بخشی از مقاله

چکیده - در این مقاله ما به بررسی ساختارهاي مختلفی از سنسورهاي فشار خازنی پرداختیم و پارامترهاي مهم مانند ولتاژ pull-in ، حساسیت مکانیکی، میزان جابجایی صفحات متحرك را مورد ارزیابی قرار دادیم. وجود حفره در صفحات متحرك سبب می گردد که مدت زمان پروسه ساخت کاهش یافته و میزان حساسیت ساختار به علت کاهش دمپینگ هوا افزایش یابد. در این مقاله مشاهده شد که ولتاژpull-in سنسور با ابعاد ساختار نسبت عکس و با میزان استرس دیافراگم نسبت مستقیم دارد.

-1 مقدمه

سنسورهاي فشار خازنی MEMS در کاربردهاي مختلفی مانند ابزار پزشکی - سمعک و سنسورهاي فشار چشم - ، و یا حسگر هاي اثر انگشت و ابزارهاي ارتباطی و لوازم لرزه نگاري مورد استفاده قرار می گیرند، که از جمله دلایل آن را می توانیم به توان مصرفی کم و حساسیت بالا در هنگام اعمال فشار به آنها و پایداري مناسب اشاره نماییم]١-٣.[ سنسورهاي فشار خازنی MEMS به طور کلی داراي یک ممبران رسانا و قابل انعطاف می باشند که به آن دیافراگم گفته می شود و با الکترود پایینی سنسور که ثابت می باشد و Back-Plate نام دارد، با استفاده از یک فاصله هوایی از هم جدا می گردند.

جابجایی دیافراگم در سنسورهاي فشار متناسب با شکل آن می باشد]٢-٤.[در اثر برخورد یک سیگنال فشار بیرونی به دیافراگم، فاصله هوایی میان آن و Back-Plate کاهش می یابد و این امر سبب افزایش ظرفیت خازنی سنسور می شود. اینگونه می توانیم بیان نماییم که اعمال فشار بیرونی به ساختار، تبدیل به تغییرات ظرفیت الکتریکی می گردد]١.[ با توجه به اینکه حساسیت یکی از پارامتر هاي اساسی در عملکرد سنسورهاي فشار می باشد، بنابراین بدست آوردن چگونگی رفتار سنسور و جابجایی دیافراگم در اثر اعمال فشار می تواند مهم باشد]٥.

[ در این مقاله ما به بررسی ساختار هاي مختلفی از سنسورهاي فشار خازنی که با استفاده از تکنولوژي MEMS طراحی شده اند، پرداختیم. اختلاف موجود در این ساختارها سبب می گردد که پارامترهاي مهمی که در طراحی سنسورها مورد توجه است، نیز داراي مقادیر مختلفی باشد. در قسمت اول این مقاله، به معرفی ساختار سنسورهاي مختلف می پردازیم، در ادامه ولتاژ pull-in را براي سنسورها مورد ارزیابی قرارمی دهیم و تاثیر پارامترهاي مختلف را برروي آنها بررسی می کنیم. در قسمت بعد، پارامتر مهم حساست را براي درك بهتر چگونگی کارکرد سنسورها تحلیل می کنیم.

-2 طراحی سنسور

ساختارهایی که در این مقاله از آنها به عنوان سنسور فشار خازنی استفاده شده است، داراي شکل مربعی بوده که هر یک از آن ها داراي ابعاد و قسمت هاي مختلفی می باشند. با توجه به اینکه ساختارهاي مورد بحث در این مقاله، سنسورهاي فشار خازنی می باشند، بنابراین براي معرفی این سنسورها، نیاز است که دو صفحه را به عنوان صفحات تشکیل دهنده ساختار خازنی، معرفی نماییم. شکل - ١ - ، ساختارهاي مورد نظر را به عنوان سنسورهاي فشار نشان می دهد.

وجود حفره ها سبب می گردد که مقاومت هوایی که میان دو صفحه تشکیل دهنده سنسور خازنی وجود دارد، در هنگام اعمال فشار به صفحه متحرك سنسور به علت خروج هوا از میان این حفره ها کاهش یابد. از جمله فواید دیگر استفاده از حفره ها در صفحه متحرك سنسور، در هنگام پروسه ساخت این گونه سنسورها می باشد، که باعث کاهش مدت زمان ساخت سنسور می گردد. به اینصورت که مدت زمان از بین رفتن لایه هاي زیرین صفحه متحرك که براي لایه نشانی مورد استفاده قرار گرفته کاهش می یابد. 

-3 ولتاژ pull-in

با توجه به اینکه، سنسور هاي فشار براي اینکه بتوانند کارکرد واقعی خود را نشان دهند، لازم است که در کنار سایر ادوات الکترونیکی قرار گیرند. با توجه به اینکه این سنسورها داراي ساختاري خازنی می باشند، براي راه اندازي نیاز به یک ولتاژ بایاس دارند. ولتاژ بایاس سنسور بر اساس یکی از پارامترهاي مهم و اساسی در ساختارهاي خازنی MEMS، به نام ولتاژ Pull-in بدست می آید. ولتاژPull-in ولتاژي است که در اثر اعمال آن به صفحه بالایی سنسور فشار، میزان جابجایی آن به اندازه یک سوم فاصله هوایی میان دو صفحه می رسد.

