توضیحات
پروژه شبیه سازی حسگر و سنسور فشار خازنی میکروالکترومکانیکی(ممز) در نرم افزار کامسول
Simulation of MEMS Capacitive Pressure Sensors in COMSOL
ممز که مخفف سیستم های میکروالکترومکانیکی می باشد نوعی از سیستم ها هستند که اندازه فیزیکی خیلی کوچکی در حد مرتبه میکرو دارند ممز یک فرآیند تکنولوژی است که برای به وجود آوردن سیستم ها و وسایل یکپارچه (مجتمع) خیلی کوچک که از عناصر الکتریکی و مکانیکی ترکیب می شوند، بکار می رود. این ادوات در سایزهای بین کمتر از میکرومتر تا میلی متر طبقه بندی می شوند. در تعریف بهتر، ممز، فناوری کوچک سازی و مجتمع سازی ادوات الکتریکی و غیر الکتریکی کوچک (مانند ادوات مکانیکی، نوری و…) در کنار هم و روی یک تراشه می باشد. این سیستم ها معمولا دارای اجزای الکتریکی و مکانیکی هستند.
سیستم های میکروالکترومکانیکی ممز(MEMS) اصطلاحی است که اولین بار در دهه ۱۹۸۰ در آمریکا برای نامیدن این سیستم ها معمول شد. ممزها، اجازه توسعه محصولات هوشمند را با در نظر گرفتن قابلیت های میکروسنسورها، میکرو محرک ها و توسعه فضای ممکن در طراحی می دهند.
در ممز تقریبا می توان هر پدیده فیزیکی، شیمیایی و الکترونیکی را در یک جا جمع کرد و لذا این تکنولوژی با اکثر حوزه های دانش مرتبط است. این پدیده ها می توانند شامل حرکت های مکانیکی، نور، صدا، پدیدههای شیمیایی و بیولوژیکی، امواج رادیویی، مدارات الکترونیک و بالاخره محاسبات کامپیوتری باشند به نحوی که تماما در یک قطعه واحد مجتمع شوند. مجتمع بودن در این ادوات به گونه ای است که در این قطعات انواع حسگرها به همراه انواع عملگرها با قدرت محاسباتی و الگوریتم های تصمیم گیری، امکان حضور دارند. بنابراین، می توانیم با ممز یک کنترل کننده بسازیم که ببیند، بشنود و انواعی از حسگرهای دیگر را هم داشته باشد و در عین حال دست های ظریفی داشته باشد که بتواند با آن کارهایی انجام دهد و نهایتا مغزی داشته باشد که با آن تصمیم بگیرد در شرایط گوناگون چه عملی انجام دهد. همه این ها تماما در یک قطعه واحد با ابعاد بسیار ریز جمع شده اند. در یک قطعه واحد ممز لازم نیست لزوما همه این اجزا در کنار یکدیگر قرار گیرند بلکه ممکن است فقط یک یا دو عدد از این اجزا وجود داشته باشد اما در کارهایی که انجام شده است بعضا ممكن است میلیون ها جزء در کنار یکدیگر مجتمع شده باشند جالب اینجاست که نهایتا اندازه یک قطعه ممز که متشکل از این اجزاست ممکن است چند میکرون یا آنکه ابعاد میلیمتری داشته باشد.
معمولا، به دلیل آنکه این قطعات کلا به شکل یکپارچه و با یک سری عملیات واحد روی یک تراشه ساخته می شوند، ضريب اطمينان قطعات ممز از قطعات و سیستم های مشابه که با سر هم کردن اجزای مختلف ایجاد می شوند بیشتر است. باید توجه داشت که ساخت قطعات ممز مبتنی بر یک سیستم تولید انبوه است و بنابراین تولید آنها از نظر قیمت مقرون به صرفه است. بدین ترتیب ممز دارای پیچیدگی کمتر، کارایی بهتر، اندازه کوچک تر، ضریب اطمینان بالاتر و همچنین قیمت کمتر می باشد و اینها باعث گسترش روزن افزون استفاده از ممز در آینده می شود.
پیشینه فناوری ممز به فناوری ساخت مدارات مجتمع برمی گردد. مدارهای مجتمع میکروالکترونیک می تواند به عنوان مغز متفکر یک سیستم در نظر گرفته شود و MEMS این قابلیت تصمیم گیری را با چشم ها و بازوهایی زیاد کرده تا به میکرو سیستم ها اجازه دهد تا از محیط به وسیله اندازه گیری مکانیکی، دمایی، بیولوژیکی ، شیمیایی، نوری و مغناطیسی اطلاعاتی جمع آوری کنند. امروزه از ممز در پرینترهای جوهر افشان، شتاب سنجها، موتورهای میکرومتری، قفل ها، انواع حسگرها برای کمیتهایی نظیر درجه حرارت، فشار، شار، فرستنده ها و گیرنده های بسیار ریز، آیینه های میکرومتری، اسکنرها، انواع مبدل ها و انواع فیلترها استفاده می شود.
حسگرها یا سنسورها (sensor) ادواتی هستند که پارامترهای محیطی مانند گرما، نور، سرعت، فاصله و … را حس کرده و نتیجه را به صورت یک سیگنال الکتریکی گزارش می نمایند. خانواده حسگرهای ممز محصولاتی هستند که علیرغم سادگی نسبی آنها در مقایسه با سایر حوزه های تکنولوژی، از اهمیت ویژه ای برخوردارند. می توان ادعا کرد که تمامی محصولات ممز به نوعی از ریز حسگرها بهره می برند، شتاب سنجها، سرعت سنج ها، حس گرهای فشار و ژیروسکوپ ها از مهم ترین محصولات این خانواده اند.
