منصة الرسائل والاطاريح: تصميم و محاكات الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة اعتماداً على رنانات لموجات الصوتية ذات الأغشية الرقيقة ا

الخلاصة

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 المرنانات الدقيقة، تعد رنانات 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 الأطروحة، 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 والتشتت، مما يؤدي إلى تحسين حصر الطاقة داخل المذبذب، وبالتالي تحسين كفاءته الإجمالية. تم دراسة نيتريد الألومنيوم المشوب بنسبة 12٪ من السكانديوم (Al0.88Sc0.12N) لأول مرة كمواد كهروضغطية في جميع المرنانات، ومن ثم تم مقارنته بالمواد الكهروضغطية التقليدية مثل ZnOوAlN وLiNbO3 وPZT . يمكن زيادة معامل الاقتران الكهروميكانيكي لـ FBAR عن طريق تشويب نيتريد الألومنيوم بعنصر السكانديوم، مما يجعله أكثر ملاءمة لإنشاء مرشحات FBAR ذات نطاق ترددي أوسع. تم تصميم محاكاة FBAR المقترحة باستخدام MATLAB 2021b و COMSOL 6.1 تهدف المحاكاة إلى تحسين معايير أدائها، مثل تردد الرنين، 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 Al0.88Sc0.12N كمواد كهروضغطية، حيث وصلت إلى حوالي 18.4 لجميع المذبذبات و 13.9 جيجاهرتز على التوالي. أخيراً، تم استخدام الرنانات المقترحة كأجهزة استشعار ومرشحات في تطبيقين مختلفين. في التطبيق الأول، تم تعديل FBAR المستطيل ليصبح مستشعر ضغط. تم ضبط معايير مثل سمك الطبقة الكهروضغطية وخصائص المواد وتكوين الأقطاب الكهربائية بشكل متكرر لتحقيق تردد الرنين المطلوب وزيادة حساسية المستشعر. قدم مستشعر FBAR 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 ممتاز، خاصة مع التركيز الحالي على المرشحات الصوتية التي توفر أداءً عالياً وحجماً صغيراً ومرشحات لاسلكية اقتصادية. تم إستخدام ثلاثة أنظمة (ladder, lattice and mixed) بناءً على مواصفات الرنان المقترح لتمثيل مرشح الحزمة الترددية.