بخشی از مقاله
چکیده
در این مطالعه یک سنسور فشار نوین مبتنی بر مکانیسم خازنی با طرح الکترودهای ایستاده در قالب شانه های خازنی که نقش الکترودهای حسگری را بازی خواهد کرد ارائه میشود. این طرح حساسیت بیشتر با قابلیت مجتمع پذیری بالاتر و نرخ دینامیکی بهتر را به ارمغان می آورد. حساسیت یکی از پارامترهای بسیار مهم در طراحی سنسورها میباشد که در سنسورهای فشار خازنی متداول با کاهش فاصله ی هوایی بین الکترودهای حسگر و دیافراگم و یا افزایش ابعاد دیافراگم برای خمش بیشتر با اعمال فشار کمتر بدست می آید.
تغییر در این دو پارامتر برای دست یابی به حساسیت بیشتر، همواره با محدودیت هایی همراه است. در این مطالعه با ارائه ی ساختار شانه خازنی عمودی به عنوان الکترودهای حسگر، تاثیر هر دو پارامتر موثر در حساسیت را همزمان در اختیار گرفته و میتوانیم یک سنسور با حساسیت بالا بسازیم.
طراحی، شبیه سازی، تحلیل و بهینه سازی این سنسور با روش - Finite Element Analyze - FEM در محیط ANSYS صورت گرفته است. در این مطالعه نرخ همپوشانی مساحت الکترودها از مقدار %10 تا %90 شبیه سازی میشود. همچنین برای ابعاد دیافراگم که فشار بر روی آن اعمال خواهد شد، دو مقدار 500 × 500 µm2 و 1000 × 1000 µm2 برای مساحت سطح کل سنسور شبیه سازی میشود. تغییرات فشار اعمالی به سطح دیافراگم نیز در بازه ی صفر الی 100 کیلوپاسکال برای این ساختار پیشنهادی مد نظر گرفته شده است. بیشترین حساسیت fF/KPa 66 در نرخ مساحت %10 و ابعاد سنسور mm2 1×1 بدست آمد.
-1 مقدمه
میکروسیستم های الکترومکانیکی به عنوان یکی از آینده دارترین تکنولوژیها در قرن 21 شناخته شده است که قادر است با یکپارچه سازی میکروالکترونیک و تکنولوژی میکروماشینکاری، تحولی شگرف در صنعت و محصولات مصرفی همچون صنعت خودروسازی، پزشکی، الکترونیک، ارتباطات و ... داشته باشد.
بطورکلی تکنولوژی سیستمهای MEMS به دو قسمت تقسیم میشوند: ادوات حس کننده یا متحرک و واحد انتقال سیگنال. میکروحسگرها برای حس کردن کمیت های مشخص فیزیکی، شیمیایی، بایولوژیکی از جمله فشار، نیرو، شتاب، سرعت، دما، شار مغناطیسی و... بکار میروند. برتری این ادوات نسبت به حسگرهای سابق، هزینه ی ساخت کمتر، حساسیت بیشتر، ابعاد کوچکتر و همچنین امکان مجتمع سازی با دیگر تکنولوژی ها از جمله ...CMOS میباشد که همگی روی یک تراشه جمع شده اند
در این بین سنسورهای فشار، بویژه سنسورهای فشار مبتنی بر تغییرات خازنی، از اهمیت ویژه ای برخوردارند. حسگرهای خازنی بر پایه ی تغییرات خازنی کار میکنند و شامل دو صفحه ی رسانا میباشند که نقش الکترودهای خازن را دارند.
نمودار زیر تخمینی است از میزان استفاده انواع حسگرهای حرکت - شتاب، جایرو، فشار و ... - در ادوات گوشی همراه و تبلت ها تا سال .2015 با پیشرفت چشم گیر تکنولوژی تلفن همراه و تبلت ها، پر واضح است که میزان بودجه و فروش این نوع سنسورها نیز بشدت افزایش یافته و جایگاه فراوانی در تکنولوژی MEMS به خود اختصاص دهند که توجیه کاملی برای سیر صعودی این منحنی میباشد
شکل : - 1 - تخمین میزان استفاده از انواع حسگرهای حرکت در ادوات گوشی همراه و تبلت ها تا سال .[2] 2015
شایان ذکر است بتازگی با ورود مواد تازهای به حیطه الکترونیک و تکنولوژی ریزساخت به ویژه پلیمرها و پلاستیک ها، پیشرفت شگرفی در تکنولوژی MEMS بوجود آمده است. بطوری که مفاهیم و تعاریف جدیدی همچون "Lab-on-foil" وارد این زمینه شده و مطالعات فراوانی را به سمت خود جذب کرده است. در این تکنولوژی ماده اصلی بکار برده شده در تراشه ها، پلیمرها و انواع مواد پلاستیکی میباشد که قابلیت انعطاف و خمش فراوانی دارند
در این بین سنسورهای فشار بویژه مبتنی بر مکانیسم خازنی از محبوبیت ویژه ای برخوردار بوده و اخیرا مطالعات وسیعی روی آن انجام پذیرفته است. دلیل این محبوبیت، مصرف توان پایین، قابلیت مجتمع پذیری بالا، وابستگی کم به تغییرات دمایی و حساسیت بالا میباشد 4]، .[5 در سنسور فشار نوع خازنی فشار تفاضلی به دیافراگم اعمال میشود که باعث میشود دیافراگم به یکی از صفحات خازن نزدیک شده و از دیگری دور شود. بنابراین ظرفیت خازن تغییر میکند که این تغییر متناسب با فشار اعمال شده به دیافراگم است. تغییر ظرفیت خازن توسط مدار الکتریکی تبدیل به سیگنال الکتریکی میشود که در واحدهای فشار کالیبره شده است. برای دستیابی به حساسیت بالاتر، بایستی ضخامت دیافراگم کوچک انتخاب شده و یا فاصله هوایی بین دو صفحه بسیار کوچک باشد
آقای ژانگ و همکاران [7] یک سنسور فشار خازنی با حساسیت بسیار بالا در حد 150 aF/Pa طراحی کرده و ساختند. این سنسور قابلیت این را داشت که با دقت % 0/025 تغییرات فشار محیط را در رنج نیروی 3/5 کیلوپاسکال بسنجد. ساختار این سنسور به گونه ای است که صفحه ی متحرک همواره با صفحه ی ثابت، فاصله ی یکنواختی داشته و نیروی خمش ناشی از اعمال فشار از طریق یک لایه منعطف دیگر به این صفحه ی متحرک منتقل میشود.
