دستاوردهای تکنولوژی صنعت برق و الکترونیک

 نانوالکترونیک چیست؟ ....

 

نانو الکترونیک به چه معناست و چه کاربردی دارد؟

فناوری نانو نقطه جذب و همگرایی علوم مختلف همچون برق و الکترونیک در آینده است. در این میان یکی از پرکاربردترین شاخه های این علوم میتوان به  نانو الکترونیک اشاره کرد. امروزه افزایش ظرفیت ذخیره داده، افزایش سرعت انتقال و کوچک کردن هر چه بیشتر وسایل برقی و الکترونیکی و به خصوص ترانزیستورها دارای اهمیت بسیاری زیادی دارد زیرا هرچه ابعاد و مقیاس این وسایل الکترونیکی کوچکتر باشند باعث افزایش سرعت پردازش و کاهش چشمگیر توان مصرفی آن میشود.نانو الکترونیک می تواند در رسیدن به ابعاد هر چه کوچک تر راهگشا باشد.به طوری که رشد این صنعت رو به افزایش و خواهان زیادی را در سراسر دنیا دارد.تحلیل دقیق نتایج و اصلاح اصولی روش های آزمایش، باید علوم پایه ای نظیر فیزیک کوانتوم و مکانیک کوانتومی و فیزیک حالت جامد مورد مطالعه قرار بگیرند.

 نانو الکترونیک

 

اهداف و رویکردهای نانو الکترونیک در آینده :

در چند دهه‌ اخیر شاهد روند روز افزون پیشرفت‌های زیادی در زمینه بالابردن قابلیت ذخیره اطلاعات حافظه‌ها و همچنین کاهش چشمگیر اندازه و ابعاد آن در حد نانو بوده‌ایم که نتیجه آن چند برابر شدن سرعت پردازش در عرض کمتر از یک سال بوده است و این همان هدفی است که سالها انتظار تحولی عظیم در صنعت میکروالکترونیک را طی چند دهه اخیر و سالهای آتی از نظر بنیادی و اقتصادی نوید می‌دهد. اکنون نیز همچنان این تحقیقات ادامه دارد و هدف از آن تولید خواص نمونه و شکل ظاهری جدید و در نتیجه خلق نانوالکترونیک وصنعتی جدید در سراسر دنیا است.

 

 

کاربرد نانوالکترونیک در صنعت :

با استفاده از این فن آوری میتوان ظرفیت ذخیره‌سازی اطلاعات را تا 1000 برابر یا بیشتر افزایش داد که این منجر به ساخت ابزارهای ابر محاسباتی به کوچکی یک ریزپردازنده منتهی می‌شود. ظرفیت نهایی ذخیره اطلاعات به حدود چند ترابیت در هر اینچ مربع رسیده، و این امر موجب ذخیره‌ سازی بیش از صد عدد DVD یا بیشتر در یک هارد دیسک با ابعاد یک کارت االکترونیکی می‌شود. ساخت تراشه‌ها در اندازه‌های فوق‌العاده کوچک به‌عنوان مثال در اندازه‌های 30 تا 100 نانومتر، تولید دیسک‌های نوری 120 گیگابایتی در اندازه‌های کوچک نیز از دیگر محصولات آن می‌باشد.

 

نمونه هایی از کاربرد فن آوری نانو در الکترونیک

1) کربن نانو تیوب ها (carbon nanotubes) :              

نانو تیوب ها دارای فرم های لوله ای شکل و با ساختار منتظم شش ضلعی هستند. نانو تیوب ها را می توان صفحات گرافیتی فرض کرد که لوله شده اند. بر اساس محور چرخش صفحات نانو تیوب ها می توانند رسانا یا نیمه رسانا باشند.

