بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله ما به بررسی، تحلیل ریاضی و شبیه سازی تاثیر خواص مواد بر میزان حساسیت حسگر هیدروفن پیزوالکتریک MEMS پرداخته ایم و با تعریف ماده مناسب برای این حسگر حساسیت آن را بهبود بخشیدیم، ساختار بررسی شده در این مقاله یک هیدروفن پیزوالکتریک با قابلیت کار در فرکانس های پایین می باشد.
هیدروفن های پیزوالکتریک امروزه کاربردهای فراوانی دارند، این ادوات مهمترین بخش ساختار سونار را تشکیل می دهند، سونارها در کشتی ها و وسایل حمل و نقل دریایی، ادوات جنگی مرتبط با دریا مانند زیردریایی ها، ناوها و ... کاربرد دارند.
عملکرد هیدروفن های پیزوالکتریک بر این اساس می باشد که می توانند فشار صوتی دریافتی را به سیگنال الکتریکی تبدیل نمایند. که این تبدیل انرژی صوتی به الکتریکی توسط ماده پیزوالکتریک موجود در ساختار هیدروفن انجام می پذیرد بنابراین مواد استفاده شده در ساختار هیدروفن از جمله ماده پیزوالکتریک، ماده استفاده شده بعنوان دیافراگم و ... تاثیر بسزایی در عملکرد و حساسیت این حسگر دارند، در این مقاله ما با انتخاب ماده مناسب برای ساخت حسگر موفق به بهبود حساسیت این حسگر ها شده ایم به نحوی که حسگر طراحی شده دارای حساسیت -192.6 و فرکانس رزونانس 78 کیلوهرتز میباشد.
-1مقدمه
هیدروفون یا همان میکروفون زیرآب دستگاهی است که برای دریافت صوت در زیر آب طراحی شده است، در حقیقت هیدروفون ها با دریافت فشار حاصل از موج صوتی آنرا به سیگنال قابل پردازش در خروجی تبدیل می نمایند، امروزه بیشترین کاربرد هیدروفن ها در فرکانس های پایین می باشد و همچنین اکثر حسگرهای هیدروفن مورد استفاده در دستگاه های سونار بویژه سونار نظامی در فرکانس زیر 80کیلوهرتز می باشند، بنابراین ما نیز به طراحی یک حسگر هیدروفن برای کار در فرکانس زیر 80 کیلو هرتز می پردازیم و سعی در بهینه سازی حساسیت آن با تعیین بهینه مواد مورد استفاده در آن داریم.
نحوه تبدیل فشار صوتی به سیگنال خروجی روشهای گوناگونی دارد ولی اکثر هیدروفن های ساخته شده بعلت خواص مناسب مواد پیزوالکتریک از این نوع میباشند، کلمه پیزوالکتریک از واژه یونانی پیزون2 به معنی فشرده شدن اقتباس شده است. وقتی ماده پیزوالکتریکی تحت تأثیر فشار مکانیکی - به صورت انبساط یا انقباض - قرار گیرد، مقداری بار الکتریکی در سطح آن ظاهر می شود.
شکل.1 هیدروفن
این بار الکتریکی در اثر نامتقارن بودن ساختار کریستال است که به تولید میدان الکتریکی و پتانسیل الکتریکی منجر می شود. به این حالت اثر پیزوالکتریک مستقیم گویند. حال اگر در پی اعمال میدان الکتریکی با مقادیر گرانش مکانیکی و تغییرات مکانیکی در ساختار مواجه شویم به این اثر پیزوالکتریک معکوس گویند که هر دو اثر کاربردیهای متفاوت و فراوان دارند.
در زمانهای بسیار قدیم در هند مواد کریستالی مانند تورمالین به راحتی یافت می شد، مردم این مناطق متوجه خاصیت ویژه ای در این مواد شده بودند به نحوی که وقتی این کریستال ها در خاکستر داغ انداخته می شدند بعد از زمان کوتاهی مقداری از این خاکسترها را جذب می کردند، این ماده که در آن زمانها آهنربا سیلان نامیده می شد، در سال 1703 توسط داتچ مرچنت به اروپا آورده شد. اثر الکتریکی این ماده در سال1756 توسط آپینوس کشف گردید
و در سال 1824 بروستر این اثر را اثر پیزوالکتریک نامید. اثر پیزوالکتریک مستقیم در 2 آگوست سال 1880 توسط برادران کوری کشف و آنها روابط و مشاهدات بین نیروی مکانیکی و پتانسیل خروجی را تا حدی استخراج نمودند. اثر معکوس پیزو الکتریک نیز در سال 1881 توسط لیپمن کشف گردید. او متوجه این امر شده بود که در کریستال وقتی به دو وجه مخالف آن پتانسیل وصل نماییم باعث انحراف - تغییر شکل - در آن کریستال می گردد البته برادران کوری نیز در همین سال پی به این اثر برده بودند و بعد از این دانشمندان دیگری نیز به بررسی و آزمایش برروی این مواد پرداختند مانند رونتن، کنت، وویت و .... مواد گوناگونی از خود اثر پیزوالکتریک نشان میدهند که در ادامه برخی از آنها معرفی می گردند .
کریستال های طبیعی - نیشکر، کوارتز، نمک راچل، یاقوت زرد ، زبرجد هندی و ... - ، مواد طبیعی دیگر - تاندون، ابریشم،برخی از چوب ها، مینای و عاج دندان و .... - ، کریستال های مصنوعی - گالیوم اُرتوفسفات، لانگاسیت و ... - ، سرامیک های مصنوعی - باریوم تیتانیوم، تیتانات سرب، تیتانات زیرکونات سرب و و پلیمرها .
