =Kmθ (1) Trong đó Km là hằng số lò xo xoắn bao gồm kết cấu đòn bẩy và lò xo nối, và θ là góc quay Hệ số lò xo K m được tính bởi công thức: K l và K j là hệ số xoắn lò xo của đòn bẩy và lo xo liên kết. G là modul cắt của 2 lò xo (đối với đồng là 44.7GPa), những tham số khác được chỉ ra ở hình 3: Mô men xoắn T e được tính bởi công thức: Trong đóε là hằng số điện môi trong không khí, γ là tỉ số của l 0 /l 1 , θ max là θ lớn nhất, nó bằng g 0 /l 1 ( khi θ rất nhỏ) và các thông số khác diễn tả trong hình 3. Tương tự truyền động tấm song song, thiết bị truyền động xoắn cũng có một góc kéo θ pull-in bản truyền động của nó kết nối với điện cực truyền động ở dưới. Góc kéo này quan trọng vì nó quyết định giá trị điện dung lớn nhất, góc kéo θ pull-in được tính dựa vào phương trình: Cũng như vậy, điện áp kéo có thể được tính bằng cách sử dụng góc kéo thu được từ (4), tính bởi (5)[21], chỉ ra ở cuối trang, khi mà θ n,pull-in là góc kéo bình thường là θ pull-in /θ max . Hình 4: Hình 4 chỉ ra tỉ lệ dịch chuyển lớn nhất của bản chuyển động, là d 1,pull-in /g0 khi d 1,pull-in (≈θ pull-in ∗ l 1 ) là khoảng dịch lớn nhất của bản truyền động trong phạm vi của góc kéo. Khi γ giảm, tức là khi vùng mà điện cực truyền động bên dưới gần như bao trùm vùng của tấm truyền động, tỉ lệ dịch chuyển càng lớn, nhờ đó tỉ lệ điều chỉnh điện dung càng cao. Hơn nữa, hình 4 cũng chỉ ra điện áp kéo tăng như thế nào khi độ chông của các điện cực truyền động giảm (γ tăng). Theo đó, γ càng nhỏ, hiệu năng truyền động diễn tả ở tỉ số dịch chuyển và điện áp kéo càng tốt. Tuy nhiên khi chế tạo người ta lấy các thông số như sau: γ=0.125, l 0 =10µm, l 1 =80µm. Tại điểm này, độ dịch chuyển cực đại đạt 44% so với khoảng cách đầu, lúc đó điện áp thu được là V a,pull-in có thể là nhỏ nhất. Khi ta thế công thức (2), (3) vào công thức (1) ta sẽ tìm được θ, thay vào (6) tìm được V a . Hình 5 chỉ ra sự thay đổi của θ, V a khi ta thay đổi n trong công thức (3) trong 2 trường hợp: n (0÷2) và n (0÷10). 2) Mô hình tụ điện: Khi thông số θ có được từ phần trước, sự dịch chuyển theo chiều thẳng đứng của tấm bản tụ được biểu diễn trong phép toán sau, giả thiết rằng θ nhỏ : d 2 = θ *l 2 (7) [...]... là phù hợp với tính toán sử dụng mô hình phát triển với một tỷ lệ đòn bẩy l2 /l1 là7 Các góc quay là 0,3480 Điều này là không bất thường trong cấu trúc, chẳng hạn như chiều cao chứa đòn bẩy hoặc lò xo nối, biến dạng cấu trúc không phẳng trong tấm tụ điện, hoặc chuyển động không song song của tấm tụ điện, quan sát trong mô phỏng, như diễn tả trong hình 8 (c) và (d) (đòn bẩy và lò xo nối là bộ phận duy... điểm Điều này có thể là một kết quả của điện dung ký sinh gây ra từ các thiết bị nâng truyền động Tuy nhiên, hai đáp ứng C-V cho thấy kết quả gần như giống hệt nhau về LF và tỷ lệ điều chỉnh điện dung Tụ điện biến dung MEMS chế tạo được đo sử dụng một bộ đo LCR tại 1 kHz, như hình 11 Trong khu vực sử dụng thực tế (10-45 V), LF là 99,5% Đây là một giá trị cải thiện đáng kể so tụ biến dung MEMS có tấm song. .. tối đa, và đáp ứng với tỉ lệ điều chỉnh điện dung tối đa, được tính toán với n = 0 ~ 10 trong (3) với độ chính xác Hơn nữa, γ nhỏ hơn là có lợi bởi vì nó cung cấp tổng chiều dài của đòn bẩy truyền dẫn (l1 + l2) nhỏ hơn cũng như điện áp kéo thấp hơn mặc dù tỷ lệ điều chỉnh điện dung tối đa là giảm nhẹ Hình 11 Tính toán, mô phỏng, và kết quả đo của các đáp ứng điện dung, so với điện áp của tụ điện MEMS. .. bị nâng truyền động, bằng việc áp dụng một