 نانو تیوب در ساختمان هوشمند

 

نانولوله

به علت اینکه کربن با سه پیوند همچنان دارای یک اوربیتال خالی p می باشد ، حرکت موجی الکترون ها به راحتی در سطح بیرونی این لوله ها صورت می گیرد. این ساختار کربنی علاوه بر رسانایی بالا دارای استحکام مکانیکی بسیار خوبی نیز است. البته در کنار این مزایا مشکلاتی نیز وجود دارد. اغلب فرآیند های ساخت نانو تیوب ها به گو نه ای می باشند که امکان کنترل و نظارت کامل در طول فرآیند وجود ندارد به عنوان مثال تعیین قطر دقیق و یکسان برای لوله های کشت شده در یک محیط، کنترل تولید نانو لوله های تک دیواره و یا چند لایه و یا ساخت نانو لوله های مستقیم و بدون خم شدگی با طول زیاد از مسائلی است که هنوز در فرآیند بهبود کیفیت تولید نیاز به مطالعه و تحقیقات بیشتری دارد. همچنین به علت پدیده تونل زنی الکترون که یک پدیده کوانتومی است امکان افزایش نشتی جریان و در نتیجه  افزایش تلفات وجود دارد که بررسی روش های کاهش احتمال تونل زنی از جمله کارهایی است که می توان انجام داد. از کربن نانو تیوب ها به دلیل رسانایی بالا و مقاومت کم در دمای محیط در ساخت کانال هدایت ترانزیستورها ، نوک میکروسکوپ های عکسبرداری در ابعاد نانو استفاده می شود.

 

 نانو کربن ها در سیستم نوین هوشمند

 

 

  

 2 ) نانو ترانزیستورها (Nano transistors) :

طبق قانون مور(MOORE Law) تعداد ترانزیستورها در واحد سطح تراشه های الکترونیکی در هر بازه 10 تا 18 ماهه دو برابر می شود. نام فن آوری رایج امروز در ساخت ترانزیستورها، MOSFET می باشد که بر پایه استفاده از سیلیکون است. کوچکتر شدن ابعاد ترانزیستورها در MOSFET دارای مشکلاتی است که از جمله آن نشتی های جریان متفاوتی است که ایجاد می شود. یکی از روش های حل این مشکل ساخت تراتزیستورها با استفاده از نانو سختارها و به خصوص نانو تیوب ها می باشد.

 

 نانو ساختارها و نانو تیوب

 

 

  3 ) محاسبه گر ها در مقیاس نانو (Nano computers) :

امروزه در زمینه های مختلف از جمله فن آوری نانو پیوند میان رشته های مختلف علوم امری انکار ناپذیر است. از جمله نتایج این همکاری طراحی نانو محاسبه‌گرها می باشد. هیدرو کربن های آروماتیک از ریشه بنزن به علت وجود اوربیتال های p و ابر الکترونی در بالا و پایین آنها و همچنین پدیده رزونانس می توانند محیط انتقال خوبی برای الکترون باشند و بر عکس هیدروکربن های زنجیری مانند نارسانا عمل می کنند. از به هم پیوستن این هیدروکربن ها با هم می توان دیود، گیت های منطقی و مدارهای الکترونیکی را طراحی کرد.

 

 4 ) MRAMها (Magnetic Random Access Memories) :

فن آوری های روز حافظه  RAM, Flash Memory, … مشکلات متعددی را برای مصرف کنندگان آنها به وجود آورده است که به عنوان نمونه می توان به سرعت پایین خواندن و نوشتن روی Flash Memories و EEPROM و یا محدودیت اقتصادی افزایش فضای RAM اشاره کرد. MRAM یک فناوری حافظه پایدار است که علاوه بر سرعت بالا می تواند ظرفیت حافظه بالایی را نیز فراهم کند. اساس کار MRAM بر پایه تفاوت مقاومت الکتریکی لایه های نازک مواد بر اثر قطبیده شدن ذرات آنها در راستاهای متفاوت می باشد؛ که به مقاومت مغناطیسی موسوم است. چون سلول های حافظه MRAM بر پایه ترانزیستور عمل نمی کنند پس در ابعاد کوچک مشکلاتی نظیر تونل زنی رخ نخواهد داد و می توان سلول های حافظه MRAM را تا ابعاد نانو کوچک کرد.

