بررسی اثر تحریک الکترواستاتیک بر رفتار الکترومکانیکی میکرو حسگرهای فشار خازنی

نوع مقاله: مقاله مستقل

نویسنده

استادیار گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی گلپایگان

چکیده

هدف از این پژوهش، بررسی رفتار الکترومکانیکی میکرو حسگر‌های فشار خازنی و بررسی اثر اعمال تحریک الکترواستاتیک بر عملکرد و ‏دقت این سیستم‌ها می‌باشد. حسگر به صورت یک صفحه دایرهای انعطاف پذیر در نظر گرفته ‏شده است که یک فاصله اولیه از یک صفحه ‏صلب دارد و بین آن دو خلاء است. در اثر فشار محیط ‏و همچنین اعمال ولتاژ بین دو صفحه، ورق انعطاف پذیر خیز برداشته و به پایه ثابت ‏نزدیک می‌‏گردد. با نزدیک شدن صفحه به پایه، ظرفیت خازنی بین آنها تغییر می‌کند که این تغییر وابسته به خیز ‏صفحه انعطاف پذیر و یا ‏به عبارتی وابسته به فشار محیط است. بنابراین در صورت معلوم بودن رابطه میان فشار و ظرفیت خازنی، می‌توان با اندازه گیری ظرفیت ‏خازنی فشار محیط را محاسبه نمود. ‏از این رو در کار حاضر، رابطه میان ظرفیت خازنی و فشار خارجی مطالعه گردیده است. در این راستا، ‏نخست معادله حاکم بر خیز میکرو ورق تحت بار الکترواستاتیک و همچنین فشار خارجی استخراج شده است. این معادله با استفاده از ‏روش گلرکین به یک معادله جبری تبدیل شده و با بکارگیری یک روش مبتنی بر تکرار حل شده است. در بخش نتایج، اثر پارامترهای ‏مختلف مانند ولتاژ اعمالی و همچنین فشار محیط بر روی ظرفیت خازنی و حساسیت دستگاه مطالعه شده و همگرایی و دقت الگوریتم ‏مبتنی بر تکرار نیز بررسی شده است. ‏

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] قادری ش، طهماسبی پور م، عباسپور ثانی ا، مدرس م (1397) طراحی و شبیه سازی شتاب سنج حرارتی MEMS با حساسیت بهینه شده و قابلیت اندازه گیری شتاب در دو محور. مکانیک سازه‌ها و شاره‌ها 24-13 : (2)8.

[2] Sateesh J, Sravani KG, Kumar ‎RA, Guha K, Rao KS (2018) Design ‎and flow analysis of MEMS ‎based piezo-electric micro ‎pump. Microsyst Technol 24(3): 1609-1614‎‏.‏

[3] Wood GS, Zhao C, Pu SH, Boden SA, ‎Sari I,   Kraft M (2016) Mass ‎sensor utilising the         mode-‎localisation effect in an ‎electrostatically‏-‏coupled ‎MEMS resonator pair ‎fabricated          using an SOI ‎process. Microelectron ‎Eng 159: 169-173‎‏.‏

[4] مجاهدی م، بینا ر (1397) بررسی ناپایداری و رفتار ارتعاشی میکروتیرژیروسکوپی با در نظر گرفتن گستردگی جرم گواه. مکانیک سازه­ها و شاره­ها 106-93 :(2)8.

[5] سماعی فر ف، عفیفی ا، عبداللهی ح (1395) طراحی و ساخت میکروهیتر بهبود یافته با الکترودهایی از جنس طلا و مقایسه عملکرد آن با میکروهیتر پلاتینی. مکانیک سازه­ها و شاره­ها 272-259 :(1)6.

[6] موسی پور م، حاج عباسی م ع (1395) تحلیل اثر میرایی ترموالاستیک بر ارتعاشات خمشی میکرو-نانو تشدیدگرها. مهندسی مکانیک امیرکبیر 136-125 :(2)48.