در مطالعه ای دیگر که آقای رایدل و همکاران [8] انجام داده اند، یک سنسور فشار خازنی پلیمری مبتنی بر PDSM طراحی کرده و ساخته اند. این سنسور برای کاربرد های هوا-فضایی گزارش شده است. ساختار این سنسور به گونه ایی است که یک لایه PDSM به عنوان لایه ی عایق و همچنین منعطف برای خمش و رفتار فنر گونه، بین دوصفحه ی فلزی قرار گرفته است. PDSM در این کاربرد به عنوان سنسور فشار، دارای مزیت های بیشماری می باشد؛ از جمله مقدار بسیار کم مدول یانگ که اجازه ی خمش تحت فشار بسیار کم را فراهم میکند. ویسکوزیتی این پلیمر نیز بسیار مناسب برای میکروماشین کاری و قالب گیری در ابعاد کوچک است.
در مطالعه ای که آقای باخوم و همکاران [9] انجام داده اند، ایده ی جدیدی برای افزایش حساسیت سنسور فشار خازنی معرفی شد. در این ساختار، بین دو صفحه ایی که نقش خازن را بازی می کنند، یک قطره جیوه به همراه صفحات عایق قرار داده شده است. هنگام عملکرد سیستم، در اثر فشار، جیوه بین دو سطح پخش می شود که باعث افزایش نرخ تغییرات خازنی میگردد. در این تحقیق عملی مقدار حساسیت 2.24 ʽF/kPa گزارش شده و کل تغییرات خازن 6 ʽF به دست آمده است.
آقای دویوک و همکاران [10] یک سنسور خازنی منعطف پلیمری طراحی کرده و ساخته اند. این سنسور به همراه قسمت های الکترونیکی مربوطه برای تخمین و اندازه گیری فشار داخل چشم - IOP - در داخل چشم یک موش آزمایشگاهی کاشته شد و مورد ارزیابی قرار گرفت. به دلیل محدودیت فضایی برای کاشت سیستم در داخل چشم موش، ابعاد 150×700×700 میکرومترمکعب برای طراحی سنسور فشار مد نظر گرفته شد. با توجه به اینکه سیستم بایستی روی یک سطح بسیار خمیده جاگذاری شود، سنسور مطلوب بایستی منعطف بوده که بدین منظور از پلیمر های زیست-سازگار برای کاشت داخل چشم استفاده شده است.
در مطالعه ای که آقای ناوی و همکاران [11] انجام دادند، یک سنسور فشار خازنی با تعامل سیالی ارائه شد. این طرح جالب قابل ساخت روی فیبر مدار چاپی بوده و دقت 0/79 pF/KPa را دارا میباشد. شماتیک طرح بدین صورت بوده که دو مسیر فلزی روی ویفر ایجاد شده و روی آن یک میکروکانال سیالات جاگذاری میشود. هرگاه سطح میکروکانال فشار داده شود، سیال الکترولیتی داخل کانال به حرکت درامده و باعث میشود مقدار خازن معادل بین این دو مسیر فلزی تغییر کند.
در مطالعه دیگری که آقای لی و همکاران [12] انجام دادند یک سنسور فشار خازنی قابل کاشت در بدن برای اندازه گیری فشار مثانه در بدن یا مثانه های تجاری مصنوعی پیشنهاد داده و بصورت عملی ارزیابی شد. این سنسور که در نهایت بر روی مثانه ی یک خرگوش کاشت گردید، بوسیله ی مدار پسیو LC که در روی بدنه خود سنسور تعبیه شده بود، اجرا شد. در این ساختار، با تکنیکی حساسیت افزایش یافته است. در تحقیقی دیگر که آقای سولا و همکاران [13] ارائه دادند، ساخت یک سنسور خازنی روی بستر PCB پیشنهاد داده که از لایه ی مسی برای ساخت قسمت فاصله ی هوایی استفاده کرده است. به عنوان لایه ی ایزولاسیون و منعطف از PDMS استفاده شده است. در این تحقیق مقدار حساسیت 20.13 fF/mbar گزارش شده است.
تئوری و روابط حاکم در عملکرد حسگر خازنی
در این قسمت به تبیین پایه های نظری و تئوری حسگرهای فشار خازنی می پردازیم. حسگرهای خازنی برپایه تغییرات خازنی کار می کنند و شامل دو صفحه فلزی می باشند که نقش الکترودهای خازن را دارند. برای ایجاد تغییرات خازنی یکی از صفحه ها بسته به نوع نیاز متحرک و دیگری ثابت می باشد.
