پروپوزال دکتری برق: میکرو ساختارهای مومانند سه‌بعدی برای پلتفرم‌های چندمبدلی و ادغام با CMOS

عنوان:

میکرو ساختارهای مومانند سه‌بعدی برای پلتفرم‌های چندمبدلی و ادغام با CMOS

تعداد صفحات: 88

فهرست مطالب

عنوان                                                                                                            صفحه

1- مقدمه. 11

2- بيان مسأله. 15

3- میکروسیستم چند مبدلی زیست تقلیدی مو. 19

4- اهمیت و ضرورت انجام تحقيق.. 25

5- جنبه جديد بودن و نوآوري در تحقيق.. 26

6- اهداف تحقيق.. 26

6-1- اهداف آرماني.. 26

6-2- اهداف کلی.. 26

6-3- اهداف ويژه. 27

6-4- اهداف کاربردی.. 27

7- بهره‏وران تحقیق.. 28

8- سؤالات تحقیق.. 28

9- فرضيه‏هاي تحقیق.. 28

10- مفاهیم نظری و مرور ادبیات مربوطه. 29

10-1- دقت بالا در محدودة فول اسکیل گسترده. 29

10-2- پردازنده فرکانس میکرومکانیکی درسراسر طیف فرکانس گسترده. 34

10-3- پایداری و دقت فرکانس بالا توسط آرایه تشدیدکننده. 38

10-4- توسعه فناوری ادغام عمودی سه‌بعدی.. 40

11- سنسورهای موی زیست تقلیدی و آرایه‌های حسگر MEMS. 45

12- شتاب سنج MEMS و توصیف ساختار مو. 49

13- پیشینة تحقیقات مربوطه. 54

14- روش‌شناسی تحقیق.. 61

14-1- اچینگ یونی واکنشی عمیق یا deep-reactive-etching. 62

14-2- اهداف طراحی آرایه آستانه دیجیتال.. 63

15- روش پیاده‌سازی.. 63

16- محدودیت‌های تحقیق.. 63

17- طرح موی زیست تقلیدی پیشنهادی.. 64

17-1- بهینه‌سازی طراحی ساختار مو. 66

18- روش‌ها و ابزار تجزیه‌وتحلیل داده‏ها 68

18-1- اچینگ یونی واکنشی عمیق با نسبت منظری فوق‌العاده بالا در سیلیکون ضخیم.. 68

18-2- ساختار موی دو شکافی.. 69

18-3- شتاب سنج موی خازنی چند محوره با حساسیت پذیری بالا و کم نویز. 70

18-4- فرایند تولید میکرو. 72

18-5- ادغام MEMS با  CMOS. 74

18-6- شتاب سنج و آرایه‌های شتاب سنج موی دیجیتال محدوده گسترده و توان پایین.. 75

18-7- نرم افزار مورد استفاده. 75

18-8- تحلیل المان محدود (FEA) 76

19- دستاوردهای مورد انتظار تحقیق.. 79

20- منابع.. 81

فهرست شکل‌ها

عنوان                                                                                                            صفحه

شکل 1- مو در طبیعت: (الف) نوروماست بنام کاپولا که از پهلوی بدن ماهی بیرون زده است؛ (ب) سنجش جریان هوا در جیرجیرک‌ها توسط زائدة سرسی (Bruinink et al., 2009) 20

شکل 2- سلول‌های موی داخلی و خارجی در تعامل با غشای باسیلار که از موج صدا برانگیخته‌شده است (Robert and Hackney, 2006) 21

شکل 3- تنظیم پسیو با غشای باسیلار(Robert and Hackney, 2006) 22

شکل 4- منحنی تنظیم (میزان‌سازی) (Robert and Hackney, 2006) 22

شکل 5- طول سلول‌های موی OHC خارجی در مقابل فرکانس پستانداران مختلف و چرخش حلزونی مختلف (Robert and Hackney, 2006) 23

شکل 6- یک سیستم سنجش فشار بارومتریک یکپارچه با رزولوشن بالا (Chavan, 2001; Chavan and Wise, 2002): اندازه‌گیری ولتاژ خروجی مبدل انتخاب محدوده جهانی و مبدل‌های چهار قطعه. 31