[7] GHorbanpour Arani A, Soleimani Jafari G, Kolahchi R (2018) Vibration analysis of nanocomposite microplates integrated with sensor and actuator layers using surface SSDPT. Polymer Composites 39(6): 1936-1949.

[8] اندخشیده ع، مالکی س، مرعشی س ص (1397) بررسی پدیده‌ی غیرخطی ولتاژ کشیدگی در میکروتیر‌های هدفمند تحت بارگذاری الکترواستاتیک. مکانیک سازه‌ها و شاره‌ها 151-137: (3)8

[9] ویسی گرگ آباد ا، رضازاده  ق، شعبانی ر (1396) بررسی ارتعاشات غیر خطی میکرو تیر تحت تحریک نیروی الکترواستاتیک با رفتار تنش-کرنش انالاستیک. مهندسی مکانیک مدرس 206-197: (7)17.

[10] Lee C-Y, Chang H-T, Wen C-Y (2008) A MEMS-based valveless impedance pump utilizing electromagnetic actuation. J Micromech Microeng 18(3): 035044.

[11] عطار ع، طهماسبی پور م، دهقان م (1397) بررسی تاثیر پارامترهای هندسی بر جابه‌جایی خارج از صفحه میکروتیر پیزوالکتریکی با سطح مقطع T شکل. مکانیک سازه‌ها و شاره‌ها 9-1: (4)8.

[12] Ghorbanpour Arani A, Mosayyebi M, Kolahdouzan F, Kolahchi R, Jamali M (2017) Refined zigzag theory for vibration analysis of viscoelastic functionally graded carbon nanotube reinforced composite microplates integrated with piezoelectric layers. IMechE Part G: J  Aerospace Eng 231(13): 2464-2478.

[13] Rahimipour H, Ghorbanpour Arani A, Sheikhzadeh G (2014) Nonlocal vibration behaviour of a pasternak bonded double-piezoelectric-DWBNNT-reinforced microplate-system. International conference on machine learning, electrical and mechanical engineering (ICMLEME’2014) Dubai UAE.

[14] عبداللهی ح، سمائی فر ف، حق نگهدار ا (2015) بررسی اثر به‌کارگیری SiO2/Al در بالا بردن حساسیت آشکارسازهای مادون‌قرمز بر پایه میکروکانتیلیور و مقایسه آن با Si3N4/Au. مکانیک سازه‌ها و شاره‌ها 163-151: (3)5.

[15] Ge Y, Cai K, Wang T, Zhang J ‎‎(2018) MEMS pressure sensor ‎based on optical Fabry–Perot ‎interference. Optik 165: 35-40.‏

[16] Liang B, Chen W, He Z, Yang R, Lin ‎Z, Du H, Shang Y, Cao A, Tang Z, ‎Gui X (2017) Highly sensitive, ‎flexible MEMS based pressure ‎sensor with photoresist ‎insulation layer. Small 13(44): ‎‎1702422‎‏.‏

[17] Mohan A, Malshe AP, ‎Aravamudhan S, Bhansali S ‎‎(2004) ‏Piezoresistive MEMS ‎pressure sensor and packaging ‎for harsh oceanic ‎environment.  Proc. IEEE 54th conference on Electronic ‎components and Technology, Las Vegas.

[18]‏Jang M, Yun K-S (2017) MEMS ‎capacitive pressure sensor ‎monolithically integrated ‎with CMOS readout circuit by ‎using post CMOS processes. ‎Micro Nano Sys ‎Lett 5(1): 4‎‏.‏

[19] Banerji S, Michalik P, ‎Fernández D, Madrenas J, Mola A, ‎Montanyà J (2017) CMOS-MEMS ‎resonant pressure sensors: ‎optimization and validation ‎through comparative analysis. ‎Microsys Technol ‎‎23(9): 3909-3925‎‏.‏

[20] Zhang Y, Howver R, Gogoi B, ‎Yazdi‏ N (2011) ‏A high-sensitive ultra-thin MEMS ‎capacitive pressure sensor. ‎in Solid-State Sensors, Proc. ‎IEEE ‎‎16th ‎International Actuators and Microsystems ‎Conference (TRANSDUCERS 2011), Beijing.

