بخشی از مقاله
چكیده
در سالهای اخیر استفاده از تکنولوژی MEMS برای ساخت حسگر های گوناگون از جمله حسگر دما مورد توجه قرار گرفته است. در حسگر های دمای مقاومتی - RTD - ، با تغییر دما مقاومت های مختلف ایجاد می شود. پالتین در ضخامت هایی بیشتر از 111 نانومتر دارای خواصی حرارتی و الکتریکی مشخصی می باشند که با معادالت مرسوم قابل پیش بینی هستند. اما در ضخامتهای کمتر معادالت حاکم بر پارامتر های حرارتی و الکتریکی الیه نازک ، مانند مقاوت ویژه و رسانندگی گرمایی، تغییر می کنند.
در این پژوهش با شبیه سازی در نرم افزار چند فیزیکی COMSOL فیزیک های موثر از جمله انتقال حرارت - جامدات و سیاالت - ، الکتریسیته و همچنین برهمکنش میان آن ها به طور همزمان در نظر گرفته شده است. در کار حاضر با ثابت نگه داشتن ولتاژ، تغییرات مقاومت و جریان برای ضخامت و عرض های مختلف سیم پالتینی اندازه گیری شده است. با توجه به نتایج بدست آمده، حساسیت با کاهش عرض و ضخامت الیه نازک پالتینی صورت نمایی افزایش یافته و زمان پاسخ دهی با افزایش ضخامت بیشتر می شود و لذا می توان بر حسب کاربرد، هندسه مورد نظر را جهت داشتن حساسیت و زمان پاسخ مناسب از نتایج شبیه سازی انتخاب کرد.
مقدمه
در سالهای اخیر استفاده از تکنولوژی MEMS برای ساخت حسگر های گوناگون از جمله حسگر دما مورد توجه قرار گرفته است. در این تحقیق ما حسگر دمای مقاومتی را بررسی نموده ایم. قسمت اصلی این نوع حسگرها را یک سیم نازک فلزی تشکیل میدهد که مقاومت الکتریکی آن با دما تغییر میکند 2[،.]1 بنابر بررسی های صورت گرفته زمانی که ضخامت یک الیه نازک فلزی از مرتبه زیر میکرون می باشد، رفتار و خواص متفاوتی را از خود نشان می دهند و مقاومت ویژه و رسانندگی گرمایی آن از فرمول های مرسوم پیروی نمی کنند.
در این تحقیق، وابستگی مقاومت الکتریکی ویژه و رسانندگی گرمایی الیه نازک پالتین به ضخامت آن بررسی شده و از این روابط حاصل برای شبیه سازی بهترحسگر دما استفاده شده است. در طراحی حسگر دمای مقاومتی، پارامتر های هندسی سیم نیز بسیار تاثیر گذار می باشند که در پارامتر حساسیت و زمان پاسخ دهی حسگر تغییرات اساسی ایجاد می کنند. در این تحقیق مورد بررسی قرار گرفته است 3[،.]4
مقاومت ویژه در الیه نازک
با توجه به اندازه گیری های تجربی انجام شده، پس از دمای مشخصی به نام "دمای اشباع" تغییرات چندانی در مقاومت الکتریکی الیة نازک پالتین مشاهده نمی شود - شکل . - 2 شکل : 1 مقاومت اندازه گیری شده برای فیلم نازک به ضخامت 36.4 nm که مناطق خطی و اشباع را به نمایش می گذارد از آن جایی که دمای اشباع به روش تجربی بدست آمده و بستگی به ضخامت فیلم دارد، یک آنالیز ریاضی برای مشخص کردن رابطة بین دمای اشباع و ضخامت فیلم انجام گرفته است.
شبیه سازی
در این پژوهش با شبیه سازی در نرم افزار چند فیزیکی COMSOL فیزیک های موثر بر مسئله به شرح زیر به طور همزمان بررسی شده اند:
-1انتقال حرارت در الیه نازک و محیط اطراف
-2 انتقال حرارت بین محیط اطراف و الیه نازک
-3وابستگی ها و تغییرات زمانی پارامترهای الکتریکی و گرمایی حسگر
-4 برهمکنش الیه نازک با جریان الکتریکی و انتقال حرارتشکل 4 ساختار هندسی شبیه سازی شدة حسگر دما.Ly طول، Lx عرض و w ضخامت الیه است - پایین - . المان بندی حسگر طراحی شده به همراه محیط اطراف آن - باال - . حسگر شبیه سازی شده شامل یک الیه سیلیکونی و سپس یک الیه سیلیکون اکسید و در نهایت الیه نازک پالتینیم مطابق شکل 4 می باشد.
پارامتر های هندسی بکار رفته در طراحی این حسگر طول - Ly - ، عرض - Lx - و ضخامت - w - الیة پالتین است. الیه نازک پالتینیوم تحت یک ولتاژ ثابت قرار می گیرد و به واسطه این ولتاژ و مقاومت الکتریکی یک جریان مشخص از الیه نازک عبور کرده و باعث گرم شدن آن می شود. با تغییرات دما میزان مقاومت تغییر و در نتیجه جریان عبوری از الیه نازک تغییر کرده و از روی این تغییرات می توان می توان تغییرات دما را اندزه گیری نمود. در این مقاله با ثابت نگه داشتن ولتاژ، تغییرات مقاومت و جریان برای ضخامت و عرض های مختلف سیم پالتینی اندازه گیری شده است. بازه تغییرات دما در ناحیه زیر دمای اشباع و در ناحیه خطی در نظر گرفته شده است که از 214 تا 814 کلوین می باشد.