سنسورهای فشاری به علت تنوع کاربردی که در صنایع مختلف از پزشکی گرفته تا دفاعی دارند، بسیار مورد توجه این صنایع می باشند. و ممز ها همان طور که گفته شده نقش بسزایی در توسعه و پیاده سازی این نوع از سنسورها داشته اند. در واقع امروزه با استفاده از فناوری ممز امکان تولید سنسورهای فشاری در باندهای فشاری گسترده تری پدید آمده است به نحوی که نیروهای بسیار کم، مولد سیگنال های الکتریکی مناسبی خواهند بود.
روز به روز طیف استفاده از سنسورهای فشاری و کاربرد آنها در صنایع پزشکی، فضانوردی، اتومبیل سازی، صنعتی و تجاری رو به افزایش است. با توجه به پیشرفت های شایانی که در زمینه صنعت تکنولوژی ساخت در مقیاس میکرو رخ داده است، سنسورهای فشاری که با میکروماشین کاری تولید می شوند برای استفاده در حس کردن فشارهای بسیار کم تا فشارهای بسیار زیاد مورد استفاده قرار می گیرند. در حال حاضر مواد سلیکونی و پلیمری جایگزین دیافراگم فلزی سنسورهای فشاری قدیمی شده اند. که با این اتفاق در واقع هزینه های ساخت کاهش پیدا کرده است و همین طور هزینه های مواد مورد نیاز ساخت نیز کاهش پیدا کرده است. و در نهایت با توجه به کاهش های رخ داده هزینه تولید در این صنعت کاهش قابل توجهی داشته است.
در واقع اکنون حس گرهای فشاری میکرو ماشین کاری شده با توجه به خصوصیات بی نظیری که دارند اهمیت روز افزونی پیدا کرده اند این خصوصیات بی نظیر عبارت اند از سایز بسیار کم، سبک بودن قابل ملاحظه، قابلیت اجتماع این ادوات با فرآیند ساخت مدارهای مجتمع IC و خصوصیات واسط هوشمند. این حسگرها همچنین قابلیت اطمینان فراوانی از خود نشان داده اند.
قوانین پیزو مقاومتی، خازنی، نوری، رزنانس و انتقال صوتی در کارهای اخیر استفاده شده اند که در واقع در توسعه و شکوفایی سنسورهای فشاری میکرو ماشین کاری، طراحی و ساخت آنها نقش بسزایی داشته اند. در میان بسیاری از کارهایی که تا کنون انجام شده از قوانین خازنی و پیزو مقاومتی در حسگرهای فشاری به طور گسترده ای استفاده شده است. بسیاری از سنسورهای فشاری میکروالکترومکانیکی MEMS از تکنیکهای پیزو مقاومتی به عنوان مکانیزم انتقالی استفاده کرده اند که در این کارها نشان داده شده که چگونه فشار منجر به تغییرات مقاومت خواهد شد. با مشاهده کارهای انجام شده به خوبی قابل دریافت است که بسیاری از محققان تکنیک های مربوط به پیزو مقاومتی را ترجیح داده اند. دلیل این امر این است که خصوصیات مواد سیلیکونی به خوبی قابل ايجاد بوده و امکانات موجود در تولید سیلیکون، تولید انبوه در این حوزه را امکان پذیر کرده است.
سنسور فشاری پیزو مقاومتی دارای فاکتور گیج بالایی است اما ضریب پیزومقاومتی در هر درجه سانتی گراد (TCR) حدود 0.27 % می باشد. و این موضوع استفاده از آنها را در دمای کاربردی محدود می کند و معمولا در کاربردهای واقعی لازم است که از مدارهای جبران ساز استفاده شود.
حسگرهای فشاری میکروماشین کاری شده، با استفاده از تکنیک های میکرو ماشین کاری بدنه و سطح ساخته شده اند. در ساخت این نوع از سنسورها در بسیاری از کارهای انجام شده از ساختارهای دیافراگم دایره ای، مستطیلی و مربعی استفاده شده است.
سیر تکاملی پروسه های ساخت و امکان ساخت سیستم های میکروالکترومکانیکی زمینه های تحقیقی زیادی را برای تحقیق بر روی سنسورهای فشاری دقیق در کاربردهای وسیعی از دفاعی تا پزشکی ایجاد کرده است. در طراحی این ادوات دقیق یکی از گام های غیر قابل اجتناب شامل مدل کردن خواص آنها از طریق ابزارهای کامپیوتری است که معمولا با استفاده از روابط حاکم بر این ساختارها و ادوات انجام می شود. شبیه سازی این امکان را فراهم خواهد نمود که پیش بینی واقعی از رفتارهای ادوات داشته باشیم و ببینیم آیا خصوصیات مورد نظر با هم یکی هستند یا خیر. زیرا با پیشرفت روش های ساخت در ایران در سال های آتی خواهیم توانست این سنورها را در کشور بسازیم که لازمه آن ابتدا مطالعه و شبیه سازی مناسب و کامل آنها می باشد.
سنسورهای فشاری:
در سنسورهای فشاری بعضی از تعاریف متداول هستند، عموما این تعاریف شامل مؤلفه ها و اجزا اصلی یک سنسور فشاری بوده که عامل مهمی برای مقایسه عمکلرد و ارزیابی آنها شناخته می شود.
فشار:
ورودی اصلی سنسور فشاری همان طور که از نام آن هم مشخص است فشار نام دارد. فشار (با P نشان داده می شود) کمیتی است نرده ای و برابر است با نیروی عمود وارد بر واحد سطح. فشاری که توسط گیج فشار نشان داده می شود، فشار نسبت به فشار هوای محیط است.