-2ساختار حسگر پیزوالکتریک:
حسگرهای پیزوالکتریک بر پایه فشار اعمالی به آنها باری متناسب با آن فشار تولید می نمایند و برای تبدیل این تغییرات بار به یک سیگنال قابل پردازش در خروجی در دوطرف ماده پیزوالکتریک لایه نازکی از فلز قرار می دهند که با تشکیل خازن ولتاژ متناسب با بار تولید شده که بر اساس فشار اعمالی بوجود آمده است تولید نماید. همچنین برای عملکرد این حسگرها در فرکانسهای پایین نیز میبایست لایه پیزوالکتریک بر روی یک دیافراگم قابل انعطاف قرار گیرد، بنابراین در این حسگر دو ماده مهم و تعیین کننده موجود می باشد، یکی ماده تشکیل دهنده دیافراگم و دیگری ماده پیزوالکتریک که هر دو در ادامه بررسی می گردد
شکل .1 ساختار حسگر پیزوالکتریک
در حقیقت یک حسگر پیزوالکتریک ولتاژی متناسب با فشار اعمالی را برای ما تولید می نماید و هرچه این ولتاژ تولیدی در فشار یکسان بیشتر باشد می توان گفت عملکرد حسگر متناسب تر می باشد.
-3تحلیل عوامل موثر در عملکرد حسگر پیزوالکتریک:
همانطور که بیان گردید حسگر های پیزوالکتریک از یک دیافراگم متحرک حاوی ماده پیزوالکتریک تشکیل شده اند و برای بهینه سازی حساسیت آنها میبایست ماده تشکیل دهنده دیافراگم و ماده پیزوالکتریک بهینه انتخاب شوند. حساسیت حسگر های هیدروفن بصورت رابطه 1 بیان می گردد که در آن مقدار مرجع برابر با - 0dB=1 V/ʽPa - میباشد، در نتیجه حساسیت در این ساختارها نسبت مستقیم با ولتاژ تولیدی دارد، این ولتاژ توسط ماده پیزوالکتریک دیافراگم تولید می گردد، و این ولتاژ تولیدی رابطه مستقیم با کرنش دیافراگم دارد که در ادامه توضیح داده می شود، کرنش دیافراگم نیز وابسته به ماده تشکیل دهنده آن می باشد.
بنابراین ما با انتخاب مناسب ماده پیزوالکتریک و ماده تشکیل دهنده دیافراگم می توانیم حساسیت حسگر را افزایش دهیم. در ادامه ابتدا مواد پیزوالکتریک بررسی می شوند و سپس مواد تشکیل دهنده دیافراگم. همانطور که بیان گردید اگر به ماده پیزو الکتریک فشار اعمال گردد تولید بار الکتریکی می نماید به این حالت اثر پیزوالکتریک مستقیم گویند. حال اگر در پی اعمال میدان الکتریکی با مقادیر گرانش مکانیکی و تغییرات مکانیکی در ساختار مواجه شویم به این اثر پیزوالکتریک معکوس گویند . که هر دو اثر کاربردیهای متفاوت و فراوان دارند - شکل.[6 ] - 2
شکل .2 ماده پیزوالکتریک تحت اعمال فشار
برای بیان عملکرد اثر پیزو الکتریک مستقیم و معکوس روابط 2 و 3 تعریف گردیده است:
در این رابطه ها ضریب پیزوالکتریک d یک ماتریس با 18 درایه می باشد که این درایه ها با توجه به مواد گوناگون متفاوت می باشند، تا کنون تعداد زیادی از کریستال ها - چندین میلیون - کشف شده است که در بین آنها فقط تعداد کمی قابلیت تولید اثر پیزوالکتریک و خروجی لازم برای استفاده شدن را دارند.
در بین این مواد آنهایی که تقارن بیشتری داشته باشند تعداد بیشتری از درایه های ضریب پیزوالکتریکشان صفر می باشد بعنوان مثال کریستالهای tetragonal با تقارن 4mm تنها دارای سه درایه می باشند، که ماتریس ضریب پیزوالکتریک آنها در زیر آورده شده است.
باید توجه داشت این تقارن تنها تا دمایی که به آن دمای کوری گویند وجود دارد، و بعد از آن این روابط دیگر جوابگو نیست. با بررسی های انجام شده و اضافه کردن پارامترهای موثر دیگر روابط پیزو الکتریک بصورت زیر تعریف شده است، که در واقع گسترش روابط قبل می باشد.
که بصورت ماتریسی نیز می توانند بیان گردند:
که در آن بردار D خود یک ماتریس - 3×1 - می باشد و بیانگر
چگالی بار الکتریکی - Coulomb/m2 - ، بردارکرنش - 6×1 - ، E نیروی الکتریکی اعمالی - 3×1 - با واحد - Volt/m - و بردار تنش - 6×1 - با واحد - N/m2 - میباشد و اندیس های ماتریس ضرایب نیز عبارتند از:
1. e بیانگر ضریب دی الکتریک ماده که یک ماتریس 3×3 با واحد - Farad/m - میباشد.
2. d ضریب پیزو الکتریک میباشد که برای دو حالت اثر مستقیم و غیر مستقیم پیزوالکتریک با اندیسهای d , c نمایش داده شده است که یک ماتریس 6×3 و 3×6 در دو حالت می باشد و واحد آن - Coulomb/N or m/Volt - است.
3. s نیز بیانگر ضریب الاستیکی ماده میباشد که یک ماتریس 6×6 با واحد - m2/N - است.
