فصل چهارم: نتایج عددی و بحث47
4-1 بازبینی و تصدیق روش ارائه شده برای سیال نامحدود47
4-2 نتایج عددی ومباحثه برای ارتعاشات آزاد48
4-3 نتایج عددی و مباحثه برای ارتعاشات اجباری با اعمال ولتاژ آنی60
فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهاد66
مراجع68
فهرست اشکال
شکل1-1 قطعات ساخته شده با استفاده از فناوری MEMS1
شکل 1-2 اجزای تشکیل دهنده MEMS2
شکل1-3نمائی شماتیکی از تراشه MEMS3
شکل1-4 تکنولوژی میکروسیستم4
شکل1-5تکامل تدریجی بازار MEMS4
شکل1-6اندازه موارد مختلف بر حسب متر7
شکل1-7 یک مورچه در زیر میکروسکوپ الکترونی11
شکل1-8نمونه مینیاتوری اولین خودروی مسافربری تویوتا 11
شکل1-9کوچکترین گیتار جهان11
شکل1-10 میکروپمپ تحت اثر نیروی مغناطیسی12
شکل1-11پاهای یک حشره بر روی چرخ دنده های میکروماشینکاری شده12
شکل1-12 دیاگرام شماتیکی از میکرومحرک الکترواستاتیکی13
شکل1-13دیاگرام شماتیکی از میکرومحرک و میکروموتور الکترواستاتیکی14
شکل1-14دیاگرام شماتیکی از میکرومحرک پنوماتیک گرمائی15
شکل1-15انواع ساختارهای میکروماشینکاری حجمی17
شکل1-16میکروماشینکاری سیلیکون حجمی19
شکل1-17میکروماشینکاری سطحی سیلیکون20
شکل1-18 مثالی ازمیکروماشینکاری سطحی اصلاح شده22
شکل1-19 دیاگرام شماتیکی از ایجاد نیروی الکترواستاتیکی25
شکل1-20 میکرو محرک26
شکل2-1تاریخچه MEMS در ایالات متحده از 1950 تا 200028
شکل3-1 طرح اجمالی از میکروتیر و محفظه سیال مورد نظر35
شکل4-1 شکل مدهای تیر و سیال در مد 150
شکل4-2شکل مدهای تیر و سیال در مد 251
شکل4-3 شکل مدهای تیر و سیال در مد 352
شکل4-4 شکل مدهای تیر و سیال در مد 453
شکل4-5تغییرات فرکانس طبیعی بعلت حضور سیال54
شکل4-6نمودار همگرایی55
شکل4-7 تغییرات فرکانسهای طبیعی نسبت به تغییرات دانسیته سیال55
شکل4-8 تغییرات فرکانسهای طبیعی نسبت به تغییرات طول میکروتیر56
شکل4-9 تغییرات فرکانسهای طبیعی نسبت به تغییرات محل قرارگیری تیر در مخزن57
شکل4-10 تاثیر تغییرات طول تیر بر روی شکل مدهای تیر خشک و خیس در مد اول58
شکل4-11 تاثیر تغییرات طول تیر بر روی شکل مدهای تیر خشک و خیس در مد دوم58
شکل4-12 تاثیر تغییرات طول تیر بر روی شکل مدهای تیر خشک و خیس در مد سوم59
شکل4-13 تاثیر تغییرات طول تیر بر روی شکل مدهای تیر خشک و خیس در مد چهارم59
شکل4-14 پاسخ گذرای تیر در تداخل با سیالهای مختلف61
شکل4-15 پدیده pull-in برای تیر در تداخل با سیالهای مختلف 61
شکل4-16مقایسه سیالهای مختلف بر روی ولتاژ pull-in62
شکل4-17 پاسخ گذرای تیر در تداخل با سیال اتانول با اعمال ولتاز پله مختلف63
شکل4-18 تاثیر تغییرات طول تیر بر روی پاسخ دینامیکی سیستم قبل از پدیده pull-in63
شکل4-19 تاثیر تغییرات طول تیر بر روی پدیده pull-in64
شکل4-20 تغییرات ولتاژ pull-in به ازای تغییرات طول با در نظر گرفتن سیالهای مختلف64
شکل4-21 تغییرات فاصله بین دو الکترود بر روی ولتاژ pull-in به ازای سیالهای مختلف65
فهرست جداول
جدول3-1 ریشه های معادله مشخصه تیر یکسرگیردار38
جدول4-1تصدیق ومقایسه فرکانسهای اصلی در خلاء47
جدول4-1تصدیق ومقایسه فرکانسهای اصلی در آب47
جدول 4-3 مشخصه های سیستم مورد استفاده در شبیه سازی48
جدول 4-4خواص سیال48
جدول 4-5درصد کاهش فرکانسها54
فصل اول
مفاهیم وکلیات
میکروسیستم‌هایالکترومکانیکی1 به عنوان یکی ازآینده‌دارترین تکنولوژی‌ها در قرن 21 شناخته شده است که قادر است با یکپارچه‌سازی میکروالکترونیک و تکنولوژی میکروماشین‌کاری، تحولی شگرف در صنعت و محصولات مصرفی همچون صنعت خودروسازی، پزشکی، الکترونیک، ارتباطات و … داشته باشد.
شکل 1-1: قطعات ساخته شده با استفاده از فناوری MEMS
MEMSتکنولوژی ساخت قطعات و سیستمهای مجتمع متشکل از اجزای الکتریکی و مکانیکی میباشد که از روشهای تولید گروهی استفاده می‌کند. کلمه MEMS که مخفف میکروسیستم‌های الکترومکانیکی است در آمریکا رایج می‌باشد، در حالیکه در اروپا تکنولوژی میکروسیستم و در ژاپن میکروماشین‌ها رایج میباشد. فرآیندهای میکروماشین‌کاری حجمی و سطحی برای برداشتن و یاقراردادن لایه‌هایی از سیلیکون و یامواد دیگر به کار میروند تا اجزای مکانیکی و الکترومکانیکی را تولید کنند.
MEMS در حالت کلی به صورت زیر تعریف می‌شود:
MEMSیک سیستم کامل در ابعاد میکرو (شامل حرکت، الکترومغناطیس، دستگاه‌ها و سازه‌های نوری میکرو و انرژی تابشی، مدارهای حس‌گر/محرک، مدارهای مجتمع (IC)2 پردازشگر/کنترل ‌کننده) است که به صورت غیر انبوه تولید شده و:
پارامترها و تحریکات فیزیکی را به سیگنال‌های الکتریکی، مکانیکی و نوری تبدیل می‌کند و برعکس.
وظایف حس‌کردن، به کار انداختن و … را بر عهده دارد.
شامل بخش‌های کنترل (هوشمندی، تصمیم‌گیری، یادگیری تدریجی، تطبیق، سازماندهی خودمحور و …)، تشخیص، پردازش سیگنال و جمع‌آوری اطلاعات می‌باشد.“
اساساً، MEMS سیستمی است متشکل از سازه، حس‌گر، مدار الکترونیکی و کارانداز میکرو (شکل 1-2). سازه میکرو چهارچوب سیستم را تشکیل می‌دهد؛ حس‌گر میکرو سیگنال‌ها را جستجو می‌کند؛ مدار الکترونیکی میکرو، سیگنال‌های دریافتی را پردازش کرده و به کارانداز میکرو، فرمان پاسخ به سیگنال‌ها را می‌دهد.