فشار را با هر واحد نیرویی بخش بر هر واحد سطحی می توان نشان داد. واحد فشار در سیستم SI نیوتن بر متر مربع است که به افتخار بلز پاسکال (Pa) نامیده میشود. پاسکال واحد نسبتا کوچکی است. فشار هوا حدود ۱۰۰ کیلوپاسکال است. فشار در جامدات رابطه ی نزدیکی با تانسور تنش دارد و مقدار آن برابر با میانگین عناصر قطری ماتریس تنش است. فشار P برابر است با مقدار نیروی F عمودی وارد شده به واحد سطح A. که با استفاده از رابطه زیر محاسبه میشود.
و فشار در عمق h مایعی با چگالی ρ برابر است با:
فشار بر دو گونه نسبی و مطلق می باشد: در اندازه گیری فشار هرگاه مبدأ اندازه گیری صفر باشد، این فشار فشار مطلق خوانده می شود و با افزودن حرف a (معرف Absolute) به یکای اندازه گیری فشار نشان داده می شود، مانند kPaa يا psia. اما اگر مبنای اندازه گیری فشار محیط باشد (مانند اندازه گیری با گیج فشار) با افزودن حرف g (معرف Gauge) به یکای اندازه گیری فشار نشان داده می شود، مانند kPag یا psig.
سنسور فشار:
سنسور فشار عموماً فشار گاز یا مایع را اندازه می گیرد. فشار به اصطلاح نیروی لازم برای جلوگیری از پخش شدن مایع است و معمولا به صورت نیرو بر سطح تعریف می شود. سنسور فشار معمولا به صورت مبدل کار می کند و یک سیگنال الکتریکی تابع اثر فشار تولید می کند. سنسورهای فشار روزانه برای کنترل و مانیتورینگ هزاران کاربرد استفاده می شوند. سنسورهای فشار می توانند به طور غیر مستقیم برای اندازه گیری سایر متغیرها استفاده شوند. برای مثال: دبی سیال/ گاز، سرعت، ارتفاع مایع. از سنسورهای فشار در ساخت مبدل های فشار، ترنسمیتر فشار، فرستنده فشار، نشاندهنده فشار، پیزومتر و مانومتر و … استفاده میشود. سنسورهای فشار از نظر تکنولوژی، طراحی، عملکرد، کاربرد و قیمت باهم متفاوت هستند.
با یک تخمین محافظه کارانه می توان گفت بیش از ۵۰ تکنولوژی و حداقل ۳۰۰ شرکت در سراسر جهان سازنده سنسور فشار هستند. همچنین دسته ای از سنسورهای فشار وجود دارند که برای اندازه گیری حالت پویای تغییرات سریع در فشار طراحی شده اند. مثالی از کاربرد این نوع سنسور را می توان در اندازه گیری فشار احتراق سیلندر موتور و یا گاز توربین مشاهده کرد. این سنسورها به طور عمده از مواد پیزوالکتریک مانند کوارتز ساخته شده اند. بعضی از سنسورهای فشار مانند آنچه در دوربین های کنترل ترافیک دیده می شود، به صورت 1 و 0 کار می کنند.
برای مثال وقتی فشاری به سنسور فشار اعمال می شود، سنسور یک مدار الکتریکی را قطع یا وصل می کند. این سنسورها به سوئیچ فشار معروف هستند.
پیزو الکتریک:
اثر پیزو الکتریک در مواد خاصی مانند کوارتز وجود دارد تا کشش ناشی از فشار را اندازه بگیرد. این تکنولوژی برای اندازه گیری فشارهای پویا استفاده می شود. انواعی از کریستال ها به نام پیزو الکتریک در اثر تغییر شکل مکانیکی سیگنال الکتریکی تولید می کنند که سطح ولتاژ این سیگنال متناسب با میزان تغییر شکل است. کریستال به یک دیافراگم فلزی متصل است یک سمت دیافراگم برای اندازه گیری فشار، در تماس با سیال فرایند می باشد و سمت دیگر دیافراگم به طور مکانیکی به کریستال متصل است. سیگنال ولتاژ خروجی کریستال دامنه کوچکی دارد(در محدودة میکرو ولت ) پس باید یک تقویت کننده با امپدانس ورودی بالا به کار گرفته شود. به منظور جلوگیری از اتلاف سیگنال، تقویت کننده باید در نزدیکی سنسور نصب شود.
خاصیت پیزو مقاومتی(Piezoresistivity):
خاصیت پیزو مقاومتی اثری است که در مواد مختلف ایجاد می شود و در نتیجه آن فشار اعمالی موجب تغییر در مقاومت خواهد شد. کلوین در سال ۱۸۵۶ کاشف آن بود او در کشف خود فهمید که مقاومت سیمهای آهنی ناشی از اعمال فشار تغییر می کنند. کلوین در آزمایشات خود به نکته جالبی نیز رسید و آن اینکه مقاومت سیم مسی نسبت به مقاومت سیم آهنی در یک فشار و کشش یکسان تغییر کمتری پیدا میکند. یعنی جنس ماده نیز بر میزان تغییرات مقاومت براساس فشار تأثیر خواهد گذاشت. اولین کاربرد پیزو مقاومتی در سال ۱۹۳۰ مورد استفاده قرار گرفت. تغییرات مقاومت را می توان به عنوان تابعی از فشار و استرس اعمالی با توجه به مفهوم ضرایب پیزومقاومتی محاسبه نمود. تغییرات مقاومت با تغییرات استرس به فرم طولیl σ و عرضی t σ به ترتیب مربوط می شود. تغییرات مقاومت همان طور دارای یک ترم خطی و یک ترم غیر خطی وابستگی به استرس می باشد. با فرض اینکه استرس مکانیکی در تمام مقاومت یکسان توزیع می شود، تغییرات مقاومت ΔR با استفاده از رابطه زیر محاسبه می شود و در واقع این رابطه ارتباط مابين استرس های عرضی و طولی و تغييرات مقاومت را بیان می کند .