هرگاه ولتاژي، بیش از این ولتاژ به ساختار اعمال گردد، سبب می شود که ساختار سنسور دچار خرابی شده و دو صفحه تشکیل دهنده سنسور بر روي یکدیگر قرار گیرند. در این حالت به علت کاهش شدید فاصله میان دو صفحه، ظرفیت خازنی ساختار ناگهان زیاد می گردد. براي کلیه ساختارهاي مورد بحث در این مقاله، فاصله هوایی میان دو صفحه برابر ١ میکرومتر و ضخامت صفحه بالایی نیز ١ میکرومتر می باشد. بنابراین ولتاژ Pull-in را براي این ساختارها زمانی بدست می آوریم که میزان جابجایی صفحه بالایی در هر کدام برابر ٣٣.٠ میکرومتر باشد. رابطه اي که براي محاسبه ولتاژPull-inدر ساختارهاي مربعی وجود دارد در رابطه - ١ - آمده است]٧.[

: d فاصله هوایی میان دو صفحه ، : σ استرس دیافراگم :tضخامت دیافراگم، : E ضریب شایستگی ، : ν ضریب پوآسون :â نصف طول دیافراگم وC2 و:C1 پارامتر هاي عددي، می باشند. با توجه به رابطه - ١ - مشاهده می کنیم که مقدار ولتاژ با به کار رفته در ساخت سنسور رابطه معکوس دارد. براي بررسی بهتر نتایج مربوط به این بخش،، ساختارهاي معرفی شده در شکل - ١ - را شبیه سازي می کنیم. براي شبیه سازي ساختارهاي مورد نظر از شبیه ساز Intellisuite استفاده می کنیم. در این شبیه ساز می توانیم علاوه بر پارامترهایی مانند ولتاژ و جریان، پارامترهاي مکانیکی مانند فشار، نیرو و شتاب را نیز به ساختار اعمال می نماییم و رفتار سنسور را به ازاي اعمال تمام این پارامترها مورد ارزیابی قرار می دهیم. همانطور که در رابطه - ١ - دیدیم، این ولتاژ با ابعاد ساختار رابطه معکوس دارد.

نتیجه شبیه سازي مربوط به سه ساختار معرفی شده را می توانیم در شکل شماره - ٢ - ببینیم. همانطور که در این شکل نشان داده شده است، سنسورهاي با ابعاد کمتر داراي ولتاژ Pull-in بیشتري هستند که تائید کننده رابطه - ١ - می باشد. لازم به ذکر است در این شبیه سازي سایر پارامترهاي مربوط به سنسور با یکدیگر برابر در نظر گرفته شده اند. پارامترهایی که براي این شبیه سازي در نظر گرفته شده اند در جدول - ١ - آمده است. یابیم. با توجه به رابطه - ١ - ، مشاهده می کنیم که ولتاژ pull-in سنسور فشار خازنی با مقدار استرس، رابطه مستقیم دارد.

بنابراین انتظار داریم که مقدار ولتاژ با افزایش استرس، زیاد گردد. در شکل - ٣ - می توانیم نتیجه شبیه سازي را براي براي ساختار سنسور فشار با ابعاد به ازاي استرس هاي مختلفی که براي دیافراگم آن در نظر گرفته شده است، مشاهده نماییم. شکل - ٣ - نشان می دهد، که با افزایش استرس، مقدار ولتاژي که باید به سنسور اعمال گردد تا میزان جابجایی صفحه متحرك به 1 فاصله هوایی میان دو صفحه برسد، افزایش می یابد. افزایش ولتاژ pull-in سبب می شود که در هنگام قراردادن این سنسور در کنار سایرمدارها جهت مشاهده کارکرد واقعی آن، نیاز به ولتاژ بایاس بیشتري براي راه اندازي سنسور داشته باشیم. افزایش این ولتاژ سبب می گردد تا مقدار توان مصرفی مدار زیاد گردد. بنابراین تا جایی که امکان دارد باید میزان ولتاژ pull-in را کاهش دهیم تا از اتلاف توان در مدار جلوگیري نماییم.

- 4 حساسیت سنسور

توجه به اینکه هدف اصلی از ساخت سنسورها، حس کردن تغییرات ایجاد شده و ارسال فرمانی مناسبی براساس این تغییرات می باشد، بنابراین یکی از مهم ترین پارامترهایی که در ساخت سنسورها مورد نظر می باشد، حساسیت آنها می باشد. این پارامتر نیز به مانند ولتاژpull-in به عواملی نظیر ابعاد، استرس و... وابسته است.

در متن اصلی مقاله به هم ریختگی وجود ندارد. برای مطالعه بیشتر مقاله آن را خریداری کنید