با استفاده از تکنولوژی ساخت مدارهای مجتمع و به منظور تولید دستگاه‌های مکانیکی و الکترومکانیکی، MEMS معمولاً بر یک بستر سیلیکونی که قسمت‌هایی از آن به انتخاب و به روش اچ‌کردن جدا شده یا لایه‌های جدیدی به آن اضافه گشته، ساخته می‌شود.
شکل (1-2) اجزای تشکیل دهنده MEMSدر حالت محاوره ای MEMS را میتوان همزمان یک جعبه ابزار، یک محصول فیزیکی و مجموعه ای از روشها دانست. همانطور که از نامش پیداست “Micro” معرف اندازه، “Electro” مربوط به الکتریسیته و یا الکترونیک و “Mechanical” قطعات در حال حرکت را شامل میشود.از دیدگاه فیزیک MEMS معمولا مجموعه ای از المانهای مکانیکی و الکترونیکی است که با استفاده از تکنولوژی ساخت میکرو روی یک ویفر سیلیکونی معمولی سوار می شوند.الکترونیکها میتوانند توسط پروسه IC (مانند:CMOS 3) و المانهای مکانیکی با روشهای میکروماشینی که با پروسه ساخت ICها سازگارند ساخته شوند. شکل (1-3) نمائی شماتیکی از تراشه MEMS را نشان می دهد.. حسگرها و محرکها می توانند از المانهای مکانیکی و فرآیندسازی سیگنالها و واحدهای کنترل میتوانند با استفاده از مدارهای الکترونیکی ساخته شوند.
شکل(1-3)نمائی شماتیکی از تراشه MEMSبنابراین کل سیستم میتواند بر روی یک تراشه واحد بدون هیچ فرآیند اجتماعی خارجی جمع شود.جمع آوری کل سیستم روی یک تراشه واحد با فرایند کوچک سازی منجر به ایجاد سازه ای کم هزینه و پرکیفیت میشود. کاربردهای این تکنولوژی به قدری گسترده است که میتوان گفت تقریباً در تمامی زمینه های مختلف صنعتی، شامل سیستم های مکانیکی، الکتریکی،، نوری و شیمیایی ، یا به نوعی استفاده میشود و یا فاز تحقیقاتی و ساخت نمونه را طی مینماید. قرارگیری سنسور به همراه مدارهای واسطه بر روی یک مدار، مزیت کاهش نویز های مزاحم و افزایش سرعت مونتاژ و راه اندازی را در پی دارد. همسانی مشخصه محصولات مشابه به دلیل کاهش پارامتر های موثر باعث اطمینان پذیری بیشتر میگردد. آرایش دقیق المان ها، که از ملزومات سیستم برای کاهش خطا می باشد، در فضای میکرو ساده تر است.
در اوایل دهه 1990با پیشرفت تکنولوژی ساخت IC ها، MEMS پا به عرصه ظهور نهاد که حسگرها، محرکها و توابع کنترلی در سیلیکون ساخته شدند. با حمایتهای مالی دولتی و صنعتی، محققین MEMS پیشرفتهای چشمگیری کرده و تواناییهای برتر و انقلابی خود را در بسیاری زمینه های گوناگون به اثبات رساندند. در تجارت و داد وستد نیز نمونه های بسیار زیادی از MEMS کاربرد دارند، همچون میکروشتاب سنجها4، میکرو حسگرها5، چاپگر جوهرپاش6، میکروآینه ها7و غیره.
علاوه بر این وسایل ساده طرحهای پیچیده تری از MEMS پیشنهاد شده و به اثبات رسیده اند. به خاطر مفهوم و امکانات آنها در زمینه های گوناگون همچون بیو پزشکی، شیمی، سیالات، ذخیره اطلاعات، ارتباطات نوری بی سیم و غیره. با کوشش و صرف انرژی بیشتر شاخه های جدیدی ازتکنولوژی MEMS پا به عرصه گذاشته اند، از آن جمله 8MOEMS و9µTAS بهدلیل پتانسیل کاربردشان در بازار حائز اهمیت می باشند.
شکل (1-4) تکنولوژی میکروسیستمبا حمایتهای مالی دولتی و صنعتی، محققین MEMS پیشرفتهای چشمگیری کرده و توانائیهای برتر و انقلابی خود را در بسیاری زمینه های گوناگون به اثبات رساندند. در تجارت و داد وستد نیز نمونه های بسیار زیادی از MEMS کاربرد دارند، همچونمیکروشتاب سنجها، میکرو سنسورها، چاپگرهای جوهرپاش، میکروآینه هاو غیره. بنابراین هرگونه مطالعه و توسعه MEMS تأثیر قابل ملاحظه‌ای بر صنایع و در نتیجه بر اقتصاد جامعه دارد. تا به حال سرمایه‌گذاری ‌های کلانی برای توسعه MEMS صورت گرفته؛ به طور مثال، بودجه اختصاص یافته به بخش توسعه و تحقیق NEMS10/MEMS توسط دولت ایالات متحده از 3 میلیون دلار در سال 1991 میلادی به 35 میلیون دلار در سال 1995 میلادی افزایش یافت و طبق اظهارات ستاد فناوری نانو، در سال 2015 میلادی سهم MEMS و NEMS در تجارت جهانی بالغ بر 1 تریلیون دلار خواهد شد.
شکل (1-5) تکامل تدریجی بازار MEMS
تکنولوژی MEMS از بسیاری جهات مورد بررسی قرار گرفته است. اول از همه، از نقطه نظر طراحی، نرم افزار (CAD) بسیار وقت گیر بوده و دارای توانائی کافی که شامل تمام فاکتورهای واقعی که روی عملکرد MEMS تاثیر می گذارد نیست. پیچیدگی طراحی MEMS بزرگترین موضوع و معضل طراحان MEMS می باشد. حتی ساده ترین MEMS در انرژی قلمروهای مختلف فیزیک تاثیر زیرکانه ای دارند. لازمه آن اینست که طراح MEMS بایستی در جستجوی راهی برای کنترل تاثیر متقابل و پیچیده این قلمروها باشد. دوم، از نظر ساخت، موضوع هزینه برای یک کارخانه سیلیکون11 سدی است که اغلب طراحان MEMS بایستی با آن روبرو شوند. سرمایه گذاریهای اولیه بالا سرعت پیشرفت MEMS را محدود می کند. بسته بندی نیز میتواند روی اجرای MEMS تاثیر گذاشته و تبدیل به یکی از بنیادی ترین مشکلات محققین در این زمینه شود. به دلیل گوناگونی MEMS هر اختراع جدید MEMS تقریبا نیاز به روش بسته بندی تازه منحصر به خود را دارد.
