بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله شتابسنج خازنی دندان شانهای میکروالکترومکانیکی تک محوره با استفاده از سیلیکون روی عایق - SOI - و بلوکهای نیکلی پیشنهاد و بررسی شده است. با بکارگیری SOI به جای سیلیکون و استفاده از بلوکهای نیکلی جرم محک افزایش یافته است. مشخصه های عملکردی شتاب سنج به روش تئوری محاسبه شده است .
افزایش یافته است و نویز
معادل شتاب کاهش یافته است. این شتابسنج پیشنهادی قدرت تفکیک میکروگرانش را دارد. بعلاوه در این مقاله روشی برای جلوگیری از اعمال شوک در هنگام جابجایی و آسیب دیدن الکترودها به حسگر پیشنهاد شده است که با کمک نیروی الکترواستاتیکی حرکت قسمت محرک را خنثی میکند. بررسی تئوری این روش انجام شده و ولتاژ مورد نیاز برای جلوگیری از حرکت محک محاسبه شده است و با استفاده از شبیه سازی المان محدود صحت عملکرد بررسی و تایید شده است.
.1 مقدمه
شتابسنجها متناسب با رنج عملکرد خود در حوزههای زیادی کاربرد دارند. شتابسنجها در ناوبری، صنایع فضایی، هدایت خودکار، استخراج نفت، صنایع خودروسازی، مانیتورینگ سلامت، ابزارهای الکترونیکی و... کاربرد دارند.[1] شتابسنجهای دقیق دارای قدرت تفکیکی در حد چند میکروگرانش هستند. در بین مکانیزمهای خوانش، تکنیک خازنی به سبب داشتن حساسیت بالا، مشخصههای DC پایدار ، جریان نشتی پایین، اتلاف انرژی کم و حساسیت دمایی پایین مقبولیت تجاری خاصی پیدا کرده است . شتاب سنجهای خازنی فرآیند ساخت نسبتا آسانی دارند که به سبب سازگاری فرآیند ساختشان با فرآیند CMOS به سادگی میتوان آن ها را به صورت مجتمع با مدار خوانش درآورد.[2]
یکی ازروشهای بهبود عملکرد و افزایش دقت و قدرت تفکیک یک شتاب سنج خازنی افزایش جرم محک آن است. برخی از رویکردهای افزایش جرم عبارتند از: - 1 استفاده از سیلیکون روی عایق - - SOI که ساختار را ضخیم میکند و به میکروگرانش با حساسیت بالا میرسد - 2 . [2] استفاده از فرآیند HARPS که با کمک آن میتوان زدایشی با نسبت عمودی به افقی بالا انجام داد و در نتیجه بتوان ضخامت بالایی برای جرم محک ساخت - 3 .[3] از پایین ساختار جرم دیگری اضافه میشود - 4 .[4] یا از فلزات سنگینتر مثل نیکل که چگالی بیشتری نسبت به سیلیکون دارد در جرم محک استفاده میشود.[5]
برای ساخت شتابسنج خازنی با قدرت اندازهگیری میکروگرانش لازم است که فاصله هوایی بین الکترودها بسیار کم و بازه عملکرد آن کم باشد. در نتیجه حسگر توانایی تحمل شتابهای زیاد را ندارد و حتی در هنگام جابجایی ممکن است شتابسنج آسیب ببیند و الکترودها بهم میچسبند و یا حرکت جرم محک با شتاب بالا الکترود ثابت را تخریب میکند . در طرحهای ارائه شده تا امروز معمولا بین جرم محک و الکترود ثابت، یک سپر یا مانع قرار میدهند که به آن shock stop گویند و در فارسی آنرا ضربهگیر مینامیم. تا به الکترودها فشار نیاید و دچار چسبیدگی یا شکستن نشوند7]،6،.[3 در برخی موارد با استفاده از حلقه بسته از اعمال شتاب زیاد به ساختار جلوگیری میشود.[8]
در این مقاله یک شتاب سنج خازنی دندان شانهای تک محوره با جرم افزایش یافته با تکنیک SOI و اضافه کردن نیکل مورد بررسی قرار گرفته است. در این ساختار عملکرد شتابسنج در رنج میکروگرانش است که در نتیجه به شدت در برابر ضربات کوچک جابجایی آسیبپذیر است بنابراین در این مقاله روش نوینی به جای استفاده از ضربهگیرها ارائه شده است که با نیروی الکترواستاتیک از حرکت شدید قسمت متحرک جلوگیری کرده و از چسبندگی جلوگیری کند.
.2 ساختار و عملکرد شتاب سنج خازنی شانهای با ویفر SOI
یکی ازانواع شتاب سنجهای داخل صفحه، شتاب سنج دندان شانهای است که در شکل 1 نشان داده شده است. در این ساختار جرم محک توسط فنرهایی از بستر خود جدا و معلق شده است. دو طرف جرم محک یک سری الکترود متصل شده است که به همراه جرم محک حرکت میکنند. یک سری الکترود به شکل متناظر اما ثابت در مقابل الکترودهای متحرک قرار گرفته است که تشکیل خازنهای صفحه موازی میدهند.
اعمال شتاب در داخل صفحه موجب جابجایی جرم محک و در نتیجه تغییر فاصلهی بین الکترودها و در نتیجه تغییر ظرفیت خازن معادل بین آنها میشود. یکی از عمده مزیتهای شتاب سنج شانه ای امکان ساخت به هر دو روش ماشینکاری سطحی و حجمی است. با استفاده از هر دو رویکرد شتاب سنجی پیشنهاد شده است که جهت افزایش جرم ساختار از یک ویفر SOI استفاده میشود و ضخامت ساختار به 100ʽm میرسد.
