بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
سنسور فشار خازنی با ساختار MEMS
خلاصه
اندازهگیری دقیق فاکتورهای فیزیکی مهم از قبیل فشار، فلو، نیرو، تنش، دما، گشتاور و .... در صنعت و زندگی روزمره بشر نقش بسیار حیاتی دارد و کاهش اندازه فیزیکی سنسورها و تغییر در رنج اندازهگیری آنها از ماکرو به میکرو، نیازمنــد طراحی و ساخت سنسورهای جدید یا تغییر ابعاد سنسورهای فعلی از ماکرو به میکرو میباشد، متخصصین در زمینه ها، کاربردها و رشته های مختــلف مانند فیزیک، شیمی، مکانیک و از همه موثرتر مهندسین ابزار دقیق را بر آن می دارد تا به طراحی و ساخت سنسورهای جدید الکترومکانیـــکی پرداخته و یا درصدد بهبود رنج اندازه گیری و یا افزایش دقت و حساسیت سنسورهای موجود برآیند. در این مقاله طراحی یک سنسور MEMS خازنی برای تشخیص فشار با استفاده از COMSOL MULTIPHYSIC صورت گرفته است. پارامترهای طراحی MEMS با استفاده از تکنیک حل (FEM) (المان محدود) شبیه سازی و مدل شده است. مقدار خمش ،تنش و فرکانس تشدید با استفاده از روش حل Eigen Frequency محاسبه گردیده است. هدف، افزایش رنج اندازه گیری سنسور فشار می باشد که با افزایش فشار وارده بر سنسور ،میزان فرکانس تشدید را با افزایش ضخامت دی الکتریک ها، افزایش دادیم.فرکانس تشدید 21,3مگاهرتز محاسبه شده است.
کلمات کلیدی: جابجایی، خمش ،سنسور فشار خازنی، سیستم های میکروالکترومکانیکی ، فرکانس تشدید.
1. مقدمه
سنسورهای میکروالکترومکانیکی به دلیل کوچکی ابعاد، عملکرد بالا، قابلیت اطمینان عالی و همچنین هزینه کم همواره مورد توجه بوده است.[1] سنسورهای خازنی به دلیل حساسیت بالا همواره مورد توجه زیادی قرار دارند و از نویز بسیار پایینی برخوردار هستند که با توجه به پاسخ سریع آنها به فشار، در ادوات پیشرفته بسیار مورد توجه هستند.این سنسورها قابلیت تحمل لرزش های زیاد را دارند و با توجه به پایداری زیادشان در تغییرات دمایی، در طراحی ها همواره انتخاب می گردند. [4-2] این سنسورها از یک جفت صفحه فلزی که نقش خازن را ایفا می کند تشکیل شده است صفحه بالایی از چهار جهت مهار شده است که قابلیت تحرک از بالا به پایین را دارد و با تغییرات فشار حرکت می کند؛ این تغییر میزان خازن بین صفحه ها را تغییر می دهد که بوسیله تغییر میزان خازن می-توان میزان تغییر فشار را اندازه گیری کرد.در این مقاله پارامترهای طراحی MEMS با استفاده از تکنیک حل (FEM) (المان محدود) شبیه سازی و مدل شده است.
2. سنسورهای فشار خازنی
از پرکاربردترین ساختارهای ساخته شده برای میکروفشارسنج ها، استفاده از یک غشاء و یا یک دیافراگم سیلیکنی بسیار نازک و حساس می باشد.روش های متنوعی برای اندازه گیری میزان خمش غشاء در سنسورهای فشار وجود دارد که از مهم ترین آنها روش های پیزومقاومتی و خازنی است.سنسورهای فشار خازنی عموماً بر مبنای تغییرات ظرفیت خازنی میان صفحات کار می کنند. یکی از صفحات خازن به صورت ثابت، صفحه دیگر به صورت منعطف می باشد؛ وقتی فشار به الکترود منعطف اعمال می شود، فاصله میان دو الکترود کاهش یافته و مقدار خازن افزایش می یابد. سنسور میکروماشینی از یک غشاء((Membrane سیلیسیمی تشکیل شده است.خواص مکانیکی بسیار عالی سیلیسیم، ضریب الاستیکی بسیار بالا، جرم حجمی کم و قابلیت کوچک-سازی در ساخت قطعات سیلیسیمی منجر به ساخت سنسورهایی با فرکانس تشدید خیلی بالا شده است. مکانیزمی که در سنسورهای فشار خازنی برای تبدیل کمیت فیزیکی فشار به کمیت الکترونیکی استفاده میشود، مکانیزم خازنی است. [5] این مکانیزم به طور ذاتی نسبت به دما حساسیت کمتری دارد و مصرف انرژی الکتریکی در این روش پایینتر میباشد.