1-1 تفاوتMEMS با سیستمهای ماکرو
چرا MEMS متفاوت از تکنولوژی‌های موجود در ابعاد ماکرو نظیر اتومبیل، ساختمان و هواپیماست؟ به این علت که اندازه، نقش مهمی دارد. فکر کنید که چرا یک حشره می‌تواند روی آب راه برود، اما یک اسب نمی‌تواند. وزن حشره متناسب با حجم آن است، یعنی s3 (s فاکتور مقایسه12). وقتی که یکی از ابعاد حشره به اندازه 1-10 تغییر ‌کند، وزن آن به اندازه 3-10 تغییر می‌کند، اما نیرویی که حشره را روی آب نگه می‌دارد، متناسب با کشش سطحی (s1) ضرب در طول خط پیرامون پای حشره (s1) است و بنابراین نیروی وارد بر پای حشره متناسب با s2 می‌باشد. حال اگر طول 2 متری یک اسب را به طول 2 میلی‌متری یک حشره کاهش دهیم، وزن به اندازه 9-10 کاهش می‌یابد، ولی نیروی کشش سطحی تنها به اندازه 6-10 کم می‌شود. بنابراین نیروی کشش سطحی در مقیاس کوچکتر، مهم‌تر است. به این دلیل یک حشره می‌تواند روی آب راه برود، اما یک اسب نمی‌تواند. در مورد MEMS نیز همین طور است. در یک هواپیما، وزن مهم‌ترین عامل است. در یک موتور، نیروی مغناطیسی نیروی غالب است. در MEMS یکی از نیروهای مهم عبارت است از نیروی الکتروستاتیکی. با توجه به تأثیر مقیاس بر نیرو، شتاب و کار انجام شده نیز در مقیاس‌های مختلف، متفاوت خواهند بود. شکل 1-6 اختلاف بین مرتبه بزرگی موارد گوناگون را نشان می‌دهد. مقیاس دستگاه‌های متداول ساخت بشر و MEMS اختلافی در حد 4-10 برابر دارد؛ اگر طول یک بعد 4-10 برابر کاهش یابد، وزن 12-10 برابر کم می‌شود، در حالی که نی نیروی الکتروستاتیکی تنها 8-10 برابر می‌گردد.(شکل( 1-6))
در مجموع ساختارهای MEMS سه تفاوت عمده با ساختارهای ماکرو دارند:
در اکثر میکروساختارها به سبب تغییرات دما در حین عملیات میکرو ماشینکاری، تنشهای پسماند قابل توجهی به وجود می آید. این تنشها می توانند کششی یا فشاری باشند. تنشهای کششی به خاطر کاهش احتمال پیچش و افزایش فرکانسهای طبیعی که در میکروساختارها مورد نظر است، مطلوب به شمار می رود.
بر خلاف ساختارهای ماکرو، ساختارهای میکرو دارای تغییر شکل های بزرگی هستند که این خاصیت باعث می شود طبیعت غیر خطی تغییر شکل این ساختارها به یک عامل برجسته و مهم در بررسی رفتار مکانیکی آنها تبدیل شود.
اکثر میکروساختارها با نیروهای الکتروستاتیکی تحریک می شوند که دارای طبیعت غیر خطی است. در این ساختارها، یک صفحه یا الکترود به صورت الکترواستاتیکی تحریک می شود و تغییر شکل یا حرکت آن به کمک تغییرات ظرفیتی خازن اندازه گیری می شود. در این روش نیروی تحریک ، نیروی جاذبه ایجاد شده بین دو صفحه خازن مورد استفاده در ساختار است که با اعمال اختلاف پتانسیل بین صفحات ایجاد می شود. نیروی الکترواستاتیکی اعمال شده دارای یک میزان حداکثری است که بالاتر از این مقدار، نیروی مکانیکی ذخیره شده در ساختار توان مقابله با نیروی الکترواستاتیکی را نداشته و در نتیجه منجر به از کار افتادگی ساختار مورد نظر می شود. در ادبیات MEMS به این پدیده اصطلاحا پدیده ناپایداری13 و به ولتاژ متناسب با آن ولتاژ ناپایداری14 گفته می شود. نکته اصلی در طراحی اکثر ساختارهای MEMS تنظیم نیروی الکترواستاتیکی اعمالی است به نحوی که بتوان از این پدیده اجتناب نمود.
شکل (1-6) اندازه موارد مختلف بر حسب متر
1-2: کاربردهای MEMS
میکروماشین‌کاری سیلیکون ما را قادر می سازد که سیستمهای پیچیده را با همان قیمتسیستم‌های ساده تولید کنیم. بنابراین می‌توان بسیاری از عملکردها را در یک قطعه واحد مجتمع کرد. با استفاده از سیلیکون ترکیب عملکردهای مکانیکی و الکترونیکی امکان پذیر می شود. قطعات MEMS در خودرو، پزشکی، هوافضا و … کاربردهای زیادی دارند که ناشی از وزن و قیمت کم و قابلیت اطمینان بالای آنها می‌باشد.
1-2-1: کاربرد در صنعت خودرو
بیشترین کاربرد MEMS در صنعت خودرو می باشد که بیش از 60% از بازار MEMS را در دست دارد. از موارد استفاده در خودرو می توان به حسگر شتاب در کیسه هوای خودرو، حسگر فشار در سیستم سوخت رسانی، حسگرهای فشار و شتاب در سیستم تعلیق، نازل انژکتور، حسگر فشار در چرخ ها، حسگر دما در سیستم تهویه و …نام برد.
یکی از اولین استفاده‌ها و پایه‌های موفقیتMEMS، حسگر کیسه هوا می‌باشد که هم اکنون به طور گسترده ای استفاده می‌شود. این حسگر که شامل اجزا مکانیکی و الکترونیکی می‌باشد، شتاب خودرو را در برخورد با موانع اندازه می‌گیرد و با ارسال سیگنال لازم به ماشه باعث پرشدن انفجاری کیسه هوا میشود تا از برخورد سر راننده با فرمان و یا داشبورد خودرو جلوگیری شود. انواع ابتدایی کیسه هوا دارای حجم و وزن زیاد و قیمت بالا بودند که با استفاده از MEMS این سیستم در یک تراشه‌ی کوچک سیلیکونی با قیمتی بسیار پایینتر تولید شد.تغییر در سرعت که باعث ایجاد شتاب میشود بر اساس اینرسی بر روی جرم معلق اثر کرده و در نهایت باعث انحنای تیر میشود که این تغییر شکل تیر، مقاومت جزء پاییزومقاومت و یا ظرفیت خازنی را تغییر می‌دهد و این تغییرات به بخش میکروالکترونیک فرستاده میشود و شتاب اندازه گیری میشود.
قابلیت اطمینانMEMS، با فروش میلیونی و چند ده ساله به اثبات رسیده است که یک مثال از موفقیت آن، BMW 740iمی‌باشد که بیش از 70 قطعه MEMS در قسمتهای مختلف نظیر سیستم ترمز ضد قفل، سیستم تعلیق فعال، سیستم کنترل، حسگر سوخت و … به کار برده است.
1-2-2: کاربرد در پزشکی
یکی از کاربردهای MEMS در پزشکی، حسگرهای یکبار مصرف فشار خون میباشد. این حسگرها به سیاهرگ بیمار وصل شده و فشار خون را اندازه میگیرند. قیمت کم، عدم نیاز به استریل کردن و کالیبره کردن مجدد از مزایای این حسگرها نسبت به انواع قدیمی میباشد.این حسگرها شامل یک زیرلایه از جنس سیلیکون می‌باشند که با عملیات خوردگی، یک غشاء روی آن ایجاد می‌شود و به یک زیرلایه دیگر وصل میشود. یک لایهپاییزومقاومت نیز روی غشاء و در نزدیکی لبه ها قرار میگیرد. فشار اعمالی باعث تغییر شکل غشاء و در نتیجه اعمال کرنش به لایه پاییزومقاومت میشود که این کرنش مکانیکی به ولتاژ الکتریکی تبدیل میشود.
