طراحی و شبیه سازی شتاب سنج حرارتی MEMS با حساسیت بهینه شده و قابلیت اندازه گیری شتاب در دو محور

نوع مقاله: مقاله مستقل

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد، مهندسی برق، دانشکده مهندسی برق، دانشگاه ارومیه، ارومیه

2 استادیار، مهندسی سیستم‌های میکرو و نانوالکترومکانیک، دانشکده علوم و فنون نوین، دانشگاه تهران، تهران

3 دانشیار، مهندسی برق، دانشکده مهندسی برق، دانشگاه ارومیه، ارومیه

4 دانشجوی کارشناسی ارشد، مهندسی سیستم‌های میکرو و نانوالکترومکانیک، دانشکده علوم و فنون نوین، دانشگاه تهران، تهران

چکیده

در این مقاله، یک میکروحسگر شتاب با طرحی ساده، هزینه ساخت پائین، حجم و وزن کم و همچنین حساس به شتاب‌های بسیار کوچک با قابلیت اندازه‌گیری شتاب در دو محور طراحی شده است. در طرح پیشنهادی از روش حرارتی - همرفتی برای اندازه‌گیری شتاب استفاده شده است. این میکرو حسگر شامل یک المان گرم‌کننده (هیتر) و دو جفت حسگر دما (دیتکتور) می‌باشد. با اعمال شتاب در راستای محور X یا Y دمای دیتکتورها متناسب با شتاب اعمالی تغییر می کند. دو مرحله شبیه‌سازی و بهینه‌سازی میکروحسگر بترتیب با استفاده از روش المان محدود و روش تاگوچی انجام شده است. پارامترهای هندسی و شرایط محیطی ساختار شتاب‌سنج مذکور، تاثیر بالایی در افزایش حساسیت آن، که از مهم‌ترین فاکتورهای خروجی آن می باشد، دارند. در این پژوهش، تاثیر ابعاد هندسی و شرایط محیطی شتاب-سنج حرارتی بر حساسیت خروجی سنسور مورد مطالعه قرار گرفت. سطح بهینه متغیرهای مذکور برای دستیابی به حساسیت ماکزیمم با تحلیل ضرایب سیگنال به نویز (S/N) و ترتیب اهمیت تاثیر متغیرها بر حساسیت سنسور با آنالیز واریانس ضرایب سیگنال به نویز تعیین شد. با تنظیم متغیرهای مورد مطالعه بر روی سطوح بهینه، حساسیت سنسور نسبت به میانگین نتایج شبیه سازی های انجام شده 77/12 برابر شد. با انتخاب بهترین مقادیر برای پارامترهای هندسی، حساسیت ̊ c/g 23/0 در محیط هوا و ̊c/g70/0 در محیط گاز دی‌اکسیدکربن به دست آمد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Dao R, Morgan DE, Kries HH, Bachelder DM (1996) Convective accelerometer and inclinometer. U.S. Patent 5,581,034.

[2] Leung AM, Jones J, Czyzewska E, Chen J, Pascal M (1997) Micromachined accelerometer with no proof mass. In: Electron Devices Meeting, 1997. IEDM'97. Tech Dig Int Electron Devices Meet, Washington, DC, USA.

[3] Milanović V, Bowen E, Zaghloul ME, Tea NH, Suehle JS, Payne B, Gaitan M (2000) Micromachined convective accelerometers in standard integrated circuits technology. Appl Phys Lett 76(4): 508-510.

[4]  Luo XB, Li ZX, Guo ZY, Yang YJ (2002) Thermal optimization on micromachined convective accelerometer. Heat Mass Transfer 38(7): 705-712.

[5]  Luo XB, Li ZX, Guo ZY, Yang YJ (2003) Study on linearity of a micromachined convective accelerometer. Microelectron Eng 65(1): 87-101.

[6]  Mailly F, Martinez A, Giani A, Pascal-Delannoy F, Boyer A (2003) Design of a micromachined thermal accelerometer: thermal simulation and experimental results. Microelectron J 34(4): 275-280.

[7] Liao KM, Chen R, Chou BC (2005) Design of a thermal-bubble-based micromachined accelerometer. In: MEMS, NANO, and Smart Systems, International Conference on (ICMENS).

[8] Liao KM, Chen R, Chou BC (2006) A novel thermal bubblebased micromachined accelerometer. Sens Actuators A 130: 282-289.

[9] Chaehoi A, Mailly F, Latorre L, Nouet P (2006) Experimental and finite-element study of convective accelerometer on CMOS. Sens Actuators A 132(1): 78-84.

[10] Goustouridis D, Kaltsas G, Nassiopoulou AG (2007) A silicon thermal accelerometer without solid proof mass using porous silicon thermal isolation. IEEE Sens J 7(7): 983-989.

[11] Mezghani B, Brahim A, Tounsi F, Masmoudi M, Rekik AA, Nouet P (2011) From 2D to 3D FEM simulations of a CMOS MEMS convective accelerometer. In: Microelectronics (ICM), International Conference on.

[12] Dau VT, Dao DV, Sugiyama S (2007) A 2-DOF convective micro accelerometer with a low thermal stress sensing element. Smart Mater Struct 16(6): 2308.

[13] Courteaud J, Crespy N, Combette P, Sorli B, Giani A (2008) Studies and optimization of the frequency response of a micromachined thermal accelerometer. Sens Actuators A 147(1): 75-82.

[14] Lin JM, Lin CH, Lin CH (2015) RFID-Based Thermal Convection Non-Floating Type Accelerometer with Stacking Material for Heater and Thermal Sensors. Appl Mech Mater 764: 1344-1348.

[15] Mukherjee R, Mandal P, Guha PK (2017) Sensitivity improvement of a dual axis thermal accelerometer with modified cavity structure. Microsyst Technol 23(12):5357-63.

[16] Tahmasebipour M, Vafaei A (2017) A Highly Sensitive Three Axis Piezoelectric Microaccelerometer for High Bandwidth Applications. Micro Nanosyst 9(2):111-120.

[17] Streeter VL, Wylie EB, Bedford KW (1998) Fluid mechanics. McGraw-Hill, New York.

[18] Drazin PG, Riley N (2006) The Navier-Stokes equations: a classification of flows and exact solutions. Cambridge University Press.

[19] Temam R (2001) Navier-Stokes equations: theory and numerical analysis. American Mathematical Soc..

[20] Bustillo JM, Howe RT, Muller RS (1998) Surface micromachining for microelectromechanical systems. Proceedings of the IEEE 86(8): 1552-1574.

[21] Tahmasebipour G, Hojjat Y, Ahmadi V, Abdullah A (2009) Optimization of STM/FIM nanotip aspect ratio based on the Taguchi method. Int J Adv Manuf Technol 44(1): 80-90.

[22] Taguchi G, Chowdhury S, Wu Y (2005) Taguchi's quality engineering handbook. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons.

[23] Garraud A, Giani A, Combette P, Charlot B, Richard M (2011) A dual axis CMOS micromachined convective thermal accelerometer. Sens Actuators A 170(1-2): 44-50.

[24] Cai SL, Zhu R, Ding HG, Yang YJ, Su Y (2013) A micromachined integrated gyroscope and accelerometer based on gas thermal expansion. In: Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems 2013 (Transducers & Eurosensors XXVII).