شکل 7- گسترش دامنه فول اسکیل با استفاده از آرایه شتاب سنج سری Colibrys MS800 مالتی پلکس شده (Hudson et al., 2006) 33

شکل 8- (الف) اصل انتخابی سیگنال، (ب) مدولاسیون سختی فرکانس رزونانس جفت جرم فنر توسط نیروهای الکترواستاتیک (Scheibner et al., 2003). 35

شکل 9- (الف) اندازه‌گیری یک سازه سنسور که از 1 تا 2 کیلوهرتز را با ولتاژ مختلف تنظیم پوشش می‌دهد، و (ب) چیدمان آرایه هشت سنسور که از 1 تا 10 کیلوهرتز را پوشش می‌دهد (Scheibner et al., 2003). 36

شکل 10- نمودار بلوک ساده فیلترهای بسیار انتخابی ارائه شده برای زیر سیستم‌های ارتباطی، که در آن هر ترکیب سوئیچ فیلتر به یک فیلتر میکرومکانیکی تکی مربوط می‌شود (Nguyen, 1998). 37

شکل 11- (الف) شماتیک یک تشدید کنندة دیسک پلی سیلیکون حالت کانتور رادیال 215 مگاهرتز در پیکربندی سنجش و تحریک دو پورت با مدار الکتریکی معادل کلاسیک که دارای سفتی الکتریکی فشرده شده در خازن متغیر C_r است. (ب) شماتیک یک تشدیدکننده دیسک آرایه کامپوزیت با دیسک های لینک شده با تیرهای جفت کننده λ/2 برای اجرا در فاز لرزش هر یک از تشدیدکننده‌های تکی. مدار معادل ظرفیت منفی یک دیسک آرایه کامپوزیت با تشدیدکننده‌های N بر اساس مقادیر عنصر مدار معادل تشدید کنندة تکی. (ج) SEM یک آرایه دیسک حالت کانتور تبدیل شدة شکاف خازنی 215 مگاهرتز 50 نانومتر با استفاده از 50 تشدیدکننده جفتی مکانیکی. و (د) منحنی های اندازه‌گیری فرکانس رزونانس در مقابل ولتاژ بایاس dc ولتاژ V_P در برابر شبیه سازی با استفاده از مدل‌های مدار معادل ظرفیت خازنی منفی برای آرایه‌های دیسک با N = 1 ، N = 8 ، N = 16 و N = 50. (Wu et al., 2013) 40

شکل 12- گزینه های ادغام فرآیند MEMS و توالی ساخت الکترونیکی: 1) مراحل یک در میان سازی، 2) MEMS اول و 3) MEMS- آخر ، شامل تشکیل میکروساختارها از لایه‌های پشته فلزپوشانی (Fedderet al., 2008). 41

شکل 13- حسگرهای تصویر CMOS؛ (الف) یک مهره CMOS و (ب) یک پیش الگوی VI-CMOS پشتة مهره با آشکارساز نوری در بالای مهره CMOS (Skorka and Joseph, 2011). 43

شکل 14- نمونه‌های اولیه VI-CMOS: (الف) ابعاد پیکسل ؛ (ب) ابعاد پیکسل  (Skorka and Joseph, 2011). 45

شکل 15- حسگرهای موی میکروماشینکاری شده: (الف) 820-μm طول کلسیم توسط دفورماسیون مونتاژ مغناطیسی با کرنش سنج متصل به حسگرهای تقلیدی خط جانبی در ماهی (Fan et al., 2002)؛ (ب) موی SU‐8  با طول 700-μm و کرنش سنج در پایه آنها (Chen et al., 2007)؛ (ج) آرایه حسگر جریان هوای جهت دار با استرولیتوگرافی و ساختارهای میکروهیدرولیک MEMS (Sadeghiet al., 2011;Sadeghiet al., 2013)؛ (د) آرایه موی SU8  با لیتوگرافی. سنجش خازنی در پایه است (Bruinink et al.,2009;Dagamseh, 2010). 47