1-2-3: کاربرد در الکترونیک
از دیگر کاربردهای موفقیت آمیز MEMS می توان هد چاپگرهای جوهرافشان را نام برد. یک چاپگر جوهرافشان با استفاده از تعدادی نازل، ذرات میکرو جوهر را به طور مستقیم بر روی کاغذ میپاشد.مکانیسم‌های مختلفی برای پاشیدن جوهر وجود دارد که روش‌های حرارتی و پاییزوالکتریک از انواع پرکاربردتر می باشند.
در تکنولوژی حرارتی، از تشکیل و انبساط یک حباب در جوهر، در اثر حرارت استفاده میشود.درون هد، تعدادی مقاومت کوچک که به گرمکن معروفند وجود دارد. این مقاومتها با کنترل ریزپردازنده‌ها در زمانی کمتر از 3 میکروثانیه داغ میشوند. جوهر روی هر مقاومت گرم شده و باعث بخار شدن جوهر و تشکیل حباب می‌شود. با انبساط حباب مقداری جوهر از نازل خارج میشود و روی کاغذ می‌نشیند. با سرد شدن و فروکش کردن حباب، خلایی در هد ایجاد شده که باعث میشود جوهر از مخزن به هد ریخته شود.
MEMS با کوچکتر کردن المانهای حرارتی و دیگر اجزاء ما را قادر می سازد که تعداد بیشتری نازل در هد قرار دهیم.در چاپگرهای اولیه 12 نازل وجود داشت که تفکیک 92dpi تولید می کردند. ولی اکنون تا 600 نازل وجود دارد که تفکیک dpi1200تولید می‌کنند.
1-3: سیستم‌های جدید مرتبط با MEMS
تجربیات به دست آمده از کاربردهای اخیرMEMS، این تکنولوژی را قادر ساخته که در زمینه های جدیدی چونBio‌MEMS، مخابره بدون سیم اطلاعات شامل مخابرات نوری (MOEMS) و مخابرات فرکانس رادیویی (RF‌MEMS)هم فعالیت کند.
1-3-1: سیستم های میکروالکترومکانیکی زیستی
در طی سالهای اخیر محصولات ابتکاری توسط شرکتهای تولیدی Bio‌MEMS ساخته شده که کاربردهای زیادی در پزشکی و درمان بیماری‌ها داشته اند. یک نمونه از این وسایل میکرودستگاه تزریق انسولین در داخل بدن است که در انواع اولیه سیگنال تحریک خود را از بیرون بدن از طریق سیم دریافت میکرد. در انواع پیشرفته تر کنترل بدون سیم شده و در نهایت، هدف، ساخت وسیله‌ای است که با حسگرهای موجود روی همان تراشه در درون بدن و در پاسخ به سیگنال های درون بدن تحریک شود.
1-3-2: سیستم‌های میکرواپتوالکترومکانیکی 
رشد هولناک ترافیک و انتقال اطلاعات ناشی از رشد سریع اینترنت باعث استفاده از روشهای سریع‌تر انتقال اطلاعات شد. تکنولوژی کنونی جریان اطلاعات را کند میکند چون سیگنالهای نوری را برای انتقال، به اطلاعات الکترونیکی تبدیلمیکند و بعد دوباره به سیگنالهای نوری برمی‌گرداند ولی درMOEMS، دیگر برای انتقال اطلاعات، نیازی به تبدیل الکترونیکی نیست و در نتیجه سرعت و بازده بیشتری دارند.
مهمترین قطعات MOEMS شامل موجبرها، سوئیچ‌های نوری، فیلترها، آشکارسازها و … میباشند. سایز کوچک، قیمت و توان مصرفی کم، دوام مکانیکی، دقت و سرعت سوییچینگ بالا از مزایای این قطعات هستند که در شبکه تلفن بسیار کارا می‌باشند.
1-3-3: سیستم‌های میکروالکترومکانیکی فرکانس بالا
RF‌MEMS یکی از عرصه های سریع پیشرفت MEMS می‌باشد که برای کاربرد در الکترونیک و به ویژه موبایل و دیگر انتقال اطلاعات بی‌سیم مثل رادار،سیستم های ماهواره‌ای موقعیتیابی جهانی(GPS)  و آنتنهای قابل تنظیم بسیار مفید میباشند.
MEMS در کنار کاهش قیمت و سایز این قطعات، بازده و قابلیت اطمینان آنها را افزایش میدهد. با MEMS موبایلها به اندازه ساعت‌مچی کوچک شده و توان مصرفی آنها هم به شدت کاهش مییابد.
در ادامه فهرست مختصری از دستگاه‌هایی که از فناوری MEMS استفاده کرده‌اند آمده است:
وسایل کمک بینایی و کمک شنوایی، پروتزهایی برای چشم و گوش
سیستم هایی برای شبیه‌سازی عصبی
سیستم‌های تزریق دارویی (دزدهی) کاشته شده در بدن
میل جراحی در جراحی با آسیب کم
آندوسکوپی با آندوسکوپهای فعال
میکروسیستم‌های ذخیره اطلاعات
دستگاه پخش کننده CD
وسایل کنترلی (حسگرها) برای محصولاتی نظیر خودرو
کاربردهای کنترل محیط زیست، شیمی و کشاورزی
سیستم های تجزیه و تحلیل و حسگرهای شیمیایی
کنترل و مشاهده مستقیم تولید و انتشار گاز
مبارزه با حشرات موذی با میکرورباتها (به جای استفاده از مواد شیمیایی خطرناک)
تولید تراشه ها در فضای کوچک
ابزار و وسایل کنترلی در صنعت
ربات‌های صنعتی

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

میکروربات‌ها برای کنترل تولید
میکرووسایل و ابزارآلات کوچک برای تونل های باد، هوانوردی، سفرهای فضایی (میکرو و نانو ماهواره ها)، حسگرهای اصطکاک و سایش
علم مواد
میکروسکوپ‌های روبشی

در اشکال زیر نیز نمونه‌هایی از MEMS نشان داده شده است:
شکل 1-7: یک مورچه در زیر میکروسکوپ الکترونی که یک میکرو چرخ دنده ساخته شده از نیکل را نگه داشته است.
شکل 1-8: نمونه مینیاتوری اولین خودروی مسافربری تویوتا به نام DENSO ساخته شده توسط MEMS  که با سرعت 5 الی 6 میلی متر در ثانیه حرکت می کند.
شکل 1-9: کوچکترین گیتار جهان به طول 10 میکرومتر با 6 سیم هر کدام به ضخامت 50 نانومتر.
شکل 1-10: میکروپمپ تحت اثر نیروی مغناطیسی
الف ب
شکل 1-11:الف)پاهای یک حشره بر روی چرخ دنده های میکروماشینکاری شده ، ب) موی انسان در مقایسه با میکروموتور.