 ترانزیستورهای خانه هوشمند

 

نانو الکترونیک زمینه گسترده‌ای با پتانسیل ایجاد تغییرات بنیادی در علوم مختلف حتی در پزشکی است و انجام کارهای زیر برای پیشبرد آن می‌تواند مفید باشد:

  1. فهم اصول انتقال در مقیاس نانو
  2. گسترش فهم هرچه بهتر روش‌های خودچیدمانی (self-assembly) ذرات برای انجام کارها به صورت ارزان‌تر، که این خود مستلزم حل مشکلات ارتباطی و جایگزینی در ترانزیستورهاست
  3. یافتن راه‌هایی جدید برای به کار بردن علم الکترونیک و عدم تکثیر ابزار و به جای آن تحقیق راجع به انواع جدیدتر.

 

صفحه نمایش لمسی

یکی از دغدغه های طراحان سیستم های رایانه ای برای محصولات شان داشتن یک رابط خوب با کاربران است به عبارت دیگر طراح باید سیستمی طراحی کند که علاوه بر داشتن عملکرد خوب، کاربرپسند نیز باشد و نیاز به صرف وقت و هزینه های زیاد برای آموزش کاربران آن سیستم نباشد و در نهایت نحوه ارتباطش با کاربران ساده و سریع باشد. از این لحاظ فناوری تاچ اسکرین یا صفحه لمسی اهمیت پیدا کرده است و برای برخی کاربردها به طور گسترده استفاده می شود.

شاید تا به حال مانیتورهای مجهز به صفحه نمایش لمسی را دیده باشید این گونه صفحه نمایش ها دارای مزیت ها و البته معایبی است، به عنوان مثال در دستگاه هایATM یا عابر بانک نیاز شدیدی به این فناوری احساس می شود. کار با این دستگاه ها، این گونه است که کاربر بسته به این که صفحه لمسی با چه فناوری ساخته شده است، نقطه مورد نظر را که نمایش یک کلید یا لینک می باشد توسط قلم مخصوص یا انگشت لمس و فرمان لازم یا درخواست خود را وارد سیستم می کند.

 

صفحات هوشمند لمسی

  • مزایای صفحه لمسی

۱) انتصاب فضای کمتر برای دستگاه هایی که شامل صفحات لمسی هستند.

۲) قسمت های متحرک این صفحات کمتر است.

۳) از آن ها به عنوان یک دستگاه ثابت در یک نقطه میتوان استفاده نمود.

 

  • انواع صفحه لمسی از لحاظ طریقه نصب

▪ صفحه لمسی ها به ۲ روش در نمایشگرها نصب و راه اندازی می شونددر اینجا دو روش از رایجترین طریقه نصب این صفحات را نام بردیم...

۱) Built-in

۲) Add-on

در روش Built-in صفحه لمسی روی پنل قرار میگیرد در حالی که در روش Add-on کار به گونه ای دیگر است به طوری که صفحه لمسی را می توان روی نمایشگرها یا مانیتورها اضافه کرد در این روش کنترلر صفحات لمسی روی صفحه مانیتور نصب می شود.

  • اجزای صفحات لمسی

صفحه های تاچ یا لمسی از سه حالت زیر تشکیل می شوند:

الف) صفحه حساس به لمس که مکان لمس شده را به کنترلر می فرستد.

  ب) کنترلر صفحه لمسی که با دریافت سیگنال های مخصوص از صفحه لمسی آن ها را به علایمی معنادار برای پردازنده تبدیل و از طریق پورت USB یا COM به رایانه منتقل می کند.

  ج) یک درایور نرم افزاری برای برقراری ارتباط بین کنترلر و سیستم عامل.

  • فناوری های موجود صفحه لمسی

بسته به کاربرد و محل کار سیستم های مجهز به صفحه لمسی فناوری های مختلفی وجود دارد که عبارت از:

Wire Resistive Technology

همین طور که از نام این نوع صفحه لمسی پیداست از مقاومت برای تولید مقادیر ولتاژ متفاوت در نقاط مختلف صفحه لمسی استفاده می کند و بدین طریق مکان لمس شده را به کنترلر اعلام می کند.

