تصميم ومحاكاة الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة اعتماداً على رنانات الموجات الصوتية ذات الأغشية الرقيقة

الباحث

ضفاف طلال شاكر زبالة

المشرف

سعد سفاح حسون

الجامعة

جامعة بابل

الكلية / القسم

كلية الهندسة / الهندسة الكهربائية

الشهادة

دكتوراه

السنة

2024

لغة الرسالة

انكليزي

الكلمات المفتاحية

MEMS ; Film Bulk Acoustic Resonators ; Simulation ; Microelectronics

الانظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) هي انظمة صغيرة يتم تصنيعها باستخدام تقنيات التصنيع الدقيقة المتخصصة. أحد المكونات الرئيسية في اجهزة MEMS هو مرنان MEMS الذي حظي باهتمام كبير نتيجة الاهتمام المتزايد بالمرنانات ذات الترددات التشغيلية العالية لتلبية احتياجات تطبيقات متعددة مثل اتصالات الجيل الخامس والاستشعار اللاسلكي ومعالجة البيانات عالية السرعة. من بين جميع أنواع GUL yall الدقيقة، تعد GUL) الموجات الصوتية ذات الاغشية الرقيقة (FBAR) الخيار الأكثر واعداً والذي تم استخدامه في هذه الأطروحة. FBAR يحتوي على غشاء رقيق كهروضغطي موضوع بين قطبين معدنيين، مما يخلق نظاماً رناناً. في هذه day bY! تم اقتراح شكل دائري منحني ومقارنته بالأشكال التقليدية (المستطيلة، الدائرية، والمربعة). تم اقتراح هذا الشكل لأنه يمكن أن يساعد في تقليل الفاقد الصوتي عن طريق تقليل الانعكاسات الحافة والتشتتء مما يؤدي إلى تحسين حصر الطاقة داخل المذبذب،ء وبالتالي تحسين كفاءته الإجمالية. تم دراسة نيتريد الألومنيوم المشوب بنسبة 712 من السكانديوم (لالوروه5وو1ه)لأول مرة كمواد كهروضغطية في جميع المرنانات، ومن ثم تم مقارنته بالمواد الكهروضغطية التقليدية مثل700 و4121 LINDO35 و71 . يمكن زيادة معامل الاقتران الكهروميكانيكي ل FBAR عن طريق تشويب نيتريد الألومنيوم بعنصر السكانديوم، مما يجعله أكثر ملاءمة لإنشاء مرشحات GIS FBAR نطاق ترددي أوسع. تم تصميم محاكاة FBAR المقترحة باستخدام 2021 MATLAB و 6.1 COMSOL تهدف المحاكاة إلى تحسين معايير أدائهاء مثل تردد الرنين،ء عامل الجودة، معامل الاقتران الكهروميكانيكي الفعال بالإضافة إلى عناصر الدائرة الكهربائية المكافئة لكل مرنان. أظهرت نتائج المحاكاة أن الرنانات المقترحة تؤدي بشكل أفضل من الرنانات الموجودة سابقاً. كما أظهرت أنها تتمتع بمعامل اقتران كهروميكانيكي أكثر فعالية وتردد رنين أعلى عندما يتم استخدام الاورو5وو Alp كمواد كهروضغطية.ء حيث وصلت إلى حوالي 18.4 لجميع المذبذبات و 13.9 جيجاهرتز على التوالي. isi تم استخدام الرنانات المقترحة كأجهزة استشعار Glad poy في تطبيقين مختلفين. في التطبيق الأول، تم تعديل FBAR المستطيل ليصبح مستشعر ضغط. تم ضبط معايير Sie سمك الطبقة الكهروضغطية وخصائص المواد وتكوين الأقطاب الكهربائية بشكل متكرر لتحقيق تردد الرنين المطلوب وزيادة حساسية المستشعر. قدم مستشعر FRAR المقترح حساسية ودقة عالية، مما يجعله مناسباً لاكتشاف التغيرات الطفيفة في الظروف البيئية. في التطبيق الثاني، تم استخدام المذبذب المقترح كمرشح. أظهر FBAR أنه خيار ممتازء خاصة مع التركيز الحالي على المرشحات الصوتية التي توفر أداءً عالياً وحجماً صغيراً ومرشحات لاسلكية اقتصادية. تم إستخدام ثلاثة أنظمة él (ladder, lattice and mixed) على مواصفات الرنان المقترح لتمثيل مرشح الحزمة الترددية.

Micro Electromechanical systems (MEMS) are tiny structures that are fabricated using specialized microfabrication techniques. The main component of MEMS devices are MEMS resonators that received considerable attention due to the increased interest in resonators with high operating frequencies to meet the needs of various applications such as 5G communication, wireless sensing, and high-speed data processing. Among all the types of MEMS resonators, Film Bulk Acoustic Wave Resonator (FBAR) represents the most promising choice which is used in this thesis. The FBAR incorporates a piezoelectric thin film placed between two metal electrodes, creating a resonant system. In this thesis, a curved circular shape is proposed and compared with the conventional shapes (rectangular, circular and square). This shape is proposed because it can help minimize acoustic losses by reducing edge reflections and scattering which leads to improved energy confinement within the resonator, enhancing its overall efficiency. Aluminum Nitride doped with 12% scandium (Al0.88Sc0.12N) is investigated for the first time as the piezoelectric material in all resonators and then compared with conventional piezoelectric materials, namely ZnO, AlN, LiNbo3, and PZT. The electromechanical coupling coefficient of the FBAR can be increased by doping the element with scandium in AlN, making it more appropriate to create FBAR filters with a larger bandwidth. The proposed FBAR are designed and simulated using MATLAB 2021b and COMSOL 6.1. The simulation aims to improve their performance parameters, such as resonant frequency, quality factor, effective electromechanical coupling and figure of merit, in addition to electrical equivalent circuit parameters for each resonator. Simulation results showed that the proposed resonators perform better than previously proposed resonators. Also, they have a more effective electromechanical coupling coefficient and resonance frequency when Al0.88Sc0.12N is used as a piezoelectric material, about 18.4 of all resonators and 13.9 GHz, respectively. Finally, the proposed resonators are employed as sensors and filters in two different applications. In the first application, the rectangular FBAR is modified as a pressure sensor. Parameters such as piezoelectric layer thickness, material properties, and electrode configuration are iteratively adjusted to achieve the desired resonant frequency and increase sensor sensitivity. The proposed FBAR sensor provided high sensitivity and accuracy, making it suitable for detecting minor variations in environmental conditions. In the second application, the proposed resonator is used as a filter. The FBAR has shown to be a great option, especially with the current emphasis on acoustic filters that offer high performance, small size, and economical wireless filters. Ladder, lattice and mixed are the three systems that are created based on the specifications of the proposed resonator to represent the band pass filter.

طلب نسخة من الملف

الملفات غير منشورة على الموقع. اترك بياناتك وسيتواصل معك موظفو قسم الشؤون الثقافية والفنون لإرسال النسخة مجاناً.

الاسم

رقم الهاتف

البريد الإلكتروني

الغرض من الطلب (اختياري)

إرسال الطلب