1-4 میکرومحرکها
یک میکرومحرک روش کلیدی است برای MEMS تا یک عمل فیزیکی را انجام دهد. این روشها ممکن است نیازمند به کارگیری تشدید کننده ها15 و نوسانگرها16 در فرکانس تشدیدشان باشند. آنها ممکن است نیازمند تولیدات مکانیکی بر پایه میکروسیستمهای ویژه باشند: ممکن است از میکروآینه به عنوان اسکنر یا سوئیچ استفاده کنند. همچنین میتوانند میکروپمپ را برای سیستم میکرو سیال تحریک کنند. برخلاف دنیای ماکرو که نیروهای الکترومغناطیسی رایجترین محرکها به شمار میروند، به خاطر مقیاس بسیار کوچک MEMS، نیروهای زیادی به عنوان محرک وجود دارند، از جمله نیروی الکترومغناطیسی17، نیروی الکترواستاتیکی18، کشش گرمائی، و نیروی پیزوالکتریکی19 جهت طراحی سازه های مختلف برای کاربردهای گوناگون مورد استفاده می باشند. نتیجه اینکه میکرو محرکهای مختلف، نیرومند و اعجاب انگیزی، طراحی، ساخته و به کار برده شده اند. در ادامه یک معرفی مختصر از میکرومحرکها بر طبق نوع تحریکشان صورت میگیرد.
1-4-1 محرکهای الکترواستاتیکی
برای یک میکرومحرک الکترواستاتیکی نوع صفحه موازی ساده، نیروی الکترواستاتیکی با اعمال ولتاژ بین دو صفحه ایجاد می شود. شکل 1-12 یک دیاگرام شماتیکی از این نوع میکرومحرکهای الکترواستاتیکی را نشان می دهد.
شکل (1-12) دیاگرام شماتیکی از میکرومحرک الکترواستاتیکیمعمولا فضای بین این دو صفحه توسط یک ماده دی الکتریک مانند هوا پر شده است. میکرومحرک الکترواستاتیکی یکی از پر کابردترین نوع میکرومحرکها در MEMS می باشد. میکرومحرکهای الکترواستاتیکی شناخته شده شامل میکرومحرک دنده شانه ای20 و میکروموتور لرزان21میباشند. شکل 1-13 عکسهای میکروسکوپی این دو میکرومحرک الکترواستاتیکی را نشان میدهد.
شکل (1-13) الف) میکرو محرک الکترواستاتیکی دنده شانه ای، ب) میکروموتور الکترواستاتیکیاز نظر ساخت، میکرومحرکهای الکترواستاتیکی میترانند به آسانی روی یک تراشه جمع شود به این خاطر که کل پروسه ساخت با روشهای سنتی ساخت IC ها سازگار است. از آنجا که در طی مراحل تحریک هیچ مصرف جریانی وجود ندارد در میکرومحرکهای الکترواستاتیکی هیچ توانی مصرف نمی شود. اما به منظور ایجاد نیرو و خیز بزرگ ولتاژ زیادی مورد نیاز است. همچنین تنشهای ایجاد شده کنترل میکرومحرکهای الکترواستاتیکی را با مشکل مواجه می سازند
1-4-2 محرکهای گرمائی
محرکهای گرمائی به طور بسیار گسترده در MEMS کاربرد دارند که شاملمنشور عریضی از عوامل عمده نظیر پنوماتیک گرمائی22، اثر SMA23، اثر دوجنسی24 بودن، انبساط گرمائی مکانیکی و غیره می باشد.
1-4-3 پنوماتیک گرمائی
میکرومحرک پنوماتیک گرمائی متشکل از حفره ای است که حاوی حجمی از سیال با یک غشا نازک که به عنوان یک دیواره عمل می کند، می باشد. جریان عبوری از یک مقاومت گرمائی باعث انبساط مایع درون حفره و تغییر شکل غشا می شود.شکل 1-14، دیاگرام شماتیکی از میکرومحرک پنوماتیک گرمائی را نشان می دهد.
شکل (1-14) دیاگرام شماتیکی از میکرومحرک پنوماتیک گرمائی
1-4-4سایر محرکها
سایر محرکها مانند محرکهای مغناطیسی و محرکهای پیزو الکتریکی برای کاربردهای ویژه ای به کار میروند. میکرومحرکها اغلب به روش آبکاری برقی25 و با استفاده از نیکل26 و یا ترکیبات آن ساخته می شوند. از آنجا که نیکل یک فلز فرومغناطیسی27 است، می تواند با استفاده از اثر الکترومغناطیسی در محرکها مورد استفادهقرارگیرد.
اساس کار محرکهای پیزو الکتریکی بر پایه تاثیر پیزوالکتریکی معکوس می باشد. هنگامی که ولتاژ به شبکه کریستالی نامتقارن28 اعمال می شود، ماده در یک جهت تغییر شکل می دهد.
اگرچه این دو محرک میتوانند نیروهای بزرگی ایجاد کنند ولی پروسه ساخت آنها نیازمند بهبود است.
این وسایل با روشهای استاندارد معمولی قابل ساخت نبوده و ساخت آنها تکنولوژی دیگری می طلبد که به طور کلی تکنولوژی micro-fabrication نامیده میشود.
1-5 تکنولوژی میکرو ماشینکاری29
تکنولوژی میکرو ماشین کاری شامل کوچک سازی30 دستگاهها و سیستم‌ها است که بخاطر افزایش قابلیت اطمینان و عملکرد و کارآیی آنها است. دستگاههای میکرو ماشینکاری شده بر اساس فرآیند تولید مدارهای مجتمع ساخته می‌شوند مانند فتولیتوگرافی31، اچ کردن و ….
بعد از اولین انقلاب میکرو الکترونیک32 در دهه 1960، سیلیکون بعنوان ماده اصلی برای دستگاههای IC (مدارهای مجتمع)33 برای چندین سال مورد استفاده قرار گرفت. در پایان دهه 1960 محققان متوجه شدند که سیلیکون نه تنها خواص الکترونیکی خوبی دارد بلکه دارای خواص مکانیکی خوب از قبیل الاستیسیته خوب، کشش بالا و قابلیت اطمینان بالا و غیره نیز هست. بر مبنای این واقعیت دستگاههای بسیاری ساخته شدند و روانه بازار گشتند بعنوان مثال سنسورهای فشار در اتومبیل که از سیلیکون میکرو ماشینکاری شده ساخته می‌شوند و یا نازل چاپگرهای جوهر افشان و …
تکنولوژی میکروماشینکاری بکار رفته برای ساخت دستگاهها و سیستم به دو شاخه اصلی تقسیم می‌شود:
میکرو سنسورها (مانند سنسورهای فشار و دما34، شتاب سنج ها35 و …).
میکرو محرک‌ها (مانند میکرو کلیدها36، میکرو موتورها37، میکرو پمپ‌ها 38و …).
1-6 تکنیکهای میکروماشینکاری
میکروسنسورهاومحرک هابابه کارگیری تکنیکهای میکروماشینکای که درصنعت میکروالکترونیک به خوبی شناخته شده اند، ساخته میشوند.میکرومحرک ها ی سه بعدی درساختارهای پلیمری میتوانندبااستفاده ازاستریولیتوگرافی روی انواع پلیمرهای مخصوص به دست آیند. میکروماشینکاری سیلیکون یک فاکتورکلیدی برای پیشرفتهای وسیع MEMSدردهه گذشته بوده است. میکروماشینکاری سیلیکون به ساخت قطعات مکانیکی میکروسکوپی بیرون ساختارسیلیکونی ویاروی ساختارسیلیکونی وبه تازگی مواددیگر اطلاق می شود.این تکنیک برای ایجادساختارهایی ازقبیل تیرهای مقید، پوسته ها، تیرهای یک سرگیردار، شیارها، گلوییها، فنرها، چرخ دنده ها وآونگها و… استفاده میشود.اینها میتوانندبرای ایجاد سنسورهای گوناگون مونتاژشوند.اخیراً ژاپنیها یک اتومبیل میکروماشینکاری شده کامل رانمایش داده اند که برای دقایق زیادی کارمیکند. میکروماشینکاری سیلیکون شامل دوتکنولوژی زیر میباشد:
میکروماشینکاری حجمی(bulk micromachining) : درساختارهایی که درون زمینه سیلیکونی اچ شده اند.
