بخشی از مقاله
چکیده -
شتاب سنج های حرارتی MEMS در وسایل نقلیه، تجهیزات صنعتی ، صنایع نظامی و هوافضا کاربرد گسترده ای دارند. کاربردهای پزشکی اینگونه شتابسنجها به دلیل کمهزینه بودن و داشتن اندازه کوچک نیز افزایش یافته است. اساس کار این نوع شتابسنجها همرفت آزاد حباب گرم تشکیل یافته از مولکولهای هوای اطراف یک میکروهیتر گرم شده توسط جریان الکتریکی در داخل محفظه سنسور میباشد. این نوع شتابسنجها دارای ساختار و پروسه ساخت سادهتر و ارزانتر، وزن کمتر و استحکام بالاتری می باشند.
حساسیت شتاب سنج از مهم ترین فاکتورهای خروجی آن می باشد. پارامترهای هندسی ساختار شتاب سنج مذکور، تاثیر بالایی در افزایش حساسیت آن دارد. لذا مطالعه و بررسی تاثیر این عوامل برای بالا بردن کیفیت این سیستم و دستیابی به ساختاری با ابعاد هندسی بهینه از اهمیت زیادی برخوردار است.
بررسی رفتار این سیستم به صورت تجربی کاری بسیارسخت، هزینه بر و زمان بر می باشد. بنابراین مدلسازی رفتار آن با استفاده از روش المان محدود، می تواند در کاهش هزینه های لازم برای انجام مطالعات آزمایشگاهی موثر باشد. لذا در این پژوهش، به مطالعه تاثیر ابعاد هندسی ساختار شتاب سنج حرارتی بر حساسیت خروجی سیستم به روش المان محدود پرداخته شده است.
-1 مقدمه
در سالهای اخیر استفاده از حسگرها در ابعاد میکرونی به دلیل مقرون به صرفه بودن و امکان تولید انبوه آنها، بصورت چشمگیری گسترش یافته است. در بین سیستم های میکروالکترومکانیکی، میکروحسگرهای شتاب بعد از فشارسنجها بیشترین حجم تولید و تحقیقات را به خود اختصاص داده اند..
شتاب سنج میکروالکترومکانیکی - - MEMS دستگاهی است که می تواند شتاب اعمال شده به سیستم را با مکانیزم های تبدیل مختلفی اندازه بگیرد. انواع گوناگون مکانیزم ها، باعث به وجود آمدن انواع مختلفی از شتاب سنج های MEMS از جمله شتاب سنج های خازنی، پیزورزیستیو، پیزوالکتریک، تونلی، حرارتی و... شده است
. شتاب سنج دارای مدلهای یک محوری و چند محوری است که میتواند اندازه و جهت شتاب را به عنوان یک کمیت برداری اندازهگیری کند. یکی از انواع شتاب سنج های میکروالکترومکانیکی، شتاب سنج های حرارتی می باشند. ویژگی بارز این شتابسنجها عدم وجود جرم متحرک در آنهاست. اساس کار این نوع شتاب سنجها، استفاده از یک منبع حرارتی برای تشکیل حباب - حباب هوای گرم - در اطراف هیتر و همرفت آزاد حباب گرم در داخل محفظه سنسور می باشد. در اثر اعمال شتاب به این سیستم، تعادل حرارتی حباب به هم میریزد و این عدم تعادل بوسیلهی دو حسگر دمایی متقارن اندازهگیری میشود.
شتاب سنجهای حرارتی در مقایسه با شتابسنجهای دارای جرم متحرک، دارای ساختار و پروسه ساخت سادهتر، ارزانتر، وزن کمتر و استحکام بالاتری می باشند. زیرا وجود جرم متحرک و پل های نازک نگهدارنده آن در شتابسنجهای دیگر، امکان شکسته شدن سنسور در شوکهای بالا را افزایش می دهد. همچنین بستهبندی این نوع سنسورها سادهتر بوده و اثر لایه نازک هوا در آن وجود ندارد. حساسیت شتابسنجهای حرارتی نسبت به شتابهای بسیار کوچک در مقایسه با انواع دیگر شتابسنجها بسیار بالاتر میباشد.
امروزه در بازار رقابتی، قیمت تمام شده محصول، نقش اساسی در موفقیت شرکتهای بزرگ ایفا می کند . لذا محققان و پژوهشگران به دنبال راهکارهایی برای به حداقل رساندن هزینه و قیمت تمام شده محصولات هستند. از جمله راهکارهای موثر، می تواند ارائه یک مدل مناسب از رفتار سیستم مورد نظر باشد. روشهای مدلسازی انواع گوناگونی دارد که از جمله ی آنها می توان به مدلسازی ریاضی، عددی و المان محدود - - FEM اشاره کرد. در زمینه مدل سازی رفتار شتاب سنج حرارتی MEMS نیز تا کنون تحقیقاتی صورت گرفته است که مهم ترین آنها در ادامه بیان شده اند.
در سال 2002 تاثیر پارامترهای فاصله هیتر و دیتکتور در شتاب سنج حرارتی تک محوره با قابلیت اندازه گیری شتاب در رنج 0 تا 10g بر خروجی های شتاب سنج حرارتی از جمله حساسیت با استفاده از مدل سازی دو بعدی توسط لائو و همکارانش مورد ارزیابی قرار گرفت
در سال 2003 تاثیر فاصله هیتر و دیتکتور بر حساسیت سیستم در فشارهای مختلف توسط مایلی و همکارانش ارائه گردید
در سال های 2005، 2007 و2011 نیز تاثیر ابعاد هندسی شتاب سنج حرارتی از جمله فاصله هیتر و دیتکتورها بر حساسیت شتاب سنج حرارتی با ساختارهای متفاوت، به ترتیب توسط مایلی، دیمیتریس گوستوریدز و مزقانی با استفاده از روش المان محدود بصورت 2 و 3 بعدی، مورد بررسی قرار گرفت .[ 4-6 ] در سال 2007 و 2008 تاثیر سایز گودال بر عملکرد شتاب سنج حرارتی با روش حل عددی به ترتیب توسط دائو و کورتیود بررسی شد 8]،.[7 در این پژوهش با استفاده از روش المان محدود تاثیر ابعاد هندسی ساختار شتاب سنج حرارتی دومحوره بر حساسیت آن بررسی شده است.