cấu trúc phân chia tấm phía dưới đã được báo cáo trước đây [23] Ngoài ra,đóng gói thích hợp nên được xem xét để ngăn chặn đồng không bị oxy hóa VI KẾT LUẬN Trong bài báo này, một tụ điện biến dung MEMS mới với một đáp ứng C-V tuyến tính cao và tỷ lệ điều chỉnh điện dung lớn đạt được bằng cách thay đổi hướng chuyển động của tấm đã được đề xuất và phát triển... (10-45 V) Tụ biến dung MEMS chế tạo chứng minh tự cộng hưởng tần số (SRFs) 3,4 GHz tại 0 V và 5 GHz tại 45 V, và hệ số Q-được đo giữa 7.3 và 13,5 tại 1 GHz, như hình 13 So sánh với tụ điện biến MEMS tấm song song thông thường, các giá trị này tương đối thấp tại thời điểm này bởi vì các tín hiệu RF đi qua thông qua các thiết bị đòn bẩy truyền động dài, có vai trò như là 1 thiết bị dẫn, và các cấu trúc lò... nhận được kéo dãn khi nó hoạt động) Thông qua mô phỏng này, chúng tôi xác nhận rằng thiết bị đề xuất có các thông số được thiết kế theo cấu trúc quá trình mô hình phù hợp với dự kiến Bảng I I KẾT QUẢ CỦA LF và TỈ LỆ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN DUNG CỦA TỤ BIẾN DUNG MEMS ĐỀ XUẤT IV CHẾ TẠO Hình 9 cho thấy quá trình chế tạo tụ biến dung MEMS đề xuất với hình ảnh mặt cắt ngang Quá trình sử dụng chất nền thủy tinh để... phần vào đặc tính phi tuyến Do đó,trong trường hợp để đạt được mối quan hệ C-V tuyến tính thì hệ số thứ hai C2 phải được đặt bằng 0 Sử dụng γ=0.125 tính được phía trên , C2 được xác định bằng công thức: Hình 6 chỉ ra rằng ở phần thứ 2 khi C tính toán và tổng C trong phần đó với hệ số nâng lệ l0/l1 ta sẽ có thông số sử dụng trong hình 6 được liệt kê ở bảng 1 Tỉ lệ nâng tối ưu để lực C2bằng 0 có thể tính. .. minh việc thực thi nó với các kết quả mô hình hóa và thử nghiệm Các cấu trúc đòn bẩy đã được đưa ra để thay thế các bộ chấp hành cố đinh, để tăng khoảng cách trong phần thiết bị truyền động và để khuếch đại sự chuyển động của tấm bản cực tụ điện bằng kết cấu cơ khí đòn bẩy Các thiết bị chế tạo cho thấy LF tuyệt vời là hơn 99% trong các đáp ứng C-V và một tỉ lệ điều chỉnh điện dung là hơn 100% mà không... có tấm song song khoảng cách cố định thông thường với LF thường là gần 85% Tỷ lệ điều chỉnh điện dung là 134% trong cùng khu vực (10-45 V) Đây cũng là giá trị cao hơn nhiều so với các thiết bị thông thường, có tỷ lệ điều chỉnh điện dung tối đa là 50% Trong hầu hết các phạm vi điện áp, kết quả đo được phù hợp với kết quả tính toán và mô phỏng Tuy nhiên, trong vùng điện áp đầu tiên, điện dung không giảm... 0,125) ,và l2 = 560 micromet (l2/l1 là khoảng xấp xỉ bằng 7) Trong khi đó, γ là được thiết lập đến 0,125, dịch chuyển tối đa tại các bản tụ điện là: Từ đó, tỷ lệ điều chỉnh điện dung tối đa sẽ là C0 là điện dung ban đầu ở phần còn lại, đó là điện dung tối đa đạt được, và Cpull –in là điện dung tại V0,pull-in Hình 7 cho thấy tỷ lệ đòn bẩy l2/l1đối với γ, trong đó điện cực C2 bằng không để đạt được tuyến tính . niệm của tụ biến dung MEMS tuyến tính Hình 1 so sánh các nguyên tắc của tụ biến dung MEMS giữa một thiết bị thông thường và thiết bị đề xuất. Như hình 1(a), các tụ biến dung MEMS song song thông. số chất lượng tương đối cao so với các loại tụ biến dung MEMS khác và điốt điện dung trạng thái rắn. Theo đó, các tụ biến dung với tấm MEMS song song thường được sử dụng trong các dao động điều. động (thiết bị truyền động) nâng, tuyến tính, hệ thống MEMS, tụ biến dung. I. Giới thiệu Trong ứng dụng RF, tụ biến dung với hệ thống tấm MEMS song song được nghiên cứu rộng rãi để sử dụng trong