میکروماشینکاری سطحی(surface micromachining) : درلایه های مکانیکی که ازلایه ها وفیلمهای ته نشین شده روی سطح شکل داده شده اند
1-6-1 میکروماشینکاری حجمی
این روش یکی از روشهای عمومی و کاربردی میکروماشینکاری است. این تکنیک ازاوایل دهه 1960 پدیدارشدوازآن وقت درساخت ریزساختارهای مختلف استفاده گردید. اینفن درساخت اکثروسایل تجاری شامل تقریباتمام سنسورهای فشاروشیرهای سیلیکونی ونوددرصدشتاب سنج های سیلیکونی استفاده شده است. اصطلاح میکروماشینکاری حجمی از این واقعیت ناشی میشود که این روش برای ایجاد ساختارهای میکرومکانیکی در داخل یک لایه سیلیکون کریستالی به کار میرود که این عمل توسط باربرداری دلخواه (اچ کردن) در ماده انجام میشود . تکنیک میکروماشینکاری حجمی قادر به باربرداری به میزان لازم از یک ساختار سیلیکونی هست که برای شکل دهی ساختارهای مکانیکی سه بعدی بکار میرود مانند : پوسته ها، سوراخ ها و غیره . (شکل 1-10)
شکل (1-15) انواع ساختارهای میکروماشینکاری حجمیریزساختارهای ساخته شده بااستفاده ازمیکروماشیکاری حجمی ممکن است محدوده ضخامت اززیر یک میکرون تاضخامت ویفرکامل(µm500-µm200) ومحدوده اندازه جانبی اززیریک میکرون تااندازه های جانبی یک ویفرکامل راپوشش دهد. فن میکروماشینکاری حجمی باتوجه به اچ کننده هامیتواندبه دوبخش اچ کردن خشک واچ کردن خیس سیلیکون تقسیم بندی شود.اچ کننده های مایع، که تقریباً یه طورانحصاریروی محلولهای شیمیایی جواب میدهند، برای اچ کردن خشک به کارمیروند. اچ کننده های بخاروپلاسمانیزبرای اچ کردن خشک به کارمیروند.برای اچ کردن لایه سیلیکون باضخامت یکنواخت، اچ کننده خیس غیرهمسان مانندمحلول هیدروکسیدپتاسیم(KOH) ، اتیلین دی آمین، تترامتیل آمونیوم هیدروکسید(TMAH)وچندنوع ماده دیگراستفاده میشود.این اچ کننده هادرجهات کریستالی مختلف سیلیکون نرخ برداشت متفاوتی دارند.اچ کردن خیس دراغلب موارد ازطرف پشت ویفرانجام میشود درحالیکه اچ کردن پلاسما ازطرف جلوعملی میباشد.درسالهای اخیر، یک تکنیک شناخته شده میکروماشینکاری حجمی دیواره ای عمود باعنوانSCREAM، که ترکیب اچ کردن همسان وغیرهمسان پلاسما میباشد، استفاده شده است.فرآینداچ کردن میتواند به طور انتخابی به وسیله استفاده ازمایع اچ کاری شیمیایی زیاد و اچ کردن آرام باشد یامیتواند به طورالکتروشیمیایی کنترل شود(برای مثال توقف اچ کردن در بالای برخوردیک ناحیه باقطبیت مختلف دریک اتصال برپایه p-n). ناحیه ای که اچ کردن خیس درآن تمایل به آهسته شدن داردویاکم میشود etch-stopنامیده میشود. (شکل1-16)
شکل (1-16) میکروماشینکاری سیلیکون حجمی(الف) اچ کاری همسان(ب) اچ کاری غیرهمسان (ج) اچ کاری غیرهمسان همراه بالایه متوقف کننده etch-stop(د)غشاء برداشته شده بااچ کاری ازپشت (ه) اچ کاری خیس (ی)اچ کاری خشک
با اینکه میکروماشینکاری حجمی یک تکنیک کاملی است ولی چند محدودیت نیز دارد. به عنوان مثال صفحات کریستالوگرافی (Crystallographic) لایه،حداکثر نرخ باربرداری قابل حصول را تعیین می کنند. نرخ های بالاتر می توانند نیازمند اندازه های بزرگتر در مقایسه با سایر تکنیک های میکروماشینکاری باشند. همچنین به دست آوردن ساختارهای پیچیده توسط تکنیک حجمی مشکل تر است.
1-6-2 میکروماشینکاری سطحی
بر خلاف روش حجمی در روش سطحی هیچگونه باربرداری از حجم سیلیکون انجام نمی شود، درعوض به وسیله ته نشین کردن (روکش دادن)فیلمهای نازکی ازلایه های عایق ولایه های ساختاری وبا برداشتن قسمتی ازلایه های عایق برای پدیدارشدن ساختارمکانیکی آن، ساختارهایی روی سطح سیلیکون میسازد(شکل 1-17).ابعاداین ساختارمیکروماشینکاری شده سطحی میتواندچندین مرتبه کوچکترازساختارهای میکروماشینکاری شده حجمی باشد.

شکل (1-17) میکروماشینکاری سطحی سیلیکون.میکروماشینکاری سطحی نیازمند یک گروه همساز و هماهنگ از مواد ساختاری،مواد فداشونده و اچ کننده های شیمیایی است.مواد ساختاری باید دارای خواص مکانیکی خوب از قبیل تنش تسلیم و شکست بالا،خزش و خستگی پایین و همچنین مقاومت سایشی خوب باشندمواد فداشونده نیز باید دارای خواص مکانیکی خوب باشند.
اچ کننده هابرای برداشتن موادعایق بایداچ کردن انتخابی بسیارعالی باشدوآنهابایدقادربه تمام کردن اچ کاری در موادعایق باشندبدون آنکه درموادساختمانی اثرکنند. بعلاوه، اچ کننده هابایدویسکوزیته وویژگیهای کششی مناسبی داشته باشند.سازگارترین موادICکه درمیکروماشینکاری سطحی استفاده شده اندعبارتنداز:
پلی سیلیسیم/دی اکسیدسیلیکون
پلی آمید/آلومینیوم
نیتریدسیلیکون/پلی سیلیسیوم
تنگستن/دی اکسیدسیلیکون
میکروساختارهای سیلیکونی ساخته شده بااستفاده از میکروماشینکاری سطحی معمولا ساختارهای سطحی یادوبعدی میباشند.تکنیکهای دیگرشامل استفاده ازفیلم نازک موادساختاری رها شده به وسیله برداشت یک لایه عایق زیری به گسترش سطوح میکروماشینکاری مرسوم به بعدسوم کمک کرده است.بااتصال صفحات پلی سیلیکونی به زیرلایه وهرکدام ازلایه هابه وسیله مفاصل، ساختارهای میکرومکانیکی سه بعدی بعدازآزادکردن میتوانندمونتاژشوند. رویکرددیگربرای ساختارهای سه بعدی ازرسوب موافق باپلی سیلیکون وفیلمهای اکسیدعایق، برای پرکردن عمق گودیهایی که قبلادرزیرلایه سیلیکونی اچ کاری شده اند استفاده کرده است.یک مثال ساختارهای مکانیکی ساخته شده بااستفاده ازپروسه میکروماشینکاری سطحی اصلاح شده درشکل 1-18نشان داده شده است.این میکروساختارسه بعدی مخصوصاً برای وسایل ریزاپتیکی بدون نیازبه تماس پیداکردن باتوان خروجی مفیدهستند.