πt و lπ ضرایب پیزومقاومتی عرضی و طولی هستند. و l σ و t σ استرس طولی و عرضی هستند. ضرایب پیزومقاومتی به جهت کریستال وابستگی دارند و از جهتی به جهت دیگر تغییر پیدا می کنند. همچنین این ضرایب به میزان زیادی به افزودن ناخالصی ها و میزان چگالی آنها وابسته هستند. در واقع بازتابی از این واقعیت هستند که باندهای ظرفیت و هدایت در سیلیکون برای مواد نوع N و P متفاوت هستند و تابعی از غلظت ناخالصی ها هستند.
کرنش:
مقدار تغيير شكل جسم بر اثر نیروی اعمال شده می باشد، یا به عبارت دیگر تغییر طول نسبت به طول اولیه می باشد. کرنش را با استفاده از رابطه زیر حساب می کنند.
در رابطه فوق ΔL تغييرات طول ناشی از اعمال نیرو است و L0 عبارت است از طول اولیه جسم قبل از اعمال نیروی اعمال شده به آن است.
شکل مفهوم کرنش.
مدول یانگ یا به عبارتی قدر مطلق يانگ یا قدر مطلق الاستیک در واقع ثابت تناسب تنش و کرنش در یک جسم می باشد که از رابطه هوك پیروی می کند. و با استفاده از رابطه زیر محاسبه خواهد شد.
در رابطه E مدول یانگ است، F نیروی وارد شده به جسم تحت کرنش می باشد، و A0 سطح مقطع ابتدایی جسم تحت تأثیر نیروی وارد شده می باشد. ΔL تغییر طولی است که ناشی از اعمال فشار به وجود می آید. L0 طول اولیه می باشد. مدول یانگ برای مواد مختلف متفاوت می باشد. مثلا برای سیلیکون 190GPa میباشد. هر چه ضريب يانگ بیشتر باشد به این معنا است که ماده مورد نظر در اثر تنش یکسان با ماده ای دیگر دارای تغییر شکل کمتری خواهد بود.
در مورد تغییر شکل اجسام این نکته لازم به اشاره است که جهت تغییر شکل در اثر اعمال نیرو در تحلیل کرنش و فاکتور گیج حائز اهمیت می باشد. این نکته مولد فاکتور مهم دیگری در ساختارهای الاستیک به عنوان نسبت پواسونی می باشد.
نرخ پواسون:
وقتی مواد قابل ارتجاع در راستای یکی از محورها تحت نیرویی قرار گیرند در راستای محورهای عمود نیز تغییر شکل می دهند به طور مثال اگر یک بلوک مستطیلی به صورت طولی کشیده شود، عرض و ضخامتش کاهش پیدا می کند. به عبارت دیگر، کشش انبساطی در طول باعث کاهش تراکمی در محورهای عمودی خواهد شد معمولا کرنش های محوری و متقاطع تفاوت دارند و نسبت بین آنها با نرخ یا نسبت پواسون v شناخته می شود. نرخ پواسونی اکثر مواد قابل ارتجاع حدود 0.3 و تغییرات طول، عرض و ضخامت به ترتیب با εl ، εw و εt نمایش داده می شوند.
فاکتور گیج
بیانگر مقدار تغییر در مقاومت الکتریکی به تغییر طول (کرنش) می باشد. رابطه آن به صورت زیر تعریف می شود.
در این رابطه R مقاومت اولیه (بدون اعمال کرنش) می باشد، AR تغيير در مقاومت است. Lطول گیج، ΔL تغيير در طول گیج، ε مقدار کرنش، G فاکتور گیج که حدودا ۲ برای لایه فلزی و تا ۲۰ برای لایه ضخیم و نیمه هادی می باشد. در مواقعی فاکتور گیج با K نیز نشان داده می شود. یکی از ادواتی که بر مبنای تغييرات فاکتور گیج عمل می کنند و عملکرد سنسوری دارند کرنش سنج ها هستند که اولین بار توسط ادوارد ای سیمونز و آرتور سی روگ در سال ۱۹۳۸ اختراع شدند. در این ادوات نیز با ایجاد تغییرات در صفحه نصب شده مقاومت الکتریکی تغییر خواهد کرد. کرنش سنج عموما یک ورق نازک فلزی است که روی یک صفحه بسته می شود. در ساخت آنها می توان از سیم های فلزی نیز استفاده کرد. حساسیت کرنش سنج که یکی از فاکتورهای مهم در سنجش است همان فاکتور گیج است. این فاکتور دارای بعد نمی باشد و به صورت ضریبی درخواهد آمد. در مورد مواد قابل ارتجاع یا الاستیسیته باید به این نکته توجه نمود که اگر در راستای یکی از محورهای آنها نیرو اعمال گردد تغییر کرنش در راستای محورهای عمود بر آن محور نیز خواهیم داشت. به این ترتیب باید این تغییرات نیز در محاسبه فاکتور گیج در نظر گرفته شوند. به عنوان مثال اگر یک قطعه مستطیل شکل را به صورت طولی بکشیم درست است که طول آن افزایش پیدا کرده است اما عرض و ضخامت آن نیز کاهش پیدا خواهد کرد. به عبارت دیگر کشش انبساطی در طول کشش انقباضی در سایر محورهای عمودی ایجاد خواهد کرد.
