بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله، حسگر فشار پیزو مقاومت با تکنولوژی میکروتراشکاری سطحی، طراحی و شبیه سازی شده و تاثیر تغییرات پارامترهای هندسی و دما بر حساسیت سنجش بررسی و طراحی مناسب برای بهینه سازی این نوع حسگر ارائه گردیده است.
فرآیند حسگری، مبتنی بر انحراف دیافراگم سیلیکون نیترید می باشد. جهت دستیابی به نتایج دقیق ، از روش المان محدود استفاده شده و بر اساس آن حساسیت خروجی سنسور فشار ارزیابی گردیده است. در ابتدا تاثیر شکل هندسی دیافراگم روی خروجی حسگر در فشارهای مختلف بررسی شده است.
در ادامه اثر موقعیت مقاومتهای پیزو و ابعاد آنها بر عملکرد سیستم محاسبه گردیده و بهترین شکل و موقعیت قرارگیری مقاومت های پیزو در دیافراگم نتیجه گیری شده است. در پایان نیز تاثیر تغییرات دما بر حساسیت سنجش یک حسگر فشار پیزومقاومت بهینه سازی شده محاسبه گردیده است. نتایج این شبیهسازی ها نشان می دهد که انتخاب صحیح شکل هندسی دیافراگم، ابعاد و موضع پیزو مقاومت ها، قادر به ارتقای حساسیت سنسور و در عین حال کاهش مصرف توان آن میباشد.
.1 مقدمه
حسگرهای فشار پیزو مقاومت که مبتنی بر سیستم های میکروالکترومکانیکی میباشند این روزها با اقبال زیادی روبرو شده اند. تغییر مقاومت یک ماده بر اثرتَنش اعمال شده به آن را مقاومت پیزو می نامند. اثر پیزو مقاومت را اولین بار در میانهی دههی 1950، فردی به نام اسمیت کشف نمود. نیمهرساناها و بویژه سیلیکون، در مقایسه با فلزات از ضریب پیزو مقاومت بالاتری برخوردار بودند. اسمیت تغییر در رسانایی بر اثر تَنش روی مادهی n-type را مطرح کرد و اقدام به طراحی آزمایشی نمود تا ضرایب پیزومقاومتی طولی و عرضی را اندازه بگیرد .
دکتر کاندا فرایند سیستم میکروالکترومکانیکی را بکاربُرد تا روی ویفر 100 و 110 ، سنسور فشار پیزومقاومتی بسازد لیوند نیز به بررسی وابستگی دمایی ضریب پیزومقاومت ها با استفاده از آزمایش خمش چهار نقطهای پرداخت مافلین سعی کرد علاوه بر مقاومت های پیزو، دیافراگم سنسور فشار را نیز مورد بررسی و تحلیل قرار دهد و سنجش فشار توسط اشکال هندسی مختلف را ببیند .
دکتر چی چانگ به بررسی سنسور فشار با قابلیت جبران سازی حرارتی با استفاده از دو مدار پل وتستون متحد المرکز بر روی غشای پلی سیلیکونی پرداخت . آویشک محقق هندی تلاش کرد تاثیر پارامترهای طول و ضخامت دیافراگم بر انحراف ایجاد شده در دیافراگم، زمان اعمال فشار بررسی کند .
بطور معمول، فشار با رصد اثر آن بر ساختار مکانیکی طراحی شده، اندازهگیری میشود که به آن حسگر میگوییم. اعمال فشار به حسگر، موجب تغییر شکل در مادهی مورد نظر میشود و این انحراف یا کُرنشی که در ماده ایجاد شده است را میتوان برای تعیین بزرگی فشار بکار بُرد. شکل1 ، نمودار بلوکی این فرایند را نشان میدهد.