شکل (1-18) مثالی ازمیکروماشینکاری سطحی اصلاح شده1-6-3روش چسباندن لایه ای
میکروماشینکاری حجمی در ایجاد میکروساختارهای سه بعدی پیچیده در حالت مونولیتیک (Monolithic) دارای محدودیت است. یکی از راه حل ها ساخت اجزاء سیستم های پیچیده به صورت لایه-لایه بوده که بعداً به هم مونتاژ می شوند. اتصال لایه ای روشی است که قادر به یکپارچه سازی بدون درز لایه های متعدد است. میکروماشینکاری سیلیکون درفرم دادن میکروساختارهای پیچیده سه بعدی دریک قالب یکپارچه محدودیتهایی دارد. دراین موارد ساختمانهای چندتراشه ای برای MEMSها پیشنهادشده اند
چسباندن لایه ای برای MEMSمیتواندبه سه دسته اصلی تقسیم شود :
چسباندن آنودی39
چسباندن لایه واسطهکمکی40
چسباندن مستقیم41
1-7پایداری MEMS
برخی پدیده های متداول در MEMS وجود دارند که که در اکثر سیستمهای MEMS با آنها سر و کار داریم. بنابراین آگاهی نسبت به این پدیده ها برای دستیابی به طراحی برتر، ضروری و حتی حیاتی به نظر می رسد. یکی از این پدیده های مهم، پدیده Pull-in است.
سنسورهای MEMS از نوع خازنی اساساً یک مبدل الکترواستاتیکی هستند که عملکردشان وابسته به انرژی الکتریکی بر حسب ولتاژ ثابت و یا ذخیره بار ثابت به منظور سهولت آگاهی از تغییرات خازنی ناشی از تحریکات مکانیکی خارجی مانند نیرو و شتاب است. میکروتیرهای یک سر گیردار به طور گسترده در سنسورهای MEMS از نوع خازنی به عنوان اجزاء حس کننده مورد استفاده قرار می گیرند. به کارگیری ولتاژ ثابت در تحریک سیستم های MEMS نسبتاً راحت و متداول بوده و نیروی الکترواستاتیکی ایجاد شده به این روش غیرخطی است. اعمال یک ولتاژ DC بر روی یک تیر یا یک صفحه خازنی باعث ایجاد نیروی الکترواستاتیکی شده و سیستم را تا نقطه تعادل جدیدش دچار خیز خواهد کرد، در حالیکه ولتاژ پله، سیستم را حول نقطه تعادلش به نوسان وامی دارد. با افزایش این نوع بارگذاری، نیروهای برگرداننده مکانیکی سیستم در برابر نیروهای مخالف مقاومت کمتری داشته و سازه مرتبا دچار خیز بیشتری می گردد، در نتیجه نیروی الکتریکی در یک حلقه پسخوراند مثبت افزایش می یابد. این روند تا برخورد فیزیکی الکترودها و دگرگونی سیستم ادامه می یابد. پدیده ناپایداری سازه ای به عنوان Pull-in شناخته شده است و ولتاژ بحرانی متناظر با آن ولتاژ Pull-inنام دارد. تعیین دقیق ولتاژ Pull-in در پروسه طراحی برای تعیین حساسیت، پاسخ فرکانسی، پایداری و محدوده دینامیکی سیستم ضروری است. همچنین ولتاژ Pull-in می تواند در تشخیص خواص مواد مانند مدول یانگ موثر باشد.
یک مساله مهم در طراحی رزوناتورهای MEMS، تنظیم بارهای الکتریکی قبل از ناپایداری Pull-in است که ساختار را به سوی متلاشی شدن و شکست پیش می برد. از سوی دیگر این پدیده اساس عملکرد سوئیچ های با فرکانس رادیوئی در MEMS را تشکیل می دهد، که در آن، سازه مکانیکی با اعمال ولتاژ بیشتر از ولتاژ Pull-in با بیشترین سرعت و در کمترین زمان گسیخته می شود.
1-8مزایا و معایبMEMS
MEMSاین امکان را فراهم می‌کند که با ساخت سنسورهایی بسیار کوچک‌تر، سیستم‌ها بتوانند محیط اطرافشان را با دقت بسیار بالاتری نسبت به سیستم‌های ماکرو حس کرده و کنترل نمایند. این سنسورها در ساده‌ترین حالت خود به کمک ارزیابی پدیده‌های مکانیکی، گرمایی، زیستی، شیمیایی، نوری و مغناطیسی، اطلاعات را از محیط جمع‌آوری می‌کنندوسیستم‌های الکترومکانیکی به کمک قدرت تصمیم‌گیری خود، با پاسخ‌‌هایی همچون جابه‌جایی، ضربه، تنظیم‌، پمپ‌کردن و فیلتر، محیط را به سمت نتایج موردنظر هدایت می‌کنند. از آنجا که دستگاه‌های MEMS همانند IC‌ها با تکنیک‌های ساخت مدارات مجتمع ساخته می‌شوند، می‌توان با صرف هزینه‌های پایین‌ترسطح بسیار بالایی از کارکرد و اطمینان را بر روی تراشه‌های کوچکیکه معمولاً از سیلیکون به دلیل داشتن خواص عالی همچون نسبت استحکام به وزن بالاساخته می‌شوند ایجاد کرد.
این فناوری جدید، مزایای متعددی دارد، اول اینکه فناوری گسترده‌ای است که می‌تواند تأثیر مهمی بر انواع تولیدات تجاری و نظامی بگذارد و دوم اینکه فاصله‌ی بین سیستم‌های مکانیکی پیچیده و مدارهای مجتمع الکترونیکی را پر می‌کند. سنسورها و محرکها عموماً گران قیمت‌اند، علاوه بر این محرکها و سنسورهای الکترونیکی در ابعاد بزرگقابل اعتماد نیستند. این فناوریامکان ساخت سیستم‌های میکروالکترومکانیکی را فراهم کرده که موجب برابری قیمت و اعتبار سنسورها و محرکها بامدارهای مجتمع می‌شود و انتظار می‌رود کارآیی دستگاهها و ابزارهای MEMS بالاتر از عناصر و سیستمهای مقیاس ماکرو و قیمت آنها خیلی پایین‌ترباشد.