نسبت مابين کرنش های محوری و عمودی را با نسبت پواسون نشان می دهیم.
رنج دینامیکی:
به نسبت بین بیشترین سیگنال خروجی از سنسور و کوچک ترین سیگنال خروجی، محدوده ی دینامیکی (dynamic range) گفته می شود.
مواد تشکیل دهنده سنسورهای فشاری در سیستم های میکروالکترومکانیکی(ممز)
سیلیکون و مواد تشکیل دهنده آن به میزان گسترده در سنسورهای فشاری در ابعاد میکرو مورد استفاده قرار می گیرند. علیرغم تمایل بسیار زیاد به استفاده از ترکیبات سیلیکونی اخيرا تمایل به استفاده از مواد پلیمری نیز بسیار زیاد شده است که دلیل این امر را می توان به فواید بسیاری که استفاده از این مواد در اختیار ما قرار می دهد نسبت داد فوایدی مانند پایداری ساختاری خوب، انعطاف مناسب، خواص الکتریکی خوب و بالاخره خصوصیات گرمایی مناسب، که البته در دماهای بالا مواد پلیمری با محدودیت مواجه می شود. مواد سیلیکونی به میزان بسیار زیادی در سنسورهای فشاری مورد استفاده قرار می گیرند. زیرا می توان سیلیکون را با استفاده از ماشین کاری سطح و ماشین کاری حجمی به این منظور آماده کرد. در مورد سیلیکون خصوصیات مواد و پروسه ساخت به خوبی مشخص شده است و براحتی قابل اجرا و فراهم برای مواد سیلیکونی است. کریستال منفرد و دیافراگم پلی سیلیکونی به عنوان صفحه فشار مورد استفاده قرار گرفته و در بسیاری از کارها در سنسورهای فشاری مورد استفاده قرار می گیرند. حساسیت صفحه کریستالی با استفاده از دو روش قابل افزایش می باشد. یکی از این روش ها کاهش ضخامت صفحه کریستالی می باشد و روش دیگری که اکنون مورد توجه می باشد دوپ کردن سیلیکون با ناخالصی های ++P است. باید به این نکته نیز توجه نمود که میزان ضخامت سطح سیلیکونی با وجودی که هر چه کمتر شود امکان محاسبه فشارهای کمتر فراهم خواهد شد اما محدوده عملکردی سنسور را تغییر خواهد داد زیرا هر چه ضخامت بیشتر باشد فشارهای بزرگتری را نیز می توان مورد محاسبه قرار داد.
یکی از موارد چالشی در مورد سطوح سیلیکونی ضریب دمایی مقاومت در مورد این مواد می باشد. ضریب دمایی مقاومت موجب کاهش مقاومت به صورت غیر خطی با افزایش دما خواهد شد. در بسیاری از سنسورهای فشاری بر مبنای خازنی سطح سیلیکونی به عنوان ساختار بدنه سنسور مورد استفاده قرار گرفته شده است و در عوض پلی سیلیکون یا مواد پلیمری مانند پليماید کاپتون و پلیمرهای کریستال مایع به عنوان سطح دیافراگم تحت فشار با افزودن ناخالصی یا اصطلاحا دوپ شدگی مورد استفاده قرار گرفته است.
سنسورهای فشاری سیلیکونی برای محاسبه فشارهای بالا بسیار مناسب می باشند به طور معمول می توان گفت در این نوع از سنسورها تغييرات فشاری ۸۰ تا ۳۳۵ کیلو پاسكال موجب تغييرات 0.02 تا 0.2 پیکوفراد در هر کیلوپاسكال شده است. به علاوه دیافراگم های سیلیکونی برای محاسبه فشارهای خیلی پایین در رنج ۰ تا ۱۰۰ میلی تور (m Torrs) نیز مورد استفاده قرار گرفته اند. همچنین برای حس کردن فشارهای پایین در رنج ۱۰۰ کیلوپاسكال مواد پلیمائدی با خاصیت خازنی نیز استفاده می شود.
انواع سنسورهای فشار :
به منظور محاسبه فشار می توان آن را نسبت به حجم، اتمسفر یا نسبت به فشارهای دیگر اندازه گیری نمود. باتوجه به این که فشار نسبت به چه موردی سنجیده شود در کلی ترین حالت سنسورهای فشاری را به سه زیر دسته به شرح ذیل تقسیم بندی می کنند.
سنسورهای فشار مطلق:
شامل ادواتی می باشد که فشار را نسبت به حجم اندازه گیری میکنند. بنابراین یک مرجع حجم باید همراه سنسور وجود داشته باشد. سنسورهای فشار اتمسفر از این نوع سنسورها هستند که در آن ها از این روش فشار استفاده می شود.
سنسورهای فشار سنج:
انواعی از سنسورهای فشاری هستند که فشار را نسبت به فشار اتمسفر اندازه گیری می کنند. بنابراین ساختار این سنسورها به این ترتیب است که باید در قسمتی از سنسور برای اتمسفر محيط دریچه ای ایجاد گردد تا فشار اتمسفر نیز در عملکرد آن ها در نظر گرفته شود. کاربرد اصلی این نوع سنسورها در اندازه گیری فشار خون می باشد.
سنسورهای فشار تفاضلی:
افزاره هایی می باشند که اختلاف بین دو فشار را اندازه گیری می کنند. در طراحی سنسورهای تفاضلی، ساختار مکانیکی را به گونه ای در نظر میگیرند که هر دو فشار مورد استفاده قرار گیرند. که از خصوصیت این نوع از سنسورها آشکار کردن کوچکترین فشار به صورت تفاضلی می باشد.