[21] Marsi N, Majlis BY, Hamzah AA, ‎Mohd-Yasin F (2015) ‎Development of high ‎temperature resistant of ‎‎500o C employing silicon ‎carbide (3C-SiC) based MEMS ‎pressure sensor. Microsys ‎Technol 21(2): 319-330‎‏.‏

[22] Lin W-C‏, ‏Cheng C-L, Wu C-L, Fang ‎W (2017) Sensitivity ‎improvement for CMOS-MEMS ‎capacitive pressure sensor ‎using double deformarle ‎diaphragms with trenches. Proc. ‎IEEE ‎‎19th ‎International Actuators and Microsystems Conference (TRANSDUCERS 2017), Kaohsiung.

‏[23] Shettar V, Kotin SB, ‎Kirankumar B, Sheeparamatti B ‎Simulation of Different MEMS ‎Pressure Sensors. ‎Int J ‎Multi Dis Res Advcs Eng 6: 77-81‎‏.‏

‏[24] ‏Munas F, Amarasinghe Y, ‎Kumarage P, Dao D, Dau V (2018) ‎Design and Simulation of MEMS ‎Based Piezoresitive Pressure ‎Sensor for Microfluidic ‎Applications. 4th International Multidisciplinary Engineering Research Conference (MERCon), Sri Lanka.

‏[25] ‏Banerji S, Fernández D, ‎Madrenas J (2017) ‎Characterization of CMOS-‎MEMS resonant pressure ‎sensors. IEEE Sens‏ ‏J ‎‎17(20): 6653-6661‎‏.‏

‏[26] ‏Hasan MH, Alsaleem FM, Ouakad ‎HM (2018) Novel threshold ‎pressure sensors based on ‎nonlinear dynamics of MEMS ‎resonators. J ‎Micromech ‎Microeng 28(6): 065007‎‏.‏

‏[27] ‏Yu L, Kim BJ, Meng E (2014) ‎Chronically implanted ‎pressure sensors: challenges ‎and state of the field. ‎Sens 14(11): 20620-20644‎‏.‏

‏[28] ‏Xue N, Chang S-P, Lee J-B (2012) A ‎SU-8-based microfabricated ‎implantable inductively ‎coupled passive RF wireless ‎intraocular pressure sensor. ‎J ‎Microelectromech ‎Sys 21(6): 1338-1346‎‏.‏

‏[29] ‏Reddy JN (2006) Theory and ‎analysis of elastic plates ‎and shells. 2nd edn. CRC press‏.‏

‏[30] ‏Timoshenko SP, Woinowsky-‎Krieger S (1959) Theory of ‎plates and shells. 2nd edn. McGraw-hill, London.

‏[31] ‏Lai WM, Rubin DH, Rubin D, ‎Krempl E (2009) Introduction to ‎continuum mechanics. 4th edn. ‎Butterworth-Heinemann‏, London.

‏[32] ‏Reddy JN (2013) An introduction ‎to continuum mechanics. ‎Cambridge university press‏, New York.

‏[33] ‏Talebian S, Rezazadeh G, ‎Fathalilou M, Toosi B (2010) ‎Effect of temperature on‏ ‏pull-in voltage and natural ‎frequency of an ‎electrostatically actuated ‎microplate. Mechatron 20(6): ‎‎666-673‎‏.‏

‏[34] ‏Rao SS (2007) Vibration of ‎continuous systems. John Wiley ‎& Sons, New Jersey .‏

‏[35] ‏Nishiyama H, Nakamura M (1994) ‎Form and capacitance of ‎parallel‏-‏plate capacitors. IEEE Trans. Compon Packag Manuf Technol Part A 17(3): 477-484‎‏.‏

[36] Ahmad B, Pratap R (2010) Elasto-electrostatic analysis of circular microplates used in capacitive micromachined ultrasonic transducers. IEEE Sens J 10(11): 1767-1773.