توضیحات

شبیه سازی مبدل فراصوت پیزوالکتریک میکروماشین خازنی(PMUT) مبتنی بر میکروالکترومکانیک(MEMS) در کامسول

سیستم های الکترو آکوستیک تجهیزاتی هستند که انرژی الکتریکی را به انرژی آکوستیکی و بالعکس تبدیل می کنند. و کاربردهای وسیعی در صنایع الکترونیک، صنایع تجاری، پزشکی و صنایع نظامی دارند. مبدل های پیزوالکتریک گروهی از سرامیک های پیشرفته هستند که سنسور اصلی سیستم های التراسونیک می باشند. درواقع مبدل ها یک عامل واسطه بین مدارهای الکترونیکی و محیط می باشند که امواج آکوستیکی در آن منتشر می شود. در کشور ما نیز دستیابی به دانش فنی تکنولوژی التراسونیک و شناخت ویژگی های مبدل های پیزوالکتریک مرتبط به آن اجتناب ناپذیر است.

تعریف و تاریخچه کشف پیزوالکتریسیته

تکنیک های تولید و اندازه گیری امواج صوتی با فرکانس های خیلی بالا در دهه های اخیر توسعه یافته است و این امر با کشف پدیده مهم پیزوالکتریک صورت گرفت. البته کشف مذکور در سال ۱۸۸۰ توسط برادران کوری به عمل آمد. آنها گزارش دادند که ورقه های نازکی از بعضی کریستال ها در صورتی که به شکل خاصی برش داده شوند در اثر اعمال فشار مکانیکی ایجاد یک پتانسیل الکتریکی می نمایند. یکسال بعد لیپمن پدیده معکوس پیزوالکتریک را تئوریزه نمود بدین معنی که با اعمال پتانسیل الکتریکی کریستال های مذکور تغییر شکل می دهند. و همچنین او بود که پیشنهاد کرد با اعمال ولتاژ متناوب متناسب می توان این کریستال ها را به نوسان درآورد و یا برعکس با نوسان کریستال می توان سیگنال های الکتریکی متناسب دریافت نمود.

یکی از عوامل دیگری که به گسترش استفاده از انعکاس امواج صوتی منجر شد فاجعه غرق شدن کشتی مسافربری تایتانیک در اثر برخورد با کوه یخی در سال ۱۹۱۲ بود که ذهن دانشمندان را متوجه کشف روشی مناسب برای شناسایی کوه های یخی از فواصل دور نمود. این ایده در طی جنگ جهانی اول به علت جنگ زیردریایی ها قوت گرفت تا اینکه در فاصله دو جنگ جهانی به اختراع سونار منجر گردید. بنابر این کشف پدیده پیزوالکتریک، توسعه اصول انعکاس امواج مورد استفاده در سونارهای زیردریایی، اختراع لامپ اشعه کاتد و رادار همگی امکان اختراع اولین دستگاه عیب یاب التراسونیک به طريقه انعکاس امواج را در سال ۱۹۴۲ توسط فیزیکدان معروف Sproule فراهم نمود. در سال ۱۹۴۷ Sproule موفق به ساختن پروب های امواج طولی گردید که به کمک آنها امکان ارسال امواج صوتی تحت زوایای مختلف به درون قطعه نیز فراهم شد.

این پدیده را به مناسبت همگام بودن فشار یا کشش با پدیدار شدن الکتریسیته، بنام پیزو الکتریسیته نامیدند. آنها همچنین مشاهده کردند که بارهای الکتریکی که در سطوح کریستال پدیدار می گردند متناسب با فشار یا کششی است که به آن وارد می شود بطوریکه اگر فشار به کشش و یا کشش به فشار تبدیل شود علامت بار الکتریکی که روی سطوح بلور پدیدار می شود، تغییر می کند.