سنسورهای فشاری در تکنولوژی ممز:
تکنولوژی ممز در سنسورهای فشاری در دو بخش سنسورهای فشار پیزو مقاومتی و سنسورهای فشار خازنی نقش ایفا می کند.
سنسورهای فشار پیزو مقاومتی:
خاصیت پیزو مقاومتی امکان اندازه گیری کرنش را در یک دیافراگم از جنس مشخص مثلا سیلیکون فراهم می نماید. در واقع با اعمال فشار و ایجاد تغییر در ابعاد با توجه به فاکتور گیج مورد انتظار از المان پیزو مقاومتی، میزان مقاومت آن تغییر پیدا می کند.
به طور مثال یک سنسور پیزو مقاومتی فشاری بر اساس پل وتستون از ۴ المان تشکیل شده است که در ساختار به یکدیگر وصل شده اند و با این ترکیب میزان کرنش را در یک صفحه به عنوان مثال سیلیکونی اندازه می گیرند. با به وجود آمدن امکان ماشین کاری و لایه برداری آنیزوتروپیک امکان ساخت صفحات کاملا مستطیلی و دایره ای در جهات مختلف کریستالی فراهم شده است. در این صفحات، طراحی، وابسته به ضخامت، ابعاد مثلثاتی صفحه و محل قرارگیری مقاومت های پیزوالکتریکی روی صفحه برای به دست اوردن حداکثر حساسیت می باشد.
شکل ساختار یک سنسور پیزو مقاومتی و پل وتستون.
باتوجه به تئوری تغییر شکل در صفحات، اگر حداکثر تغییر شکل یک صفحه مربعی شکل به ضخامت h و طول 2a را w0 بنامیم رابطه فشار و سایر پارامترهای معرفی شده به صورت زیر می باشد:
در اینجا E، مدول یانگ است، g1و g2 وابسته به نرخ پواسون است که با استفاده از روابط زیر محاسبه می شود.
در رابطه فوق اولین ترم آن ناشی از حالتی است که استرس و فشار اعمال شده در سطح باعث ایجاد خمش خالصی در سطح خواهد شد و باعث کشیده شدن آن نمی شود معمولا این حالت را زمانی در نظر می گیریم که میزان خمش دیافراگم در مقابل ضخامت آن کوچک باشد. اگر حالتی را داشته باشیم که میزان خمش در مقابل ضخامت دیافراگم کوچک نباشد، مرکز صفحه دچار خمش می شود. و در این حالت دومین ترم در نظر گرفته خواهد شد که بیان کننده تاثیر استرس در میزان خمش خواهد شد. در واقع همان طور که در رابطه هم مشخص است این نرم (دومین ترم) منبع ایجاد غیر خطی بودن در سنسور فشاری پیزوالکتریک است. بنابراین باید توجه کرد که گرچه کاهش ضخامت h موجب افزایش میزان تغيير شكل ناشی از اعمال فشار خواهد شد و حساسیت بالا خواهد رفت اما باید ضخامت را تا اندازه ای نیز در نظر گرفت که w0 هم در ماکزیمم عملکرد، در مقایسه با h کوچک باشد. نکته دوم که در میزان فشار اعمال شده باید در نظر گرفته شود حداکثر فشار شکست می باشد. فشاری که موجب ایجاد تخریب در دیافراگم خواهد شد. فشار شکست در یک دیافراگم با ضلع 2a در وسط لبه آن با استفاده از رابطه زیر به دست می آید.
بنابراین در هنگام اعمال فشار باید دقت شود که فشار حداکثر تا مقدار فشار شکست که max σ می باشد اعمال گردد و فشار همواره کمتر از این مقدار باشد. نکته بعدی که در طراحی یک مقاومت پیزو رزیستور و متغير روی یک دیافراگم باید مورد نظر واقع شود این است که باید مکان و موقعیت مناسبی را برای پیزو مقاومت ها بر روی دیافراگم در نظر گرفت به نحوی که با توجه به ابعاد دیافراگم ملاحظات خطی بودن و فشار شکست در سنسور در نظر گرفته شوند. به عنوان مثال همان طور که در شکل فوق دیده می شود پیزومقاومت های نوع p به عنوان المان های حس گری در نزدیکی لبه های دیافراگم قرار داده شده اند در جایی که بیشترین فشار به آن ها اعمال خواهد شد.
سنسورهای فشاری خازنی بر مبنای ممز(MEMS):
حس کردن خازنی به طور تاریخی در زمینه های مختلف مهندسی مکانیک و برق خصوصا در آن زمینه هایی که نیاز به تشخیص میزان جابجایی، فشار و صدا بوده مورد استفاده قرار گرفته است. در اوایل دهه ۷۰ میلادی هیرنز، روش های مختلفی را که با استفاده از آن ها می توان سنسورهای خازنی را تولید کرد مرور کرد. در همان سال ها بود که جونز و ریچارد نوع بسیار حساسی از سنسور خازنی را مورد تشریح قرار دادند. و در سال ۱۹۸۲ هاگیل یک ترانسدیوسر جابجایی خازنی را ارائه کرد. در همه این کارها یک مدار پل مبدل نرخ به کار گرفته شده بود که با استفاده از آن هم بتوان به حداکثر حساسیت ممکن رسید و هم از اعمال پارازیت ها به خازن ها جلوگیری بشوند. هم اکنون در این سیستم ها مدارهای انتقال بار و روش های پیچیده تری برای بهبود عملکرد این سنسورها در حال استفاده می باشند.
