بخشی از مقاله
چکیده
در سالهای اخیر سیستمهای میکروالکترومکانیکی که بدلیل حساسیت بسیار بالایشان به بارگذاریهای خارجی در کاربردهای مختلف علمی و صنعتی همانند کاربردهای بیلوژیکی، شیمیایی، فیزیکی و رئولوژیکی مورد استفاده قرار می گیرند. در این سیستمها در مد اصلی استاتیکی و دینامیکی مورد استفاده قرار می گیرند. بنابراین مطالعه رفتار ارتعاشی آنها به منظور مشخص شدن چگونگی رفتارشان از اهمیت بالایی برخوردار است. بدین منظور در این مقاله به مطالعه رفتار ارتعاشی چهار مدل از رایجترین مدلهای سیستمهای میکرو الکترومکانیکی پرداخته شده است.
به منظور مدلسازی از دو روش جرم متمرکز و المان محدود نتایجی نزدیک به هم در محاسبهی فرکانس طبیعی ارائه می دهند. همچنین چهار مدل انتخاب شده در چهار مد از پنج مد اول از رفتار خمشی مناسبی برخوردارند.
.1 مقدمه
در سالهای اخیر به تدریج بر محبوبیت میکروتیرکها در بسیاری از کاربردهای علمی نظر به قابلیتشان به عنوان پلتفورمی برای توسعه گستره وسیعی از سنسورها افزوده شده است. میکروتیرکها در دو مد اصلی استاتیک و دینامیک کار می کنند. در مد استاتیک اگر یک نیروی خارجی به تیر اعمال گردد مقدار خیز با نوع نیرو، ضریب فنریت، مدول الاستیسیته و ابعاد متناسب است و هر تغییری در پارامترهای سیستم برای شرایط داده شده هم می تواند منجر به خیز تیر گردد که اساس کارکرد مد استاتیک برای میکروتیرکها را شکل می دهد.
در این خصوص، وجود یک نیروی خارجی یا ذرات ماده روی میکروتیرک بر بارگذاری آن تاثیر گذاشته و در نتیجه خیز را در مقدار کم ولی قابل تشخیص تغییر می دهد. در مد دینامیک، تغییر جهت در تشدید فرکانسی میکروتیرکها در نتیجه پارامترهای فوق الذکر به عنوان المان حسی استفاده می گردد . در این رویکرد چهار پارامتر تشدید فرکانس، دامنه، خیز و فاکتور کیفیت - که میزانی برای تعیین پهنای پیک تشدید است - را می توان با هم اندازه گیری کرد .[1] بعلاوه با اندازه گیری میرایی در سیستم اطلاعات بیشتری فراهم می گردد که در مد استاتیک تشخیص آنها غیر ممکن است.
کارهای تحقیقاتی متعددی تاکنون بر روی میکروتیرکها در کاربردهای مختلف علمی از جمله بیولوژیکی[2]، شیمیایی[3]، فیزیکی[4] و رئولوژیکی [5] صورت گرفته است. ثابت شده است که تکنولوژی حسی بر پایه میکروتیرک می تواند در توسعه بینیهای مصنوعی که قابلیت تشخیص گستره وسیعی از عوامل - مواد - بیوشیمیایی را در کاربردهای گوناگون دارد، مورد استفاده قرار گیرد
این پلتفورم برای اندازه گیری در زمان واقعی ایده آل بوده، اندازه گیری را با دقت بسیار بالایی انجام داده و هزینه را تا حد قابل توجهی کاهش می دهد .[7] وظیفه اصلی میکروتیرکها، تبدیل خیز تیرک ناشی از عوامل خارجی به سیگنالهای قابل تشخیص است. میکروتیرکها ، توانایی تشخیص تغییرات بار اعمالی تا حد پیکونیوتن و جابجایی در سطح انگستروم با پاسخ زمانی میلی ثانیه را دارا می باشند.
میکروتیرک ها نشان داده اند که در مقایسه با سایر سنسورهای موجود از جمله بالانسکنندههای میکرونی کوارتزی[8]، دستگاه های موج اکوستیک سطحی[9]، دستگاههای صفحهای اکوستیک[10]، تشدید کننده برشی ضخامت مبنا[11] و تحریک کننده - نوسان ساز - نوسانگرهای موجی صفحهای خمشی [9]، از حساسیت بسیار بیشتری برخوردار هستند. حساسیت بسیار بالای میکروتیرکها را میتوان عمدتا ناشی از سایز کوچک آنها و تلاشهای تحقیقاتی اخیر در ساختن تیرکهای خیلی کوچک تر دانست. به طور کلی میکروتیرکها ضخامتی در حد چند میکرومتر، پهنایی در حدود چند ده میکرومتر و طولی از ده ها تا صدها میکرومتر دارند.
اندازه و شکل آنها به نوع کاربرد و حساسیتشان بستگی دارد و به سمت نانو تیرکهای کوچک تر در حال حرکت استعموماً. میکروتیرکها از سیلیکون/سیلیکون نیتراد ساخته می شوند، با این وجود میکرو تیرکها از پلیمر هم ساخته شده [8] و در کاربردهای حسی استفاده گردیده اند .[12] میکروتیرکها با استفاده از تکنیکهای مرسوم تولید فیلم نازک ساخته میشوند. فرآیند تولید این چنینی می تواند به دقت بالا، هزینه پایین و قابلیت تولید مجدد خوبی در ساخت میکروتیرکها منجر شود.
