بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله، حسگر فشار پیزو مقاومت با تکنولوژي میکروتراشکاري سطحی، طراحی و شبیه سازي شده و تاثیر تغییرات پارامترهاي هندسی بر حساسیت سنجش بررسی و طراحی مناسب براي بهبود آن ارائه گردیده است. فرآیند حسگري، مبتنی بر انحراف دیافراگم سیلیکون نیترید میباشد. 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 روي خروجی حسگر در فشارهاي مختلف بررسی شده است. در ادامه اثر موقعیت مقاومتهاي پیزو و ابعاد آنها بر عملکرد سیستم محاسبه گردیده و بهترین شکل و موقعیت قرارگیري مقاومت هاي پیزو در دیافراگم نتیجه گیري شده است. در پایان نیز پارامترهاي یک حسگر فشار پیزومقاومت بهینه شده را بدست آورده ایم . نتایج این شبیهسازي نشان می دهد که انتخاب صحیح شکل هندسی دیافراگم، ابعاد و موضع پیزو مقاومت ها، قادر به ارتقاي حساسیت سنسور و در عین حال کاهش مصرف توان آن میباشد.
.1 مقدمه
حسگرهاي فشار پیزو مقاومت که مبتنی بر سیستم هاي میکروالکترومکانیکی میباشند این روزها با اقبال زیادي روبرو شده اند. تغییر مقاومت یک ماده بر اثر تَنش اعمال شده به آن را مقاومت پیزو می نامند. اثر پیزو مقاومت را اولین بار در میانهي دههي 1950، فردي به نام اسمیت کشف نمود. نیمهرساناها و بویژه سیلیکون، در مقایسه با فلزات از ضریب پیزو مقاومت بالاتري برخوردار بودند.
اسمیت تغییر در رسانایی بر اثر تَنش روي مادهي 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 بکاررد تا روي ویفر}١٠٠{ و}١١٠{ ، سنسور فشار پیزومقاومتی بسازد
لیوند نیز به بررسی وابستگی دمایی ضریب پیزومقاومت ها با استفاده از آزمایش خمش چهار نقطهاي پرداخت ]٣.[ مافلین سعی کرد علاوه بر مقاومت هاي 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 سازي حرارتی با استفاده از دو مدار پل وتستون متحد المرکز بر روي غشاي پلی سیلیکونی پرداخت
آویشک محقق هندي تلاش کرد تاثیر پارامترهاي 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 طراحیشده، اندازهگیري میشود که به آن حسگر میگوییم. اعمال فشار به حسگر، موجب تغییر شکل در مادهي مورد نظر میشود و این انحراف یا کُرنشی که در ماده ایجاد شده است را میتوان براي تعیین بزرگی فشار بکار برد. شکل١ ، نمودار بلوکی این فرایند را نشان میدهد.
شکل١- اصول کار حسگر فشار پیزو مقاومت
روش المان محدود، از امکانات مختلفی در زمینهي شبیهسازي براي سیستمهاي پیچیده، چه در زمینه مدلسازي و چه در زمینه تحلیل و آنالیز برخوردار است . [9] امروزه روش المان محدود* کاربرد گستردهاي براي کاهش اثر گرمایی، آنالیز تنش و ارتقاي اتکاپذیري - قابلیت اطمینان - سنسور پیزو مقاومت دارد.
در این مقاله، براي پیشبینی حساسیت سنسور یک مدل ساختاري از سنسور با استفاده از نرمافزار انسیس† و روش المان محدود طراحی شده تا تنش و کرنش ساختاري محاسبه شود. طراحی بهینه براي ارتقاي حساسیت سنسور بر پارامترهاي طراحی سنسور فشار نظیر اندازه و شکل دیافراگم، موضع یا چیدمان پیزو مقاومت ها، تناسب ابعادي آن ها متکی است. شبیهسازي روش المان محدود براي سنسور فشار پیزو مقاومت مبتنی بر سیستم میکروالکترومکانیکی که در این پژوهش ارائه گردیده است و نوع بهینه سازي انجام شده یک الگوي حائز اهمیت در خصوص طراحی حسگرهاي 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 غشاي سیلیکونی دیافراگم قرار گرفته اند از طریق اتصالات فلزي ولتاژ خروجی را فراهم می کنند. دیافراگم به علت فشار اعمال شده از جاي 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 نماي شماتیک از سطح مقطع حسگر فشار ، L و H به ترتیب طول و ضخامت دیافراگم می باشند.
در این شبیه سازي ، 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 بالاتري را بدست آورد، چرا که این حساسیت، تابع ابعاد مکانیکی دیافراگم میباشد.
.3 طراحی و شبیه سازي دیافراگم
طراحی دیافراگم از مهمترین مراحل ساخت سنسور فشار می باشد. ابعاد دیافراگم باید به گونهاي انتخاب شود که عملکرد خطی سنسور را در فشارهاي مختلف تضمین کند. در ابتدا ، دو شکل هندسی دایره اي و مربعی با ابعاد و ضخامت هاي متفاوت در فشار هاي 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 هاي بدست آمده، میزان حساسیت شکل هاي متفاوت نسبت به فشار هاي اعمالی مختلف بدست آمده و یک شکل هندسی مناسب براي دیافراگمی سیلیکون نیترید انتخاب می گردد.
