بخشی از مقاله
چکیده
این مقاله برروی طراحی یک حسگر فشار خازنی میکرو الکترومکانیکی جدید با دیافراگم پلهای مربعی مورد استفاده در سیستم کنترل فشار تایر متمرکز شده است. ساختار دیافراگم حسگر نقش کلیدی در تعیین میزان حساسیت حسگر و غیر خطی بودن خروجی آن ایفا میکند. لذا در ابتدا ساختار دو حسگر فشار خازنی با دیافراگم مربعی ساده چهار طرف ثابت، با ضخامتهای متفاوت شبیهسازی شده و میزان حساسیت و غیر خطی بودن آنها با هم مقایسه گردیده و در نهایت برای غلبه بر معایب، به معرفی حسگر فشار خازنی با دیافراگم پلهای مربعی پرداخته و یک حل عددی برای تعیین دقیق میزان حساسیت حسگر ارائه گردیده است.
نتایج نشان می دهد که حساسیت حسگر از مقدار KPa fF 0/063 در دیافراگم ساده به مقدار KPa 0/107 fF در دیافراگم پلهای افزایش و میزان غیر خطی بودن نیز از 2/37 درصد در دیافراگم ساده به مقدار 1/857 درصد در دیافراگم پلهای کاهش یافته است. بنابراین در این طرح میزان حساسیت و غیر خطی بودن حسگر فشار تایر همزمان بهبود یافته است. به علاوه نتایج تئوری با نتایج شبیه سازی، بسیاردر توافق نزدیک میباشند.
.1 مقدمه
در سالهای اخیر پیشرفتهای چشمگیری در زمینه سیستمهای میکرو الکترومکانیکی صورت گرفته است که در این میان حسگرهای فشار میکروالکترومکانیکی بدلیل سایز کوچک، وزن کم و سازگاری جایگاه ویژهای را در صنایع فضایی، خودرو و پزشکی کسب نموده است . صنایع خودروسازی مصرف کنندههای پیشتاز حسگرهای فشار میباشند که از کاربردهای نمونه در این صنعت میتوان به سیستم کنترل فشار تایر، اندازهگیری فشار در سیستم مستقیم بنزین، برنامه ثبات الکترونیکی ژیروسکوب و کیسه هوا اشاره کرد. اخراًی بیشتر کشورها قوانینی را مبنی بر نصب حسگرهای کنترل فشار تایر برای هر چرخ اتومبیل وضع نمودهاند، بنابراین برای پاسخگویی به تقاضا در بازار، به تازگی تحقیقات در زمینه حسگرهای کنترل فشار تایر شدت گرفته است .[1]
عدم تنظیم مناسب باد تایر سبب فرسودگی زودرس تایر، افزایش مصرف سوخت و بالا رفتن خطر تصادف میشود. یک تایر میتواند نیمی از فشار خود را از دست دهد بدون اینکه کم بادی آن مشهود باشد و بیشتر مردم این وضعیت تایر را نادیده میگیرند، بنابراین آمارها نشان میدهند که تقریباً 000،250 تصادف در سال در ایالات متحده تنها بدلیل فشار کم تایر اتفاق میافتد . [2 ]
سیستم کنترل فشار تایر نقش حیاتی را در ایمنی اتومبیلها ایفا میکند. این سیستم، عدم فشار هوای مناسب تایر را که سبب کاهش ایمنی عملکرد وسیله نقلیه و افزایش خطر تصادف میشود به راننده هشدار میدهد . [3] این سیستم بر پایه روش مستقیم، فشار تایر را اندازه گیری میکند که شامل حسگر فشار مونتاژ شده با میکروکنترلرها و یک مدار الکترونیکی نصب شده درون تایر میباشد که مرتباً فشار تایر را اندازهگیری میکند و اطلاعات را مبنی بر فشار درست یا نادرست تایر به راننده ارسال میکند .[4] در بیشتر سیستم های کنترل فشار تایر مستقیم از حسگرهای فشار میکروالکترومکانیکی استفاده میشود .[3]
حسگرهای فشار میکروالکترومکانیکی عمدتاً به دو گروه حسگرهای فشار پیزورزیست و حسگرهای فشار خازنی تقسیمبندی میشوند که در این میان حسگرهای فشار خازنی دارای حساسیت فشار بالا، نویز کم و مصرف توان پایین میباشند [5] و بر خلاف حسگرهای پیزورزیست نسبت به دمای محیط غیرحساسند، بنابراین برای استفاده در داخل تایر مناسبترند .[3] حسگرهای خازنی بر پایه تغییرات خازنی کار میکنند و شامل دو صفحه موازی با فاصله هوایی هستند. صفحه بالایی یک دیافراگم متحرک میباشد که میتواند بصورت مربع، دایره و مستطیل باشد درحالیکه صفحه پایینی ثابت میباشد.