این پدیده در تورمالین، کوارتز، کلرات سدیم، اسید تارتاریک نمک راشل و برخی بلورهای دیگر کم و بیش مشاهده می شود، سرامیک های پیزوالکتریک نیز از جمله مواد پیزو الکتریک هستند که بصورت مصنوعی در اشکال و ابعاد مختلف ساخته می شوند. این مواد مانند کریستال های پیزو الکتریک که بصورت طبیعی دارای خاصیت پیزو الکتریسیته هستند این خاصیت را از خود نشان می دهند. سرامیک های پیزو الکتریک مصنوعی بطور عمده از جنس باریم تیتانات، تیتانات زیر کونات سرب با علامت PZT و متانیوبات سرب می باشند. اخیرا مواد پیزو الکتریک دیگری تحت عنوان پلیمرهای پیزو الکتریک کشف شده اند که قابل ارتجاع بوده و به سهولت در اشکال و مکانهای مختلف مورد استفاده قرار می گیرند . از جمله این مواد می توان به پلی وینیلیدن فلوراید ، اشاره نمود.

فرایند تولید سرامیک های پیزوالکتریک

مواد اولیه سرامیک های پیزو الکتریک در ابتدا به صورت پودر بوده و به منظور ساخت سرامیک، این پودرها با موادی که اغلب اکسیدهای فلزی اند مخلوط شده و پس از مراحل کلسینه شدن، آسیاب شدن و دانه بندی در اشکال و ابعاد مورد نظر تحت شرائط خاص قالب گیری شده و در درجه حرارت هایبالا پخت داده می شوند. بعد از مرحله پرداخت و صیقل دادن با تکنیک های خاصییک لایه فلزی بسیار نازک در دو وجه متقابل سرامیک پوشش داده و آنرا الکترود گذاری می نمایند. مواد بدست آمده بعد از این مرحله با اعمال یک میدان الکتریکی مستقیم و قوی ، در حدود ۲ تا ۸ کیلو ولت بر میلیمتر ، در دمای۱۳۰ تا ۲۵۰ درجه سانتیگراد در مجاورت یک روغن مخصوص پلاریزه می شوند. با پائین آمدن دما به درجه حرارت های پایین دو قطبی های الکتریکی در آنها باقی مانده و سرامیک های تهیه شده با این روش در این مرحله خاصیت پیزوالکتریک را از خود نشان می دهند و مورد تست قرار می گیرند.

طول عمر سرامیک های پیزو الکتریک به استرس ، میدانهای الکتریکی اعمالی و درجه حرارت هایی که به آنها اعمال می شود، بستگی دارد. پیزوسرامیک ها که از خاصیت پیزوالکتریسیته برخوردار هستند در بسیاری از سنسورها بکار برده می شوند. سرامیک های پیزو الکتریک که بسته به کاربرد آنها در شکل های مختلفی ساخته می شوند ، دارای خصوصیات مختلفی هستند که این خصوصیات با برخی پارامترها و ضرایب خاص شناخته می شوند.

مواد پیزوالکتریک

کاربردهای مواد هوشمند مانند مواد پیزوالکتریک در ساختارهای مهندسی اخيرا مورد توجه جدی قرار گرفته است. مواد پیزوالکتریک سبک هستند و قادر به واکنش سریع از طریق اتصال الكتر و مکانیکی می باشند. چنین موادی وقتی تحت تغییر شکل قرار می گیرد میدان الکتریکی ایجاد می کنند و برعکس. وقتی اعضای پیزوالکتریک در یک ساختار پیوستهیا ادغام می شوند، می توان ویژگی های مکانیکی ساختار میزبان را با قابلیت های اضافی برای حس کردن تغییر شکل و انطباق پاسخ ساختاری ترکیب کرد. این اتصال الکترو مکانیکی ذاتی، که به عنوان اثرات پیزوالکتریک مستقیم و معکوس شناخته می شود، در کاربردهای متنوع مانند کنترل شکل ساختارها ، تحریک موج صوتی و نظارت بر سلامت ساختاری و به طور گسترده ای در طراحی بسیاری از دستگاه هایی که به عنوان مبدل ها، سنسورها و محرک ها به کار می روند.