-2 اصول و مبانی
شتاب سنج های حرارتی از حباب هوای گرم به جای جرم معلق استفاده می کنند. این نوع حسگرها شامل یک هیتر مرکزی جهت ایجاد گرادیان دمایی در گاز محبوس در محفظه و چند حسگر دما جهت اندازه گیری گرادیان دمایی می باشند. در صورتی که حسگر در داخل یک محفظه کاملا بسته قرار داده شود، امکان اندازه گیری شتاب با جابجایی حباب هوای گرم ایجاد می شود. هیتر مورد استفاده از جنس پلی سیلیکون می باشد که در اثر عبور جریان الکتریکی ، دمای آن افزایش پیدا می کند. وقتی هیتر روشن می شود، گاز اطراف آن گرم شده و حبابی از هوای گرم در اطراف آن ایجاد می شود
اثر قوی مارانگونی در اطراف هیتر از پخش و جاری شدن حباب متراکم جلوگیری می کند. در ابتدا گرادیان دمایی به صورت یک پروفایل دمایی متقارن ایجاد می شود. با اعمال شتاب به حسگر، پروفایل دمایی به یک سمت منتقل شده و مقداری اختلاف دما بین دو حسگر دمای قرار داده شده در دو طرف سنسور ایجاد می شود. در نهایت با استفاده از ترموکوپل یا ترمورزیستور، اختلاف دمای سنسورهای دما به سیگنال الکتریکی تبدیل می شود. با اندازه گیری مقدار اختلاف دما و علامت آن، مقدار و جهت شتاب اعمالی مشخص می شود.
شکل : 1 اصول عملکرد حسگرهای شتاب سنج حرارتی[ 9 ]
-3 مدل سازی شتاب سنج حرارتی MEMS
شتاب سنج پیشنهادی شامل یک هیتر به شکل لوزی می باشد که به صورت آویزان در مرکز سیستم قرار دارد. چهار دیتکتور که سنسور دما می باشند، در چهار طرف هیتر به صورت متقارن و دو به دو روبروی هم جای گرفته اند. گودال ایجاد شده در بستر سیلیکونی جهت ایزولاسیون حرارتی تعبیه شده است.[10] هیتر و دیتکتورها از جنس پلی سیلیکین می باشند که روی پل هایی از جنس نیترید سیلیسیم لایه نشانی شده اند. گاز محبوس در محفظه سنسور، هوا می باشد. شکل2 ساختار کلی شتاب سنج حرارتی را از دید مقطع عرضی نمایش می دهد.حساسیت شتاب سنج حرارتی بر اساس اختلاف دمای سنسورهای دما، در یک شتاب مشخص به صورت رابطه - 1 - تعریف می شود.
تفاوت دمایی بین دو سنسور دما a
اعمالی به سیستم می باشد. همانطور که قبلا نیز بیان شد، ابعاد هندسی ساختار این سیستم تاثیر بسزایی بر حساسیت خروجی آن دارد. لذا بررسی اثر هرکدام از این پارامترها جهت دستیابی به بهینه ترین ابعاد، بسیار حائز اهمیت می باشد. پارامترهایی که در
شکل :2 نمای کلی مدل دو بعدی حسگر پیشنهادی
این پژوهش مورد مطالعه قرار گرفتند، در جدول 1 آورده شده است. بازه های مشخص شده برای هر پارامتر با در نظر گرفتن ابعاد فیزیکی سایز قالب1 و محدودیت های ساخت انتخاب شده اند.
جدول :1 ابعاد هندسی موثر بر حساسیت خروجی شتاب سنج حرارتی
در این پژوهش تاثیر ابعاد هندسی ساختار شتاب سنج حرارتی بر حساسیت آن، توسط روش المان محدود و با استفاده از نرم افزار کامسول مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است. بدین منظور بازه های مناسبی با توجه به محدودیت های فیزیکی و محدودیت های پروسه ساخت انتخاب و تاثیر هر پارامتر بر حساسیت شتاب سنج به صورت جداگانه شبیه سازی و مورد بررسی قرار گرفته شده است. برای این کار در مرحله اول نوع جریان سیال داخل محفظه ، تعیین گردید.
در این پروژه از آنجایی که ابعاد حسگر کوچک و سرعت گاز کم می باشد، جریان گاز در شتاب سنج معمولا از نوع جریان آرام می باشد.[11] در مرحله بعد، شرایط مرزی و اولیه سیستم تعریف شد و سپس مش بندی با المان های مستطیلی که دارای بهترین دقت در شبیه سازی سیال است، انجام شد.
همانگونه که در شکل -3 - الف - مشاهده می شود، هنگامی که شتابی به سیستم اعمال نشده است، حباب به صورت کاملا متقارن در مرکز شتاب سنج تشکیل شده است. در شکل - 3 -ب - مشاهده می شود که با اعمال شتاب 200g در جهت چپ، حباب هوا نیز به سمت چپ حرکت نموده و باعث شده تا اختلاف دمایی بین سنسورهای دما به وجود بیاید. طبق این شبیه سازی مشاهده می شود حباب ایجاد شده نه تنها در جهت شتاب اعمالی حرکت می کند، بلکه شکل حباب هم عوض می شود.