3. مدل سازی سنسور فشار خازنی
در این مقاله دو صفحه از جنس سیلیکون که در بین آنها هوا قرار داررد این سنسور را مدل میکند. هوا در این طراحی نقش دی الکتریـک را دارد. به این تکنیک ساندویچ کردن گفته میشود که در سیستمهای کوچک و مینیاتوری تجاری بسیار کاربرد دارد.[6] با استفاده از این شـبیهسـازی، خمـش ، تنش و فرکانس تشدید برای سنسور محاسبه میگردد. طراحی سنسور به پارامترهای گوناگونی وابسته است که میتوان به ماده، ساختار و شکل آن اشـاره کرد. . تمام این پارامترها برای رسیدن به عملکرد مناسب نیازمند بهینه سازی است. در این طراحی از سیلیکون تک کریسـتال کـه در مـدل یانـگ 169 Gpa و نسبت پواسن آن 0.33 است، استفاده میشود. دلیل این انتخاب بالا بودن نقطه ذوب سیلیکون و ضریب دمایی کم آن مـیباشـد در شـکل (1) طراحی سنسور فشار را با سطح مقطع مربع شکل نشان داده شده است. ابعاد این سنسور 60×60×1.5ʽm میباشد. [7].
شکل -1 دیاگرام سنسور فشار خازنی[7]
در این سنسور، صفحه بالایی متحرک و صفحه پایینی ثابت است. با تغییر فشار و اعمال فشار طبق شکل((2، فاصله بین دو صفحه تغییـر مـیکنـد و با تغییر مقدار خازن بین این دوصفحه میتوان تغییر فشار را اندازهگیری و مدل کرد. . با استفاده از رابطه (1) مقدار C بدست میآید که ԑr مقدار ثابـت دی الکتریک و ԑ ضریب گذردهی الکتریکی خلا است.Α مساحت و G فاصله بین صفحهها مـیباشـد. بـا زیـاد کـردن فاصـله بـین دو صـفحه مقـدار & کاهش و با کاهش مقدار فاصله بین صفحات مقدار خازن افزایش مییابد. شکل (3) که تصویر خمش ایجـاد شـده درسنسـور خـازنی را بعـد از اعمـال فشار نشان میدهد توسط نرمافزار کامسول شبیه سازی شده است.
شکل-2 جابجایی دیافراگم با اعمال فشار
شکل-3 خمش دیافراگم بعد از اعمال فشار
نحوه وارد کردن شکلها، نمودارها و جداول با توجه به شکل (4) بعد از اعمال فشار برای محاسبه ظرفیت خازن سنسور فشار با دیافراگم مهار شده نمی-توان از رابطه (1) استفاده کرد.
شکل -4 :الکترودهای سنسور،(-(aبدون اعمال فشار،(-(b با اعمال فشار
شکل دیافراگم میتواند دایره یا مربع باشد که در این مقاله از دیافراگم مربعی شکل استفاده کردیم.این اشکال رفتارهای مشابهای در فشار کاربردی دارند. از روی خمش برای یک دیافراگم دایرهای مهار شده، خمش دیافراگم مربعی مهار شده را استخراج میکنیم. [8] رابطه زیر خمش در یک دیافراگم دایرهای را بیان میکند:
که در آن w مقدار خمش، r فاصله شعاعی از مرکز ،R شعاع دیافراگم وP فشار اعمالی میباشد.D که انعطافپذیری موجی میباشد از رابطه زیـر بدست میآید:
3 Eh
(3) D
12(1 v 2 )
که در رابطه بالا E مدول یانگ ، h ضخامت، v نسبت پواسن میباشند. با جایگزینی رابطه (2) در رابطه (3) و در نظر گرفتن بیشـترین خمـش در مرکز دیافراگم (با فرض r=0 )، فشار وارده بر یک دیافراگم مربعی با فرض در رابطه (1)تقریبا از رابطه (4) بدست میآید:
ظرفیت خازن و حساسیت آن پس از اعمال فشار و ایجادخمش مرکزی برای سنسور با دیافراگم مربعی از روابط زیربدست میآیند:
طبق رابطه بالا ،حساسیت سنسور تحت فشار یکسان به ضخامت غشاء h، فاصله الکترودها d وابسته است.
4. شبیه سازی با کامسول
در این مقاله ابتدا سنسور با ابعاد 60*60*1.5ʽm تحت فشار از با تغییر گامهای 100 تایی قرار میگیرد.سـپس جهـت بهینـه کردن رنج اندازهگیری فشار را 100 برابر کرده و نتایج را بررسی کرده و با بهینه کردن ساختار دیافراگم یعنی با افزایش ضـخامت دیـافراگمهـا و فاصـله بین آنها ،فرکانس تشدید را بالا میبریم.مقدار ظرفیت خازن با توجه به تغییرات فاصله بین دیافراگمها به روش FEM در شکل((5 بـا نـرمافـزار محاسـبه شده و به صورت نمودار رسم شده است.
شکل -5 مقدار خازن سنسور با تغییرات فاصله صفحات را نشان میدهد.
مقدار فرکانس تشدید در مود فرکانسی MEMS توسط نرمافزار تهیه شده است. افزایش فرکانس و در نتیجه افزایش ضخامت ضروری مـیباشـد، زیرا برای نوسان سیلیکون این یک امر ضروری میباشد.