طراحی سنسورهای خازنی همواره در روند رشد خود بنا به دلایلی مانند نیاز به کوچک شدن، مصرف توان کمتر و مسائل مربوط به هزینه ها از سنسورهای بر مبنای بخش های مکانیکی حجیم به بخش های سیلیکونی کوچک تبدیل شده و در مقیاس میکرون انتقال فناوری داشته اند. در سال ۱۹۸۶ کو مقایسه ای بین سنسورهای فشاری خازنی و ادوات پیزو مقاومتی انجام داد. در بسیاری از جنبه ها نمونه خازنی بهتر از نمونه دیگر عمل می کردند. اولین نمونه تجاری شده ساخته شده از سنسورهای فشاری خازنی در سال ۲۰۰۴ در کار ژائو و ژانگ معرفی شد. بعضی از نمونه های واقعی کاربرد این سنسورها استفاده از آن ها در مانیتورینگ فشار چرخ ماشین است که توسط شرکت موتورلا ساخته شده است و یا نمونه سنسور دقیق فشاری برای ادوات پزشکی قابل کاشت است. در سال ۲۰۰۷ وایز پیش بینی کرد که سیستم های میکروالکترومکانیکی بخشی از سیستم های مجتمع بی سیم خواهند بود که در سیستم های مجتمع دیجیتال به عنوان قسمت پیش رو در شبکه های انتقال اطلاعات در بسیاری از حوزه ها کاربرد خواهند داشت و سنسورهای فشاری در همه این سیستم ها به عنوان یک سیستم میکرو الکترومکانیکی نقش مهمی را بر عهده خواهند داشت. شکل زیر یک ساختار خازنی با سطوح موازی در شکل زیر نشان داده شده است و اندازه خازن سطح موازی با استفاده از رابطه مشهور آن یعنی رابطه زیر محاسبه می شود.
در رابطه فوق C مقدار خازن، ε0 برابر F/m 10-12 * 8.854 است، εr نفوذپذیری نسبی دی الکتریک است و A سطح موثر و d میزان جدایش صفحات بالایی و پایینی است.
شکل ساختار سنسور فشاری خازنی.
سنسورهای فشاری خازنی برای محاسبه دقیق فشار در کارهای بسیاری تاکنون مورد استفاده و معرفی قرار گرفته اند. معمولاً هم در اکثر این کارها مکانیزم کار به این صورت بوده که ساختار سنسور دارای یک محفظه می باشد که دارای یک فشار مرجعی می باشد و با یک صفحه ی الاستیک بسته شده است در این حالت در قسمت دیگر محفظه یا به عبارتی سمت مخالف آن یک صفحه هادی الکتریکی وجود دارد که صفحه موازی خازن را ایجاد می کند صفحه دیافراگمی شکل ناشی از اختلاف فشار خارجی و داخلی تغییر شکل می دهد و خازن ما بين آن ها با تغيير فاصله ناشی از تغيير شكل دیافراگم که خود ناشی از اختلاف فشار خارجی و درونی است تغییر پیدا می کند قسمت انتهایی محفظه به عنوان یک الكترود عمل می کند فشار خارجی را می توان براحتی با تغییرات خازن مرتبط ساخت و به این ترتیب یک خازن فشاری ساخته شده است.
سنسور های فشاری از این دست دارای حساسیت بالایی هستند اما متاسفانه رنج دینامیک بالایی ندارند. که البته رنج دینامیک در آن ها با استفاده از روش ها و تکنیک های خازنی الکتروستاتیک بهبود پیدا کرده است. معمولا در این نوع از سنسورهای فشار خازنی سطح، دیافراگم از نوع مسطح دو وجهی می باشد.
سنسور فشاری خازنی مد لمسی:
سنسورهای فشار خازنی موجب تغییر در خازن در اثر اعمال فشار به صورت درجه دوم می شوند و پاسخ در آن ها به صورت غیر خطی می باشد. یک سنسور فشاری با سطح صاف و دارای شکل سهمی گون که در آن از دیافراگم پلیمایدی استفاده شده است در این سنسور حساسیت افزایش یافته است.] نشان داده شده است که با استفاده از سنسور فشاری مد لمسی، رابطه خازن بر حسب فشار خطی به دست آمده است. شکل یک سنسور فشاری مد لمسی در شکل زیر نشان داده شده است. این شکل در دو حالت نرمال و مد لمسی نشان داده شده است. معمولا سنسورهای خازنی مد لمسی به صورت صفحه برجسته ساخته می شوند.
شکل سنسور فشاری خازنی در مد لمسی
شکل سمت چپ: مد علکردی نرمال و شکل سمت راست: مد عملکردی لمسی.
شکل دیاگرام سنسور فشاری خازنی با لبه برجسته.
سنسور فشار خازنی دیفرانسیلی:
سنسور فشاری خازنی دیفرانسیلی از اختلاف فشار بین دو منبع فشار استفاده می کند. درواقع عملکرد این سنسورها به این ترتیب است که تغيير شكل دیافراگم ناشی از یک منبع فشار موجب تغییر فشار در منبع دیگر خواهد شد. کاواک فشار با فشار مرجع پر می شود و به آن صفحه دیافراگم وصل خواهد شد. این سنسور این توانایی را دارد که فشار در زیر و بالای فشار مرجع را محاسبه نماید. هنگامی که فشار پایین تر از فشار مرجع باشد دیافراگم به سمت خارج از کاواک خم می شود. فاصله مابين صفحه افزایش پیدا می کند و بنابراین خازن موثر کاهش پیدا خواهد کرد. و برعکس در صورتی که فشار بیرون بیشتر از فشار مرجع باشد دیافراگم به سمت داخل کاواک خم می شود، خازن در اثر کاهش فاصله صفحه افزایش پیدا خواهد کرد. شکل زیر یک سنسور فشاری دیفرانسیلی را نشان می دهد.