شکل-1 اصول کار حسگر فشار پیزو مقاومت
روش المان محدود، از امکانات مختلفی در زمینهی شبیهسازی برای سیستمهای پیچیده، چه در زمینه مدلسازی و چه در زمینه تحلیل و آنالیز برخوردار است . امروزه روش المان محدود* کاربرد گستردهای برای کاهش اثر گرمایی، آنالیز تنش و ارتقای اتکاپذیری - قابلیت اطمینان - سنسور پیزو مقاومت دارد.
در این مقاله، برای پیشبینی حساسیت سنسور یک مدل ساختاری از سنسور با استفاده از نرمافزار انسیس و روش المان محدود طراحی شده تا تنش و کرنش ساختاری محاسبه شود. طراحی بهینه برای ارتقای حساسیت سنسور بر پارامترهای طراحی سنسور فشار نظیر اندازه و شکل دیافراگم، موضع یا چیدمان پیزو مقاومت ها، تناسب ابعادی آن ها متکی است. شبیهسازی روش المان محدود برای سنسور فشار پیزو مقاومت مبتنی بر سیستم میکرو الکترومکانیکی که در این پژوهش ارائه گردیده است و نوع بهینه سازی انجام شده یک الگوی حائز اهمیت در خصوص طراحی حسگرهای MEMS در اختیار علاقه مندان قرار می دهد.
.2 ساختمان حسگر
سنسور فشار پیزو مقاومت از یک تراشه سیلیکونی که یک دیافراگم به آن اچ شده ، تشکیل شده است که پایه آن یک ویفر سیلیکونی می باشد. چهار مقاومت پل وتستون که به روش کاشت یونی در غشای سیلیکونی دیافراگم قرار گرفته اند از طریق اتصالات فلزی ولتاژ خروجی را فراهم می کنند. دیافراگم به علت فشار اعمال شده از جای اصلی خود منحرف می شود ، این انحراف باعث تغییر در مقدار پیزو مقاومت ها شده و عدم تعادل در پل وتستون را در پی دارد و در ادامه یک ولتاژ متناسب با میزان فشار اعمال شده ایجاد می گردد.
شکل- 2 نمای شماتیک از سطح مقطع حسگر فشار ، L و H به ترتیب طول و ضخامت دیافراگم می باشند.
در این شبیه سازی ، سیلیکوننیترید* به عنوان ماده سازنده دیافراگم و پلیسیلیکون بعنوان ماده سازنده پیزومقاومت استفاده شدهاند. دلیل استفاده از سیلیکوننیترید بعنوان دیافراگم این است که این ماده بسیار مستحکم است و تنش شکست آن برابر با 2200Gpa میباشد که از سیلیکون - 170 Gpa - بیشتر است. مقاومت تسلیم بالایی دارد - 14 Gpa - و قادر است فشار بیشینه را بدون شکستهشدن دیافراگم تحمل نماید. همچنین ماکزیمم کُرنش آن برابر با 7.8 * 10-3 میباشد که از سیلیکون - 0.7 * 10-3 - بیشتر میباشد. با کاهش سایز دیافراگم، میتوان حساسیت مکانیکی بالاتری را بدست آورد، چرا که این حساسیت، تابع ابعاد مکانیکی دیافراگم میباشد.
.3 طراحی و شبیه سازی دیافراگم
طراحی دیافراگم از مهمترین مراحل ساخت سنسور فشار می باشد. ابعاد دیافراگم باید به گونهای انتخاب شود که عملکرد خطی سنسور را در فشارهای مختلف تضمین کند. در ابتدا ، دو شکل هندسی دایره ای و مربعی با ابعاد و ضخامت های متفاوت در فشار های مختلف 0 - تا 1 مگاپاسکال - مورد بررسی قرار می گیرد تا میزان تنش و کرنش با استفاده از نرم افزار ANSYS محاسبه شود. از مقایسه پارامتر های بدست آمده، میزان حساسیت شکل های متفاوت نسبت به فشار های اعمالی مختلف بدست آمده و یک شکل هندسی مناسب برای دیافراگمی سیلیکون نیترید انتخاب می گردد.