شکل 16- آرایه حسگر جریان زیست تقلیدی با حساسیت در مرتبه 1mm/s؛ (الف) عملیات: انتقال خازنی به کج شدن یک غشاء با نیروهای کششی که روی موهای گیرنده SU-8 حسگر عمل می‌کنند، متکی است. (ب) جمع آثار معیارهای آکوستیک در سه فرکانس مختلف (10 هرتز، 100 هرتز و 400 هرتز) بر روی سنسور جریان. آرایه‌ای از سنسورها از مدارهای مدولاسیون تقسیم فرکانسی (FDM) برای تشخیص الگوی جریان استفاده می‌کنند (Bruinink et al.,2009; Dagamseh, 2010). 49

شکل 17- (الف) شتاب سنج MEMS: سیستم میراگر-فنر- جرم مرتبه دوم. (ب) دامنه نوسان و پاسخ فاز سیستم میراگر-فنر- جرم مرتبه دوم. 52

شکل 18- شتاب سنج Bosch BMA455. 54

شکل 19- شتاب سنج‌های آستانه میکرومینیاتور (Frobenius et al., 1972): (الف) SEM یک ماژول با هفت سگدست؛ (ب) منحنی های طراحی؛ و (ج) نتایج آزمون شتاب یک ماژول شتاب دار سه تیر در یک سانتریفیوژ بیوشیمیایی به قطر 24 سانتی متر. 58

شکل 20- شتاب سنج‌های آستانه میکرومینیاتور (Selvakurnar et al., 2001): (الف) تصویر حسگرهای شتاب آستانه که از افزونگی استفاده می‌کنند (سه مجموعه یکسان، هر مجموعه شامل سه آستانه مختلف). (ب) بالا: طرح‌های شتاب سنج آستانه و پایین: نمای جلویی سوئیچ آستانه: پایین آمدن نامتقارن با پیکربندی دوگانه کانتکت در مقابل کشیدن به سمت پایین متعادل با جانمایی کانتکت سه گانه با شکاف تماس به خوبی تعریف شده در 0.25 میکرومتر؛ ج) میکروگراف SEM از یک آرایه سه گانه با آستانه 1.5 g  با طول 100 میکرومتر، عرض 25 میکرومتر و ضخامت 0.75 میکرومتر تیرهای اکسید ضخیم و 175 میکرومتر طول، 114 میکرومتر عرض و 15 میکرومتر ضخامت جرم اینرسی. (د) نمودار بلوک مدار عملکردی که کانالهای افزونه ورودی را نشان می‌دهد و رای گیری منطقی تابع اکثریت؛ (هـ) نمودار شماتیک کانال حس. 59

شکل 21- شتاب سنج دیجیتالی 3 بیتی عملیاتی (Kumar et al., 2016): (الف) نقشه برداری خروجی باینری شتاب. (ب) نمای SEM شتاب سنج دیجیتال ساخته شده که اتصالات الکتریکی دستگاه را نشان می‌دهد. (ج) نمای جانبی بزرگنمایی شده شکاف بین جرم محک و الکترود خروجی که فاصله باریک شده با رسوب طلا را نشان می‌دهد. 60

شکل 22- ساختار حسگر موی زیست تقلیدی پیشنهادی: (الف) ساختار موی زیست تقلیدی تکی با فنر مومانند عمودی، جرم محک بلند و الکترود برای سنجش خازنی و فعال سازی. (ب) آرایه‌ای از ساختارهای مو با ابعاد مختلف. 65

شکل 23- (الف) پارامترهای مهم در طراحی ساختار مو؛ پروفایل شکاف وقتی‌که شتاب جانبی اعمال می‌شود. 66

شکل 24- مواد پوشاننده DRIE برای فرآیندهای طولانی DRIE که برای نسبت منظری بسیار بالا و فوق‌العاده عمیق (UHAR) استفاده می‌شود: 5 – 6 میکرومتر LPCVD SiO₂ و لایه‌های ضخیم فوتورزیست به ترتیب که به‌عنوان ماده پوشش سخت و نرم به کار می روند. مقاومت نازک تر (~ 3 μm) برای اندازه‌های ویژگی 1 تا 10 میکرومتر به دلیل محدودیت‌های لیتوگرافی استفاده می‌شود. 74

فهرست جدول ها

عنوان                                                                                                            صفحه

جدول 1- انتخاب شتاب سنج براساس کاربرد (Classen et al., 2017) 53

جدول 2- شتاب سنج خازنی حساسیت بالا و کم نویز در ادبیات.. 71