مبدل های پیزو الکتریک:

اغلب ترانسدیوسرهای پیزوالکتریک سنسور اصلی سیستم های آلتراسونیک می باشند. در این ترانسدیوسرها بسته به کاربرد آنها، نوع خاصی از سرامیک ها با شکل و ابعاد معین استفاده می شود. مهمتری عامل تعیین ابعاد سرامیک بکار رفته در ترانسدیوسرهای پیزوالکتریک فرکانس کار آنها است. هر چه فرکانس کار ترانسدیوسر بالاتر باشد ابعاد پیزوسرامیک کوچکتر و هرچه فرکانس پائین تر باشد، ابعاد سرامیک بزرگتر است. تبديل امواج الکتریکی به امواج آکوستیکی به وسیله ترانسدیوسرها انجام می شود. در واقع ترانسدیوسرها یک عامل واسطه بين مدارهای الکترونیکی و محیطی می باشند که امواج آکوستیکی در آن منتشر می شوند. بدلیل امپدانس خاص سرامیک های موجود در ترانسدیوسرهای پیزوالکتریک که از مقادیر بالایی برخوردارند، آنها معمولا به طور مستقیم به مدارهای الکترونیک و محیط مدار موج متصل نمی شوند و بایستی به منظور تبدیل هرچه بیشتر توان الکتریکی به توان آکوستیکییک تطبیق امپدانس آکوستیکی بین سرامیک پیزوالکتریک و محیط انجام گیرد. تطبيق امپدانس آکوستیکی معمولا از طرف سطح مرتعش سرامیک های پیزوالکتریک انجام می گیرد و از طرف دیگر آن، با انجام عدم تطبيق امپدانس از انتقال امواج آکوستیکی به محیط جلوگیری می شود. بهترین عدم تطبيق امپدانس با ایجاد یک لایه هوا که دارای امپدانس بسیار متفاوتی با سرامیک های پیزوالکتریک است در مجاورت سطح مورد نظر سرامیک انجام می گیرد. این امر باعث عدم انتقال توان آکوستیکی به محیط، از طرف مجاور با لایه هوا و انتقال هرچه بیشتر توان آكوستیکی از طرف دیگر سرامیک پیزوالکتریک به محیط می گردد. ترانسدیوسرهای پیزوالکتریک در انواع مختلفی ساخته می شوند، که عبارتند از : 1- ترانسدیوسرهای پیزوالکتریک تک المانی۲- ترانسدیوسرهای پیزوالکتریک مرکب ۳- ترانسدیوسرهای پیزوالکتریک آرایه ای.

مبدل های پیزوالکتریک تک المانی:

در ترانسدیوسرهای پیزوالکتریک تک المانی از یک پیزوسرامیک استفاده می شود. کاربرد این ترانسدیوسرها بصورت تک فرکانس بوده و فرکانس کار آنها در یک پهنای محدود نزدیک به فرکانس رزونانس مد اصلی سرامیک پیزوالکتریک بکار رفته در ترانسدیوسر است. این ترانسدیوسرها معمولا در فرکانس های بیش از چند ده کیلوهرتز تا چندین مگاهرتز مورد استفاده قرار می گیرند. مدار معادل این ترانسدیوسرها شبیه به مدار معادل سرامیک های پیزوالکتریک است که مقادير المانهای آن تا حدودی هنگام نصب در ترانسدیوسر تغییر می کند. امواج آکوستیکی از طریقیک لایه میانی با جنس و ابعاد مناسب از سرامیک پیزوالکتریک به محیط انتقال یافته و منتشر می گردند.

مبدل های پیزوالکتریک مرکب:

ترانسدیوسرهای پیزوالکتریک مرکب، نوع پیچیده تری از ترانسدیوسرها هستند که بدلائل محتلفی طراحی و ساخته می شوند، که عبارتند از : الف – ترانسدیوسرهای با فرکانس پائین. ب- ترانسدیوسرهای با توان بالا. ج- ترانسدیوسرهایی که مجبور به تحمل فشار زیاد از محیط می باشند. د- ترانسدیوسرهای گیرنده (هیدروفون ) با باند فرکانسی وسیع .

بدلیل اینکه سرامیک های پیزوالکتریک تک المانی با فرکانس پائین دارای ابعاد بزرگ خواهند بود و مشکلاتی در عمل بدلیل این ابعاد جهت ساخت این سرامیک ها وجود دارد، لذا به منظور ساخت ترانسدیوسرهای پیزوالکتریک با فرکانس های کم؛ از المان های پیزوالکتریک مرکب استفاده می شود. سرامیک های بکار رفته در این ترانسدیوسرها به تنهایی دارای فرکانس های بالا می باشند که با ترکیب خاصی از این پیزوسرامیک ها با یکدیگر و موارد دیگری از قطعات جانبی می توان فرکانس را تا مقدار مورد نظر پایین آورد. این ترانسدیوسرها، از قسمت های زیر تشکیل شده اند:

١- سرامیک های پیزوالکتریک

۲- قطعه فلزی جلویی

۳- قطعه فلزی پشتی

۴- لايه تطبيق امپدانس

۵- لايه تطبيق عدم امپدانس

۶- پیچ پیش فشار

۷- بدنه

۸- جبران کننده فشار

9- اتصال بدنه

۱۰- دیافراگم

در ترانسدیوسرهای مرکب از چندین سرامیک پیزوالکتریک معمولاً با چسب هادی به یکدیگر متصل می شوند. فرکانس ارتعاش سرامیک ها زمانی که به یکدیگر متصل شده و تشکیل یک مجموعه می دهند، تغییریافته و کاهش می یابد. حساسیت فرکانسی یک قطعه مرکب از سرامیک های پیزوالکتریک بیشتر از حساسیت یک سرامیک پیزوالکتریک به تنهایی است. قسمت جلو مجموعه سرامیکی به قطعه فلزی جلویی و قسمت عقب آن به قطعه فلزی پشتی در اتصال است. قطعات فلزی جلویی و پشتی در المان اصلی جهت کاهش فرکانس در ترانسدیوسر بکار می روند. ابعاد، جرم حجمی و سرعت صوت در این قطعات که به جنسیت آنها مربوط است عوامل میزان کاهش فرکانس در المان اصلی ترانسدیوسر می باشند. قطعه فلزی جلویی در تماس با محیط واسطی است که به عنوان لایه تطبيق امپدانس بین ترانسدیوسر و محیط انتشار امواج آکوستیکی در نظر گرفته شده است و قسمت انتهایی قطعه پشتی معمولا بدلیل مطلوب بودن عدم ارسال امواج آکوستیکی از آن، در تماس با هوا است. شکل و سطح از جمله موارد استفاده ترانسدیوسرهای پیزوالکتریک آرایه ای عبارتند از :

١- باریک و محدود کردن پهنای زاویه پرتو ارسال و دریافت امواج آکوستیکی؛

۲- قرار دادن پرتو آکوستیکی در یک زاویه خاص نسبت به محور آکوستیکی آرایه بدون حرکت مکانیکی آن؛

۳- چرخش پرتوهای آکوستیکی تحت زوایای مختلف در یک محدود زمانی خاص بدون چرخش مکانیکی آرایه.

پیزو الکتریک، که اولین بار توسط برادران کوری در سال ۱۸۸۰ کشف شد، به قابلیت برخی از موادی برمی گردد که زمانی که از نظر مکانیکی تغییر شکل یافته اند قادر به تولید بار الکتریکی می باشند. در یک مبدل فراصوت پیزوالکتریک میکرو ماشین شده خازنی (PMUT) این تغییر شکل به مبدل اجازه می دهد تا موج فشار فراصوت ناگهانی را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل کند. یکPMUT فراصوت را با استفاده از اثر معکوس پیزوالکتریکی انتقال می دهد. به این معنی که میدان الکتریکی ای که به مواد پیزوالکتریک اعمال می شود، موجب تغییر شکل مکانیکی غشاء PMUT می شود و موج فراصوت ایجاد می کند. از آنجا که یکPMUT صفحه پشتی ندارد، هیچ توقف شدیدی برای محدود کردن حرکت غشاء وجود ندارد. دستگاه های پیزوالکتریکMEMS مانند PMUT ها به غشاء نازک مواد پیزوالکتریکی متکی می شوند که معمولا با ته نشین شدن از محلول های شیمیایی یا بخار تولید می شوند. بیست سال پیش, غشاء نازک مواد پیزوالکتریکی که می توانستند از طریق هر یک از این روش ها ته نشین شوند, خواص مشابهی با معادلات پرحجم سرامیکی شان نداشتند. خواص غشاء مانند بار و ضرایب پیزوالکتریکی نمی توانستند به خوبی کنترل شوند و فرآیند ته نشین شدن تکرار پذیر نبود. اما با ترغیب تعدادی از نرم افزارهای کلیدی مانند هد چاپ های جوهر افشان و فیلتر های فرکانس رادیویی، پژوهشگران و تولید کنندگان تجهیزات و این دو مسئله را برای دو ماده پیزوالکتریکPZT (تیتانات زیرکونات سرب) و AIN (آلومینیوم نیترید) حل کرده اند. امروزه تولید کنندگان معمولا از PZT در مبدل های فراصوت معمولی استفاده می کنند.