تکنولوژی MEMS در کنار مزیت‌های فراوانی که دارد دارای معایبی نیز می‌باشد. از نظر طراحی، استفاده از نرم افزارهای معمول طراحی بسیار وقت گیر بوده و دارای توانایی کافی برای اینکه بتواند تمام فاکتورهای واقعی اثرگذار روی عملکرد MEMSرا در نظر بگیرد نمی‌باشدبه طوریکه پیچیدگی طراحی MEMS بزرگترین معضل طراحان MEMS می‌باشد. حتی ساده‌ترین MEMS از شرایط مختلف محیطی که در مواقعی برای سیستم‌های ماکرو نامحسوس استتأثیرپذیری بسیاربالایی دارند و لازمه حل این معضل اینست که طراح MEMS در جستجوی راهی برای کنترل تأثیر متقابل و پیچیده این شرایط باشد. از نظر ساخت نیز، موضوع هزینه، سدی است که اغلب طراحان MEMS با آن روبرو می‌شوند و سرمایه‌گذاری‌های اولیه‌ی بالا سرعت پیشرفت MEMS را محدود می کنند.
سیستمهای MEMS به طور خاص از به‌ کارگیری تحریک و دریافت خازنی بهره می‌برند که در آن یک صفحه یا الکترود به روش الکترواستاتیکی فعال شده و حرکت و رفتار آن با تغییرات خازنی قابل مطالعه است. نمونه‌های بسیاری در MEMS وجود دارند که بر تحریک الکترواستاتیکی که در شکل (1-19) نشان داده شده است استوارند، از جمله میکروفون‌ها، میکرومحرک‌های دنده شانه ای42، میکروسنسورهای رزونانسی و میکروسوئیچهای با فرکانس رادیویی.
شکل 1-19: دیاگرام شماتیکی از ایجاد نیروی الکترواستاتیکی
در دهه‌ی اخیر تکنولوژی MEMS همزمان با سایر زمینه‌ها پیشرفت فراوانی در ساخت ابزارهای صوتی نیز داشته است که از آن جمله می‌توان به میکروفون‌ها اشاره کرد. با پیشرفت میکروفون‌های میکرو کاربرد این نوع میکروفون‌ها با توجه به کوچکی ابعاد و پایین بودن هزینه‌ها در سمعکها، تلفن های همراه، میکرپرسنال دیجیتال آسیستان43 بسیار رشد کرده است که در بیشتر آن‌ها از نیروی الکترواستاتیک به عنوان نیروی محرک استفاده می‌کنند. نیروی الکترواستاتیکی با اعمال ولتاژ بین دو صفحه ایجاد می شود و معمولاً فضای بین این دو صفحه توسط یک ماده دی‌الکتریک مانند هوا پر شده است. میکرومحرک الکترواستاتیکی یکی از پر‌کابردترین نوع میکرومحرکها در MEMS می‌باشد که از آن جمله می‌توان به میکروموتور44و میکرومحرک دنده شانه ای اشاره کرد کهدر شکل(1-20) ، عکس‌های میکروسکوپی از این دو میکرومحرک الکترواستاتیکی نشان داده شده است.
الف
ب
شکل 1-20:الف) میکرو محرک میکروموتور الکترواستاتیکی ، ب)الکترواستاتیکی دنده شانه‌ای
از نظر ساخت، میکرومحرک‌های الکترواستاتیکی میتوانند به آسانی روی یک تراشه ایجاد شوند و از آنجایی که در طی مراحل تحریک هیچ مصرف جریانی وجود ندارد، لذا در میکرومحرک‌های الکترواستاتیکی هیچ توانی مصرف نمی‌شود اما به منظور ایجاد نیرو و خیز بزرگ ولتاژ زیادی مورد نیاز است. همچنین تنشهای ایجاد شده، کنترل میکرومحرک‌های الکترواستاتیکی را با مشکل مواجه می‌سازند.
کاربردهای تکنولوژی MEMSبه قدری گسترده است که میتوان گفت تقریباً در تمامی زمینه‌های مختلف صنعتی، شامل سیستم‌های مکانیکی، الکتریکی، نوری و شیمیایی، به نوعی استفاده میشود. ساخت سنسورها در مقیاس میکرو نسبت به سنسورهای سنتی در مقیاس ماکرو دارای سه مزیت عمده‌ی قیمت پایین ، اندازه کوچک ومصرف کم است که می‌توان مزایای زیر را نیز به نقاط قوت مذکور اضافه کرد:
آسانی ساخت و سرعت در تولید انبوه آن
قابلیت ساخت سیستم‌‌‌های پیچیده به صورت یکپارچه
یکسان بودن مشخصه‌های تعداد زیادی از یک محصول
دقت چیدمانی چند سنسور بر روی یک مدار
کاهش فرسودگی و پایداری مشخصه‌ها در زمان بیشتر
فصل دوم
پیشینه تحقیق
2-1مروری بر کلیات تاریخچه(MEMS)
مروری کلی بر تاریخچه تقریبا کوتاه میکرومکانیک و خلاصه ای از مراحل برجسته آن به شرح زیر می باشد:
در سال 1959، موسسه صنعتی کالیفرنیا برای اولین بار تکنیک ساخت مینیاتوری و کوچک را برای میکروماشینها ابداع کرد.یک دهه بعد، در سال 1969، وستینگ هاوس45 یک فیلتر رزونانسی بر پایه روش جدید ساخت میکروالکترونیکی ایجاد کرد.در سال 1974، National Semiconductor به عنوان اولین کمپانی در ساخت سنسورهای فشار در حجم بالا شروع به کار کرد.در دهه 1970، اولین سنسورهای فشار با استفاده از ویفر سیلیکونی ساخته شدند.در دهه 1980، گامی بزرگ در جهت ساخت اولین محرکهای الکترواستاتیکی شانه ای پلی سیلیکونی برداشته شد. همچنین در آن زمان آزمایشات و نشریه ها علاقه عمومی را برانگیخته بود.که اولین مجله موضوعی با نام Sensors and Actuators در سال 1980 منتشر شد.کلمه MEMS در سال 1987 ایجاد و مورد استفاده قرار گرفت.در دهه 1990 گامی فراتر در زمینه اولین سازه های سه بعدی در 46UCLA برداشته شد.
در سال 1993 موسسات دولتی برنامه های حمایتی از MEMS را آغاز کردند، و در سال 1998 مرکز نساجی ملی47(National Textile Center) در یک پروژه MEMS با محوریت صنعت نساجی و بافندگی سرمایه گذاری کرد.
در حال حاضر روشهای بسیاری در صنعت MEMS موجود و افق آن برای کاربردهای بیشتر باز است. شکل 2-1 خلاصه ای از افراد، موسسات دانشگاهی و یا صنعتی دخیل در پیشرفت میکروماشینها در طول پنجاه سال را نشان می دهد.
شکل 2-1- تاریخچه MEMS در ایالات متحده از 1950 تا 2000
در نتیجه رشد سریع و روزافزون تکنولوژی MEMS، مطالعه در رابطه با طراحی، ساخت، و تجارت ابزار و سیستمهای میکروئی نیز افزایش یافته است. این وسایل ریز در حین استفاده، اغلب در معرض حالتهای پیچیده تنش و کرنش قرار می گیرند و خواص مکانیکی آنها در کارآیی کلی آنها تاثیر بسزائی دارد. بنابراین پیشگوئی واکنش این اجسام کوچک نسبت به بارگذاریهای مکانیکی در طراحی و ساخت اسباب قابل اعتماد مطلوب است
2-2 تحقیقات قبلی در رابطه با پدیده ناپایداری در ساختارهای MEMS

دسته بندی : پایان نامه ارشد

پاسخ دهید