این گونه از صفحه لمسی ها به هر نوع فشاری حساس است و پاسخ مورد نظر را در خروجی تولید می کند؛ یعنی از هر وسیله ای اعم از قلم و انگشت می توان برای کار با آن ها استفاده کرد و از این لحاظ محدودیتی برای کاربران به وجود نمی آید.

آن ها معمولا دارای مواد پایه شیشه یا آکرلیک است که با لایه هایی از مواد هادی و مقاومتی پوشیده شده است این لایه های نازک توسط نقاط غیرقابل مشاهده ای از هم جدا شده است. وقتی که صفحه لمسی در حالت عادی و روشن است هیچ گونه تماسی بین ۲ لایه هادی و مقاومتی وجود ندارد و هیچ جریانی بین آن دو رد و بدل نمی شود؛ به محض این که لمسی اتفاق بیفتد فشار حاصل از لمس باعث تماس بین ۲ لایه هادی و مقاومتی خواهد شد و در جریان الکتریکی تغییر ایجاد می شود. این تغییر توسط کنترلر صفحه لمسی کشف می شود و با اندکی پردازش روی اطلاعات حاصل از لمس، آن ها را تبدیل به یک مختصات افقی و عمودی می کند و به عنوان یک رویداد لمس آن را ثبت می کند.

نوع مقاومتی صفحه لمسی فناوری ساخت ساده ای دارد ولی وضوح تصویری که به کاربران ارائه می دهد نسبت به انواع دیگر کمتر است.همچنین به دلیل عمر طولانی آن، بیشتر به منظور کارهای سنگین در مکان های نامساعد استفاده می شود.

این گونه از صفحه های لمسی مقاومتی بیشتر در خانه، مدرسه،مراکز فروش اتوماتیک و محیط های متنوع دیگر استفاده می شود، ولی وضوح تصویر خوبی ندارد و برای نمایشگرها با اندازه کمتر از ۱۰ اینچ استفاده می شود.

Infrared

این نوع از صفحه های لمسی توسط فناوری پرتوی نور برنامه ریزی شده است. در این نوع صفحه لمسی به جای استفاده از لایه های مختلف، از یک قاب حاوی یک برد مداری استفاده می شود که در یک طرف دیودهای ساطع کننده نور و در طرف دیگر تعدادی سنسورهای دریافت کننده نور قرار گرفته است.

در محل لمس شده سنسورهای دریافت کننده، دیگر نوری دریافت نمی کند یا به عبارتی یک وقفه در دریافت نور ایجاد می شود که از همین تغییر در سنسورهای دریافت کننده، برای کشف مختصات مکان لمس شده استفاده می شود.

Surface Acoustic Wave) SAW)

این فناوری یکی از پیشرفته ترین گونه ها در صفحه های لمسی است و بیشتر شبیه به انواع نوری است؛ ولی به جای پرتوهای نوری از امواج صوتی استفاده می کند. جنس این صفحه های لمسی شیشه ای است و به همین دلیل هیچ وقت فرسوده نخواهد شد و طول عمر زیاد و وضوح تصویر خوبی خواهد داشت.

این فناوری بیشتر برای رایانه های آموزشی و کیوسک های اطلاعاتی در محیط های شلوغ استفاده می شود.

Capacitive

این نوع صفحه لمسی ها از یک پنل شیشه ای حاوی یک عنصر خازنی که ذخیره کننده بار الکتریکی است تشکیل شده است.

برخلاف دیگر صفحه های لمسی در این فناوری شیء لمس کننده باید هادی جریان الکتریکی باشد مانند سر انگشت بدون پوشش.

زمانی که صفحه نمایش با یک شیء هادی مناسب لمس شود، جریان الکتریکی از سوی گوشه های صفحه لمسی به سمت نقطه تماس، جاری می شود این رویداد باعث می شود تا مدارهای نوسان سازی که در گوشه های صفحه لمسی قرارگرفته است فرکانس خود را با توجه به نقطه تماس تغییر بدهد. این تغییر فرکانس، اندازه گیری می شود و به تعیین مختصات نقطه لمس شده کمک می کند.این گونه از صفحه های لمسی بسیار مقاوم است و وضوح تصویر عالی دارد. به همین دلیل در پهنه وسیعی از کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار می گیرد.