مقدمه ای بر MEMS

اخيرا سیستم های میکروالکترومکانیکیMicro Electro Mechanical Systems) یا (MEMS) با توسعه روش های ساخت آنها در مقیاس میکر و منجر به ظهور قابلیت های جدید در تمامی زمینه ها گردیده و بر لزوم مطالعه و تحقیق در این زمینه می افزاید: این صنعت با توجه به وزن کم، ابعاد کوچک و مصرف انرژی پایین آنها در شاخه های مختلف از جمله پزشکی، مهندسی پزشکی (آناليز وسنتز DNA، كد ژنتیکی، اعضای مصنوعی، ترمیم بافت و ابزار های جراحی، تشخیص و تصویر برداری)، سیستم های حمل و نقل (انواع حسگر ها شامل کیسه هوا و حسگر دمای اتاق خودرو وحسگر ضربه و حسگر فشار تایر و حسگرهای سنجش هوای ورودی و خروجی مبدل ها و شتاب سنج ها)، ساخت و تولید (ربات های هوشمند) و هوا فضا مورد استفاده قرار میگیرد. این واقعیت که در MEMS از تکنیک های ساخت موجود در صنعت نیمه هادی ها استفاده میگردد، منجر به قیمت پایین و تجاری بودن این سیستم ها می شود و همچنین دقت، قابلیت حمل آسان، مصرف انرژی کم، نگهداری آسان و دوست دار محیط زیست بودن از جمله مزیت های این سیستم ها می باشد.

از موارد تجارت شده MEMS میتوان به شتاب سنج های میکرو مکانیکی و ژیروسکوپ های الکترومکانیکی اشاره کرد که ضعف سیستم های ماکرو در این سیستم ها به طور کلی پوشش داده شده است؛ همچنین در زمینه ارتباطات اجزای نیمه هادی قدیمی به تدریج با دستگاه های متنوع MEMS جایگزین شده اند که از جمله آنها میتوان به میکروسوییچ ها و میکرونوسان گر ها که در شبکه تلفن همراه و شبکه های بی سیم و ارتباطات فیبر نوری و شبکه های مخابراتی کاربرد فراوان دارند نام برد، که وظایفی از جمله سوئیچینگ، فیلترینگ و میزان سازی را شامل می گردد. همچنین با عرضه سنسور های الکترو مکانیکی از جمله فشار سنج ها و شتاب سنج این سیستم ها روز به روز بهینه تر و پیشرفته تر و پر رونق تر شدند. با معرفی سیستم های الکترومکانیکی اپتیکی جنبه هایی از قابلیت های سیستم ها در سوئیچ های فیبر نوری و دستگاه های میزان ساز طول موج وحسگر های اپتو مکانیکی و همچنین پردازنده های نوری دیجیتالی در تلویزیون ها و پروژکتور ها نمایان گردیده است؛ علاوه بر این پرینتر های جوهر افشان شامل انواع از میکرو پمپ ها و میکرو سوپاپ ها هستند که جزو سیستم های رایج و تجاری می باشد.

به طور کلیMEMS با توجه به نوع کاربردی که خواهند داشت از چند دیدگاه اعم از : و احساس یا تحریک توسط سیستم

• ساکن و متحرک بودن سیستم
• نوع تحریک الکتریکی و یا مغناطیسی

و خروجی دیجیتالیا آنالوگ

قابل دسته بندی هستند.

حسگر هایMEMS از خصوصیات فیزیکی و شیمیایی جهت حس کردن پارامترهای فیزیکی و یا شیمیایی استفاده می کنند و همچنین عملگر هایMEMS به وسیله تبدیل انرژی به حرکت تعریف می شوند؛ که میکرو نوسانگرها، میکروسوئیچ ها، میکرو سوپاپ ها، میکرو پمپ ها، میکروموتورها و میکرو آینه ها از جمله این عملگرها هستند. اغلب روش های تحریک عملگرهایMEMS عبارتند از :

• تحریک مغناطیسی
• تحریک توسط مواد پیزوالکتریک
• تحریک دمایی • تحریک الکترو استاتیک

که به دلیل سادگی تحریک الکترو استاتیک این روش بسیار رایج است.