.2 نحوه مدلسازی طرح
با توجه به نقش سازههای میکروالکترومکانیکی در صنعت می توان دریافت ایجاد تغییرات شکلی و سازه ای اجتناب ناپذیرند. وجود مشخصه ارتجاعی در اندازه کوچک و جرم دلیلی دیگر در پتانسیل سازهها برای ارتعاشات است که این خود نشان میدهد که ظهور و وجود ارتعاشات امری طبیعی است. پس می توان نتیجه گرفت آنالیز رفتارهای ارتعاشی در سازههایی از این قبیل در راستای کاهش و یا کنترل ارتعاشات جهت طراحی کاربردی امری مهم بوده و دادههای حاصله از چنین آنالیزی میتواند عمر و نحوه عملکرد چنین سازههایی را بهتر کند.
در این تحقیق، سازهای میکروالکترومکانیکی برای بررسی انتخاب شده، این سازه دارای یک جرم مرکزی و چهار تیر گیردار متصل به آن است. شماتیکی از آن در شکل 1 نشان داده شده است.
شکل -1 شماتیک سیستم میکروالکترومکانیکی
چهار مدل از این نوع سیستم میکروالکترومکانیکی بررسی میشود. در هر چهار مدل جرم مرکزی به صورت متقارن است، ولی تیرهای الاستیک در طرفین متفاوت میباشد. در مدل اول تیرها در طول جرم مرکزی و در نقطه ای غیر از ابتدا و انتهای آن قرار دارند. در این مدل تکیه گاه در امتدادی غیر از امتداد محوری تیرها پیش بینی می شود تا امکان خمش مضاعف در سازه ایجاد شده و در نتیجه پایداری آن افزایش یابد. مدل دوم همانند مدل اول انتخاب شده است با این تفاوت که اتصال تیرها به جرم مرکزی در انتها و بصورت غیر محوری انجام می شود. در مدل سوم تیرها در امتداد محوری جرم مرکزی اختیار شده و از ایجاد خمش مضاعف دز تیرها جلوگیری شده است. در مدل چهارم تیرها بصورت مارپیچ با دو خمش مضاعف در محل اتصال به جرم مرکزی اختیار شده اند.
تحلیل آنالیز مودال برای سازهها و قطعات صنعتی امری لازم است. در اثبات این ادعا باید گفت قطعات در صنعت همواره تحت تاثیر نوسانات قرار دارند که ایبن خود بواسطهی بارها و محرکهای ارتعاشی است. از طرفی در طراحی آن ها باید دقت گردد تا جای ممکن از محدوده فرکانس تشدید فاصله داشته باشد. اگر نوسانات در یک قطعه در محدوده فرکانس طبیعی قرار داشته باشد، دامنه افزایشی بیش از حد خواهد داشت و خطر گسسته شدن قطعه افزایش مییابد. در اینجا برای تعیین مقدار فرکانس های طبیعی و شکل مدها از تحلیل آنالیز مودال مبتنی بر تحلیل نرم افزاری استفاده گردیده است. با توجه به اینکه نیاز است مشخصه های مکانیکی و فیزیکی ماده در مرحله پیش پردازش نرم افزار تعریف شود تا تحلیل قابل قبول باشد و صرفاً مدلسازی برای تحلیل کافی نیست. ماده مورد استفاده شده سیلیکون بوده که مشخصات آن در جدول 1 نشان داده شده است.
جدول -1 خواص فیزیکی ماده سیلیکون
مدول یانگ - Gpa - 105
چگالی - g.cm-3 - 2/33
ضریب پواسن 0/23
بعد از اعمال این مرحله در بحث اعمال شرایط مرزی باید در نظر داشت که تکیهگاه تیرها ثابت بوده و تیرها گیردارند پس تیرها بر روی سطح مقطع انتهایی باید گیردار تعریف شوند و درجات آزادی آنها در امتداد محورهای مختصات صفر تعریف گردد. این شرایط برای هر چهار مدل یکسان است. در انجام این تحلیل در نرم افزار سعی شد از مناسبترین روش استفاده گردد تا دادههای خروجی - مدها و مقادیر ویژه - از بالاترین دقت برخوردار باشند. بنابراین در تحلیل از المان سهبعدی کمک گرفته شده تا ضمن پوشش درجات آزادی لازم برای المان، دقت کافی برای تحلیل را ایجاد کند.
.3 مقایسه نتایج شبیه سازی نرم افزار با نتایج تحلیلی
سیستم میکروالکترومکانیکی را میتوان به قسمتهای ماژولار بخشبندی کرد، اگر شرایط مرزی و ساختار کلی به گونهای متقارن باشد، میتوان چنین سازهای را همانند سیستم جرم و فنر بررسی کرد زیرا عضوهای الاستیک که همان تیرها هستند همانند فنر عمل کرده و هر قسمت مانند جرم و فنری است که به قسمت دیگر متصل شده و در کل تشکیل یک سیستم بزرگ را می دهند. پس ساختارهایی از این قبیل مانند یک جرم و چهار فنر موازی می باشند که در آن هر یک به عنوان یک فنر معادلسازی شده است که در شکل 1 نشان داده شده است.
شکل -1 مدل جرم و فنر سیستم جرم و فنر در مد اول نوسانی
در این شکل m معرف جرم معادل قسمت مرکزی سیستم الکترومکانیکی و K سختی معادل هر یک از تیرهای اصطکاکی میباشند. این معادل سازی سازهای در یک سازه پیچیده چون قابلیت تقسیم به قسمت های کوچکتر را دارد در محاسبه جرم معادل و ضریب سختی معادل کار را آسانتر می کند. در رابطه 1 با جایگذاری جرم معادل و ضریب سختی معادل میتوان فرکانس طبیعی را حساب کرد.