در حسگرهای فشار میکروالکترومکانیکی اعمال فشار به صفحه بالایی منجر به جابجایی دیافراگم میشود که خود تغییرات خازنی را به دنبال خواهد داشت که این تغییرات خازنی میتواند توسط یک مدار الکترونیکی میانی اندازهگیری شود .[6] حسگرهای فشار میکروالکترومکانیکی دارای مشکلاتی نظیر خروجی غیرخطی و حساسیت حسگر پایین میباشند .[7] برای رفع این مشکل در بعضی از مقالات دیافراگم به حالت لمسی تبدیل شده است [8] و [9] اما در ابتدا که فشار اولیه کم میباشد سبب کار حسگر در منطقه نرمال قبل از منطقه لمسی میشود که خروجی خازن در این منطقه غیرخطی و حساسیت کمی دارد.
یکی از راههای کاهش میزان غیرخطی بودن استفاده از دیافراگم با ضخامت بیشتر میباشد [3] که خود این افزایش سبب بالابردن سختی دیافراگم و در نتیجه کاهش جابجایی دیافراگم میشود که کاهش حساسیت حسگر را بدنبال خواهد داشت. در بعضی از مطالعات نیز سعی شده است تا با افزایش ضخامت قسمت میانی دیافراگم، خروجی را خطیتر کنند اما این امر نیز سبب افزایش سختی دیافراگم و کاهش حساسیت حسگر میشود [10] و .[11] در این مقاله حسگر فشار خازنی برای اندازهگیری فشار تایر پیشنهاد شده است.
در ابتدا حسگر فشار خازنی با دیافراگم مسطح بررسی میشود و سپس برای دستیابی به خروجی خطیتر حسگر فشار با دیافراگم ضخیمتر مورد ارزیابی قرار میگیرد و در نهایت برای دستیابی به افرایش حساسیت حسگر با دیافراگم ضخیمتر، دیافراگم پلهای مورد بررسی قرار میگیرد. دیافراگم در هر سه حسگر بصورت مربعی و از جنس پلی سیلیکن ناخالص شده میباشد.
تحلیل و طراحی حسگر فشار خازنی
حسگر فشار خازنی از دو صفحه موازی با فاصله هوایی تشکیل شده است که صفحه بالایی قابلیت جابجایی دارد. شکل - 1 - نمایی از یک حسگر فشار خازنی مربعی را نشان میدهد که h ضخامت دیافراگم و 2a ضلع آن می باشد. در حسگرهای فشار خازنی، صفحات موازی از طریق بایاس DC نقش الکترودهای خازن را ایفا میکنند . جابجایی دیافراگم بر اثر اعمال فشار خارجی به شکل دیافراگم وابسته است.
در میان انواع دیافراگم، دیافراگم مستطیلی بدلیل عدم تقارن در ساختار دارای توزیع استرس غیریکنواخت میباشد [12] که این امر سبب میزان جابجایی کمتر آن نسبت به دیافراگم مربعی و دایرهای با مساحتهای یکسان میشود .[13] با در نظر گرفتن اضلاع و شعاع برابر برای دیافراگم مربعی و دایرهای - ضلع مربع = شعاع دایره - ، ملاحظه میشود که میزان جابجایی دیافراگم مربعی بیشتر از دایرهای میباشد و همچنین بدلیل طبیت ناهمسانگرد ساختار کریستال سیلیکن، ساخت دیافراگم مربعی آسانتر و دقیقتر میباشد .[14] بنابراین استفاده ار دیافراگم مربعی بجای دایرهای پیشنهاد گردیده است.
حساسیت مکانیکی
اگر در حالت عادی دو الکترود دارای فاصله هوایی d از هم باشند، خازن اولیه بین الکترودها از رابطه - 1 - بدست میآید در حالیکه ضریب گذردهی الکتریکی و A سطح مقطع میباشد. در جابجایی کوچک دیافراگم، برای محاسبه تغییرات خازنی - C - باید مقدار خازن ایجاد شده C1 در رابطه - 2 - در اثر جابجایی را از خازن اولیه کم کنیم - 3 - و مشاهده میکنیم که تغییرات خازنی وابستگی زیادی به مقدار wc یعنی مقدار جابجایی دیافراگم دارد.