سیستم های میکروالکترومکانیکی سیستم های میکروالکترومکانیکی (MEMS) که به صورت های مختلف

micro – electro – , Microelectromechanical mechanical, یاmicroelectronic و Microelectromechanical systems و انواع ساختار های مرتبط با میکروالکترونیک نوشته می شود فناوری دستگاه های میکروسکوپی است خصوصا دستگاه هایی که دارای قطعات متحرک می باشند. این سیستم در یک مقیاس نانو با سیستم های نانو الکترومکانیک و نانو تکنولوژی ادغام می شود. همچنین سیستم های میکروالکترومکانیکی در ژاپن به عنوان میکرو ماشین ها و در اروپا نیز بعنوان فن آوری میکرو سیستم (MST) شناخته شده اند.

مبدل های فراصوتی میکروماشین شده خازنی (CMUT):

این نوع مبدل ها مفهوم نسبتا جدیدی در زمینهی مبدل های فراصوتی می باشند. امروزه اکثر مبدل های فراصوت تجاری بر پایه پیزوالکتریک می باشند. CMUT ها مبدل هایی هستند که انتقال انرژی در آنها براساس تغییر ظرفیت می باشد. این مبدل ها بر روی سیلیکون هایی که از تکنیک های میکرو ماشینی استفاده می کنند ساخته شده اند. یک حفره در زیرلایه سیلسکونی تشکیل شده و لایه ای نازک به عنوان غشاء در بالای آن حفره بکار گرفته می شود که روی آن, لایه ای با روکش فلزی مانند یک الکترود عمل می کند که بهمراه آن نیز زیرلایهی سیلیکونی بعنوان الكترود زیرین بکار گرفته می شود.

مبدل فراصوت پیزوالکتریک میکرو ماشین شده خازنی (PMUT):

مبدل های فراصوت پیزوالکتریک مبتنی بر MEMS می باشند. بر خلاف مبدل های پیزو الکتریک پرحجم از جمله PZTیا PMN – PT تک کریستالی که از حالت حرکت ضخیم صفحه سرامیک پیزوالکتریکی استفاده می کنند, PMUT مبتنی بر حرکت خمشی غشای نازکی است که با یک غشای نازک پیزوالکتریک کوپل شده اند مانند PVDF.

فراصوت پیزوالکتریک مبتنی بر MEMS کم قدرت، دنیای دستگاه های مصرفی را تغییر خواهد داد. دستگاه های ساده مانند ساعت ها و تلفن ها می توانند از فراصوت فوق العاده کم قدرت استفاده کنند تا با حساسیت همیشگی, از محیط آگاه شوند. به طور مداوم محیط زیست خود را زمانی که در یک کیف دستی و یا جیب و یا زیر آستین لباس قرار دارند برای وارد شدن به حالت کم قدرت جست و جو کنند و تنها در صورت نیاز بیدار شوند. اتاق ها و وسایل نقلیه می توانند حضور ما را با پاسخ دادن به نیاز ها و ترجیحات کاربر در حوزه سرگرمی, نورپردازی و اطلاعات, بدون استفاده از دوربین های مزاحم حس کنند. تبلت ها، سیستم های سرگرمی، حتی سوئیچ های نور نیز می توانند همه ی رابط های طبیعی را که مبتنی بر حرکات می باشند. با ایجاد کنترل حسی به حرکات ساده پیوند دهند.

در این پروژه مدلسازی و شبیه سازی مبدل فراصوت پیزوالکتریک میکروماشین خازنی(PMUT) مبتنی بر میکروالکترومکانیک(MEMS) در کامسول انجام شده است و شامل پیزوالکتریک ساندویچی بین دو الکترود آلومینیومی با لایه پسیو نیترید سیلیکون( SiN3 )می باشد. مدل کامسول شامل مبدل فراصوت پیزوالکتریک خازنی(PMUT) و دامنه فشار آکوستیکی حباب کروی سیال آب می باشد. قصد داریم فرکانس رزونانس سیستم را مشاهده و بهینه کنیم.