شکل دیاگرام سنسور فشاری دیفرانسیلی.
سنسورهای فشاری مورد استفاده در کاربردهای بیوپزشکی:
سنسورهای فشاری خازنی اهمیت بیشتری در کاربردهای بیو پزشکی پیدا می کنند زیرا دارای حساسیت و پاسخ دینامیک مناسبی هستند. در این سنسورها معمولا سعی بر این است که از مواد پلیمری بهره گرفته شود زیرا از نظر بیولوژیکی تطبیق پذیری بیشتر و بهتری دارند. به عنوان مثال از نمونه سنسورهای خازنی اینتردیجیتال برای مانیتور کردن بعد از عمل جراحی و در سیستم های تشخیصی استفاده شده است.
سنسورهای فشاری تنظیم شده الكتروستاتیک:
سنسورهای خلا بسته شده خازن یا دارای حساسیت قابل توجهی هستند. اما باید توجه کرد که این سنسورها دارای پاسخ دینامیک خوبی نیستند. خازن در آن ها به وسیله میزان جدایش دو الکترود مشخص می شود. با به کار بردن ولتاژ در طول صفحات موازی نیروی الکتروستاتیک تولید می شود. نیروی الکتروستاتیک موجب افزایش خازن خواهد شد.
سنسورهای فشاری با درایو شانه ای:
حس کردن با درایو شانه ای بسیار مورد استفاده در شتاب سنج ها بوده است. هم چنین در مدارات RF بر مبنای تکنولوژی MEMS نیز بسیار مورد استفاده قرار گرفته است. شاید بتوان مهم ترین فایده استفاده از این سیستم ها را تغییرات مناسب خازن و به نوعی زیاد خازن در واحد جابجایی در آن ها دانست. سنسورهای با این ساختارها معمولا دارای حساسیت بالا و رنج دینامیکی مناسب هستند. طراحی سنسور بر مبنای درایو شانه ای معمولا شامل طراحی دو صفحه بالایی و پایینی و یک الكترود درون دیجیتالی شانه ای همان طور که در شکل زیر نشان داده شده است می باشد.مقدار خازن سنسور تابعی از میزان جدایش صفحات بالایی و پایینی می باشد با افزایش فاصله مابین دو صفحه خازن نیز کاهش پیدا خواهد کرد. و برعکس با کاهش فاصله مابين صفحات خارن افزایش پیدا خواهد کرد
شکل دیاگرام سنسور فشاری با درایور شانه ای
سنسورهای فشاری خازنی آکوستیک :
این نوع از سنسورها کاربرد فراوانی در سیستم های صوتی دارند. قانون اصلی حاکم بر عملکرد آن ها خازنهای دیفرانسیلی صفحه موازی می باشد. در ساختار آن ها معمولا سه صفحه موازی دایره ای شکل وجود دارد. جنس صفحه مابین دو صفحه بالا و پایین از نوع پلی سیلیکون می باشد که خازنی را ما بين صفحات ایجاد خواهد کرد. با اعمال یک موج آکوستیک بر روی صفحه میانی و تغییر شکل آن خازن ها تغییر خواهد کرد. تغییرات خازن به خروجی نسبت داده خواهد شد که با استفاده از مدار خواندن تعبیه شده به آن خوانده خواهد شد.
یکی از انواع این نوع سنسورها که تا کنون ساخته شده میکروفون های کندانسور سیلیکونی هستند که از سیلیکون برای ساخت آن ها استفاده می شود. در آن ها معمولا دیافراگم میکروفون با استفاده از صفحات پلی سیلیکون سوراخ دار در فشار پایین ساخته می شود. و ما بین آن ها شکاف هوایی وجود دارد. صفحه پایینی در اثر اختلاف فشار خم می شود. و این در حالی است که صفحه سوراخ دار ثابت می ماند و خازن مابین صفحات تغییر خواهد کرد. شکل زیر یک نمونه از این نوع سنسورها را نشان می دهد.
شکل میکروفون های کندانسور سیلیکونی.
شرح پروژه:
در این پروژه شبیه سازی حسگر و سنسور فشار خازنی میکروالکترومکانیکی(ممز) در نرم افزار کامسول انجام شده است.
هندسه مسئله:
هندسه مسئله در شکل زیر نشان داده شده است. این سنسور فشار خازنی قسمتی از یک از قالب سیلیکونی است که به یک صفحه فلزی در دمای 70 درجه سانتیگراد متصل شده است. به جهت تقارن هندسه، تنها یک چهارم هندسه نیاز به مدلسازی دارد.
مش بندی:
نتایج:
نتایج تغییرشکل وقتی فشار 25000 پاسکال اطراف غشا اعمال شود. تغییرشکل در مرکز غشا بیشترین است.
نتایج بارزهای مرزی:
نتایج پتانسیل الکتریکی در محفظه آب بندی شده بین دو صفحه خازن:
پتانسیل درنتیجه تغییرشکل اعمال شده ناشی از فشار دیافراگم، به صورت غیریکنواخت است.
نتایج جابجایی بیشینه و میانگین غشا به صورت تابعی از فشار اعمال شده:
نتایج ظرفیت خازنی غشاء به صورت تابعی از فشار اعمال شده:
نتایج جابجایی به واسطه فشار اعمال شده 25000 پاسکال:
نتایج تغییر ظرفیت خازن با دما:
