k

دانشکده فنی
گروه مهندسی مکانیک
پایان نامه جهت اخذ درجه کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک
گرایش طراحی کاربردی
عنوان:
 تحلیل دینامیکی میکروتیر یکسر گیردار در محفظه بسته حاوی سیال تراکم ناپذیر
اساتید راهنما:
دکتر رسول شعبانی دکتر قادر رضازاده
اساتید داور:
دکتر سعید تاریوردیلو دکتر صمدجعفرمدار
تنظیم و نگارش:
حامد حاتمی
تیر ماه 1391
تقدیر و تشکر:
سپاس بیکران پروردگار را که به انسان قدرت اندیشیدن بخشید، قدرتی که در مقایسه با سایر موجودات باعث شده است که انسان هرگز به امکانات محدود خود اکتفا نکند.مکاتب الهی ،انسان را موجودی کمال طلب می دانند که جهت گیری او به سوی خالقش می باشد.از جمله راههای تقرب به ذات خداوند علم است.
در ادامه از پدر و مادر و تمام اعضای خانواده و تمامی اساتید،دوستان و عزیزانی که مرا در مراحل مختلف در رسیدن به اهداف زندگی ام یاری نمودند تشکر و قدردانی میکنم و همچنین از جناب آقای دکتر شعبانی که مرا در مراحل تهیه و تدوین این پروژه یاری نمودند بینهایت سپاسگذارم.
چکیده
میکروتیرها بعنوان المان اصلی در اکثر سنسورها و عملگرها مورد استفاده قرار می گیرند. در بعضی موارد نظیر میکرو سویچ ها این عضو ممکن است در محیط حاوی سیال نیز مورد استفاده قرار گیرد. لذا در این مقاله به تحلیل رفتار دینامیکی و آناليز فرکانسی یک میکروتیر که در یک محفظه بسته حاوی سیال قرار دارد پرداخته ایم. . با فرض تیر اویلر برنولی و سيال تراکم ناپذير و غير ويسکوز, معادلات کوپل شده سيال- جامد با استفاده از روش فوريه بسل استخراج شده و سپس مسئله مقدار ويژه مربوطه مورد تحليل قرار گرفته است که تاثیر سیال بعنوان جرم افزوده در معادلات ظاهر گردیده است. در ادامه وابستگی فرکانسهای طبيعی تير به مشخصه های سيال و ابعاد هندسی محفظه مورد بررسی قرار گرفته و نشان داده شده که تغییرات طول تیر و محل قرار گیری تیر در محفظه و همچنین استفاده از سیالهای مختلف با خواص گوناگون تاثیر قابل توجهی در تغيير فرکانسهای سيستم دارند. در ادامه شکل مدهای تیر در دو حالت خیس و خشک مورد مقایسه قرار گرفته است و اثر مشخصه های سيال روی مودهای سيستم نشان داده شده است و همچنین الگوهای حرکت سیال در پی رفتار تیر مورد بررسی قرار گرفته است.در نتیجه می توان استنباط کرد که حضور سیال بشدت مدهای بالا را تحت تاثیر قرار می دهد.علاوه بر بررسی ارتعاشات آزاد سیستم کوپل ، رفتار تیر را به ازاء تحریک الکترواستاتیک به فرم ولتاژ پله نیز بررسی قرار گرفته است و اثرات مشخصه های سیال و هندسه سیستم بر روی پاسخ گذرا و زمان ناپایداری سیستم مورد تحلیل قرار گرفته است همچنین با اعمال ولتاژ پله مختلف،پاسخ دینامیکی و ناپایداری میکروتیر مورد مطالعه قرار می گیرد
واژه های کلیدی:
فرکانسهای طبیعی، شکل مد، میکروتیر یکسرگیردار،ولتاژ الکترو استاتیکی،ناپایداری،تغییرات هندسی و مادی، سیال تراکم ناپذیر و غیرلزج،
فهرست مطالب
عنوانصفحه
فهرست شکل هاج
فهرست جداولخ
فصل اول: مفاهیم وکليات1
1-1 تفاوت MEMS با سیستمهای ماکرو5
1-2کاربردهای MEMS7
1-2-1کاربرد در صنعت خودرو7
1-2-2 کاربرد در پزشکی8
1-2-3کاربرد در الکترونیک8
1-3سیستم‌های جدید مرتبط با MEMS9
1-3-1سیستم های میکروالکترومکانیکی زیستی9
1-3-2سیستم‌های میکرواپتوالکترومکانیکی 9
1-3-3: سیستم‌های میکروالکترومکانیکی فرکانس بالا9
1-4 میکرومحرکها12
1-4-1 محركهاي الكترواستاتيكي13
1-4-2 محركهاي گرمائي14
1-4-3 پنوماتيك گرمائي14
1-4-4 ساير محركها15
1-5 تكنولوژی میكرو ماشینكاری15
1-6 تکنیکهای میکروماشینکاری16
1-6-1 میکروماشینکاری حجمی17
1-6-2 میکروماشینکاری سطحی20
1-6-3 روش چسباندن لایه ای22
1-7 پایداری MEMS23
1-8 مزایا و معایب MEMS23
فصل دوم: پیشینه تحقیق27
2-1مروری بر کلیات تاریخچه(MEMS)27
2-2 تحقيقات قبلی در رابطه با پدیده ناپایداری در ساختارهای MEMS28
2-3 تحقيقات قبلی در رابطه با آنالیز فرکانسهای طبیعی ساختارهای MEMS30
2-5 تحقيقات قبلی در رابطه با بررسی اثر ولتاژ آنیدر ساختارهای MEMS30
2-6 کارهای انجام شده مرتبط با پروژه31
فصل سوم: توصیف مدل و استخراج معادلات حاکم برمسئله34
3-1معرفی مدل مورد مطالعه34
3-2 مدلسازي رياضي براي محركهاي ميكروالكترومكانيكي الكترواستاتيكي35
3-3 فرمولبندی برای ارتعاشات سیال38
3-4ارتعاشات کوپل شده سیستم43
3-5 حل مقدار ویژه سیستم (ارتعاشات آزاد)44
3-6 روابط جرم افزوده45
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 اجزاي تشكيل دهندة MEMS2
شکل1-3نمائي شماتيكي از تراشه MEMS3
شکل1-4 تكنولوژي ميكروسيستم4
شکل1-5تكامل تدريجي بازار MEMS4
شکل1-6اندازة 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 دياگرام شماتيكي از ميكرومحرك الكترواستاتيكي13
شکل1-13دياگرام شماتيكي از ميكرومحرك و میکروموتور الكترواستاتيكي14
شکل1-14دياگرام شماتيكي از ميكرومحرك پنوماتيك گرمائي15
شکل1-15انواع ساختارهای میکروماشینکاری حجمی17
شکل1-16میکروماشینکاری سیلیکون حجمی19
شکل1-17میکروماشینکاری سطحی سیلیکون20
شکل1-18 مثالی ازمیکروماشینکاری سطحی اصلاح شده22
شکل1-19 دياگرام شماتيكي از ایجاد نیروی الكترواستاتيكي25
شکل1-20 میکرو محرک26
شکل2-1تاریخچه MEMS در ایالات متحده از 1950 تا 200028
شکل3-1 طرح اجمالی از ميکروتير و محفظه سيال 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 سيستم مورد استفاده در شبيه سازی48
جدول 4-4خواص سیال48
جدول 4-5درصد کاهش فرکانسها54
فصل اول
مفاهیم وکليات
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.
شكل 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 زير تعريف مي‌شود:
MEMSيك سيستم كامل در ابعاد ميكرو (شامل حركت، الكترومغناطيس، دستگاه‌ها و سازه‌هاي نوري ميكرو و انرژي تابشي، مدارهاي حس‌گر/محرك، مدارهاي مجتمع (IC)2 پردازشگر/كنترل ‌كننده) است كه به صورت غير انبوه توليد شده و:
پارامترها و تحريكات فيزيكي را به سيگنال‌هاي الكتريكي، مكانيكي و نوري تبديل مي‌كند و برعكس.
وظايف حس‌كردن، به كار انداختن و … را بر عهده دارد.
شامل بخش‌هاي كنترل (هوشمندي، تصميم‌گيري، يادگيري تدريجي، تطبيق، سازماندهي خودمحور و …)، تشخيص، پردازش سيگنال و جمع‌آوري اطلاعات مي‌باشد.“
اساساً، MEMS سيستمي است متشكل از سازه، حس‌گر، مدار الكترونيكي و كارانداز ميكرو (شكل 1-2). سازة ميكرو چهارچوب سيستم را تشكيل مي‌دهد؛ حس‌گر ميكرو سيگنال‌ها را جستجو مي‌كند؛ مدار الكترونيكي ميكرو، سيگنال‌هاي دريافتي را پردازش كرده و به كارانداز ميكرو، فرمان پاسخ به سيگنال‌ها را مي‌دهد.
با استفاده از تكنولوژي ساخت مدارهاي مجتمع و به منظور توليد دستگاه‌هاي مكانيكي و الكترومكانيكي، MEMS معمولاً بر يك بستر سيليكوني كه قسمت‌هايي از آن به انتخاب و به روش اچ‌كردن جدا شده يا لايه‌هاي جديدي به آن اضافه گشته، ساخته مي‌شود.
شكل (1-2) اجزاي تشكيل دهندة MEMSدر حالت محاوره اي MEMS را ميتوان همزمان يك جعبه ابزار، يك محصول فيزيكي و مجموعه اي از روشها دانست. همانطور كه از نامش پيداست “Micro” معرف اندازه، “Electro” مربوط به الكتريسيته و يا الكترونيك و “Mechanical” قطعات در حال حركت را شامل ميشود.از ديدگاه فيزيك MEMS معمولا مجموعه اي از المانهاي مكانيكي و الكترونيكي است كه با استفاده از تكنولوژي ساخت ميكرو روي يك ويفر سيليكوني معمولي سوار مي شوند.الكترونيكها ميتوانند توسط پروسه IC (مانند:CMOS 3) و المانهاي مكانيكي با روشهاي ميكروماشيني كه با پروسه ساخت ICها سازگارند ساخته شوند. شكل (1-3) نمائي شماتيكي از تراشه MEMS را نشان مي دهد.. حسگرها و محركها مي توانند از المانهاي مكانيكي و فرآيندسازي سيگنالها و واحدهاي كنترل ميتوانند با استفاده از مدارهاي الكترونيكي ساخته شوند.
شكل(1-3)نمائي شماتيكي از تراشه MEMSبنابراين كل سيستم ميتواند بر روي يك تراشه واحد بدون هيچ فرآيند اجتماعي خارجي جمع شود.جمع آوري كل سيستم روي يك تراشه واحد با فرايند كوچك سازي منجر به ايجاد سازه اي كم هزينه و پركيفيت ميشود. 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 اوايل دهه 1990با پيشرفت تكنولوژي ساخت IC ها، MEMS پا به عرصه ظهور نهاد كه حسگرها، محركها و توابع كنترلي در سيليكون ساخته شدند. با حمايتهاي مالي دولتي و صنعتي، محققين MEMS پيشرفتهاي چشمگيري كرده و توانایيهاي برتر و انقلابي خود را در بسياري زمينه هاي گوناگون به اثبات رساندند. در تجارت و داد وستد نيز نمونه هاي بسيار زيادي از MEMS كاربرد دارند، همچون ميكروشتاب سنجها4، ميكرو حسگرها5، چاپگر جوهرپاش6، ميكروآينه ها7و غيره.
علاوه بر اين وسايل ساده طرحهاي پيچيده تري از MEMS پيشنهاد شده و به اثبات رسيده اند. به خاطر مفهوم و امكانات آنها در زمينه هاي گوناگون همچون بيو پزشكي، شيمي، سيالات، ذخيره اطلاعات، ارتباطات نوري بي سيم و غيره. با كوشش و صرف انرژي بيشتر شاخه هاي جديدي ازتكنولوژي MEMS پا به عرصه گذاشته اند، از آن جمله 8MOEMS و9µTAS بهدليل پتانسيل كاربردشان در بازار حائز اهميت مي باشند.
شكل (1-4) تكنولوژي ميكروسيستمبا حمايتهاي مالي دولتي و صنعتي، محققين MEMS پيشرفتهاي چشمگيري كرده و توانائيهاي برتر و انقلابي خود را در بسياري زمينه هاي گوناگون به اثبات رساندند. در تجارت و داد وستد نيز نمونه هاي بسيار زيادي از MEMS كاربرد دارند، همچونميكروشتاب سنجها، ميكرو سنسورها، چاپگرهای جوهرپاش، ميكروآينه هاو غيره. بنابراين هرگونه مطالعه و توسعة MEMS تأثير قابل ملاحظه‌اي بر صنايع و در نتيجه بر اقتصاد جامعه دارد. تا به حال سرمايه‌گذاري ‌هاي كلاني براي توسعة MEMS صورت گرفته؛ به طور مثال، بودجة اختصاص يافته به بخش توسعه و تحقيق NEMS10/MEMS توسط دولت ايالات متحده از 3 ميليون دلار در سال 1991 ميلادي به 35 ميليون دلار در سال 1995 ميلادي افزايش يافت و طبق اظهارات ستاد فناوري نانو، در سال 2015 ميلادي سهم MEMS و NEMS در تجارت جهاني بالغ بر 1 تريليون دلار خواهد شد.
شكل (1-5) تكامل تدريجي بازار MEMS
تكنولوژي MEMS از بسياري جهات مورد بررسي قرار گرفته است. اول از همه، از نقطه نظر طراحي، نرم افزار (CAD) بسيار وقت گير بوده و داراي توانائي كافي كه شامل تمام فاكتورهاي واقعي كه روي عملكرد MEMS تاثير مي گذارد نيست. پيچيدگي طراحي MEMS بزرگترين موضوع و معضل طراحان MEMS مي باشد. حتي ساده ترين MEMS در انرژي قلمروهاي مختلف فيزيك تاثير زيركانه اي دارند. لازمه آن اينست كه طراح MEMS بايستي در جستجوي راهي براي كنترل تاثير متقابل و پيچيده اين قلمروها باشد. دوم، از نظر ساخت، موضوع هزينه براي يك كارخانه سيليكون11 سدي است كه اغلب طراحان MEMS بايستي با آن روبرو شوند. سرمايه گذاريهاي اوليه بالا سرعت پيشرفت MEMS را محدود مي كند. بسته بندي نيز ميتواند روي اجراي MEMS تاثير گذاشته و تبديل به يكي از بنيادي ترين مشكلات محققين در اين زمينه شود. به دليل گوناگوني MEMS هر اختراع جديد MEMS تقريبا نياز به روش بسته بندي تازه منحصر به خود را دارد.
1-1 تفاوتMEMS با سیستمهای ماکرو
چرا MEMS متفاوت از تكنولوژي‌هاي موجود در ابعاد ماكرو نظير اتومبيل، ساختمان و هواپيماست؟ به اين علت كه اندازه، نقش مهمي دارد. فكر كنيد كه چرا يك حشره مي‌تواند روي آب راه برود، اما يك اسب نمي‌تواند. وزن حشره متناسب با حجم آن است، يعني s3 (s فاكتور مقايسه12). وقتي كه يكي از ابعاد حشره به اندازة 1-10 تغيير ‌كند، وزن آن به اندازة 3-10 تغيير مي‌كند، اما نيرويي كه حشره را روي آب نگه مي‌دارد، متناسب با كشش سطحي (s1) ضرب در طول خط پيرامون پاي حشره (s1) است و بنابراين نيروي وارد بر پاي حشره متناسب با s2 مي‌باشد. حال اگر طول 2 متري يك اسب را به طول 2 ميلي‌متري يك حشره كاهش دهيم، وزن به اندازة 9-10 كاهش مي‌يابد، ولي نيروي كشش سطحي تنها به اندازة 6-10 كم مي‌شود. بنابراين نيروي كشش سطحي در مقياس كوچكتر، مهم‌تر است. به اين دليل يك حشره مي‌تواند روي آب راه برود، اما يك اسب نمي‌تواند. در مورد MEMS نيز همين طور است. در يك هواپيما، وزن مهم‌ترين عامل است. در يك موتور، نيروي مغناطيسي نيروي غالب است. در MEMS يكي از نيروهاي مهم عبارت است از نيروي الكتروستاتيكي. با توجه به تأثير مقياس بر نيرو، شتاب و كار انجام شده نيز در مقياس‌هاي مختلف، متفاوت خواهند بود. شكل 1-6 اختلاف بين مرتبة بزرگي موارد گوناگون را نشان مي‌دهد. مقياس دستگاه‌هاي متداول ساخت بشر و MEMS اختلافي در حد 4-10 برابر دارد؛ اگر طول يك بعد 4-10 برابر كاهش يابد، وزن 12-10 برابر كم مي‌شود، در حالي كه ني نيروي الكتروستاتيكي تنها 8-10 برابر مي‌گردد.(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.
شكل (1-6) اندازة 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 كه باعث ایجاد شتاب میشود بر اساس اینرسی بر روی جرم معلق اثر كرده و در نهایت باعث انحنای تیر میشود كه این تغییر شكل تیر، مقاومت جزء پاییزومقاومت و یا ظرفیت خازنی را تغییر می‌دهد و این تغییرات به بخش میكروالكترونیك 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 یك زیرلایه از جنس سیلیكون می‌باشند كه با عملیات خوردگی، یك غشاء روی آن ایجاد می‌شود و به یك زیرلایه دیگر وصل میشود. یك لایهپاییزومقاومت نیز روی غشاء و در نزدیكی لبه ها قرار میگیرد. فشار اعمالی باعث تغییر شكل غشاء و در نتیجه اعمال كرنش به لایه پاییزومقاومت میشود كه این كرنش مكانیكی به ولتاژ الكتریكی 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 كوچك كه به گرمکن معروفند وجود دارد. این مقاومتها با كنترل ریزپردازنده‌ها در زمانی كمتر از 3 میكروثانیه داغ میشوند. جوهر روی هر مقاومت گرم شده و باعث بخار شدن جوهر و تشكیل حباب می‌شود. با انبساط حباب مقداری جوهر از نازل خارج میشود و روی كاغذ می‌نشیند. با سرد شدن و فروكش كردن حباب، خلایی در هد ایجاد شده كه 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 كه تفکیک 92dpi تولید می كردند. ولی اكنون تا 600 نازل وجود دارد كه تفکیک dpi1200تولید می‌كنند.
1-3: سیستم‌های جدید مرتبط با MEMS
تجربیات به دست آمده از كاربردهای اخیرMEMS، این تكنولوژی را قادر ساخته كه در زمینه های جدیدی چونBio‌MEMS، مخابره بدون سیم اطلاعات شامل مخابرات نوری (MOEMS) و مخابرات فرکانس رادیویی (RF‌MEMS)هم فعالیت كند.
1-3-1: سیستم های میکروالکترومکانیکی زیستی
در طی سالهای اخیر محصولات ابتكاری توسط شركتهای تولیدی Bio‌MEMS ساخته شده كه كاربردهای زیادی در پزشكی و درمان بیماری‌ها داشته اند. یك نمونه از این وسایل میکرودستگاه تزریق انسولین در داخل بدن است كه در انواع اولیه سیگنال تحریك خود را از بیرون بدن از طریق سیم دریافت میكرد. در انواع پیشرفته تر كنترل بدون سیم شده و در نهایت، هدف، ساخت وسیله‌ای است كه با حسگرهای موجود روی همان تراشه در درون بدن و در پاسخ به سیگنال های درون بدن تحریك شود.
1-3-2: سیستم‌های میکرواپتوالکترومکانیکی 
رشد هولناك ترافیك و انتقال اطلاعات ناشی از رشد سریع اینترنت باعث استفاده از روشهای سریع‌تر انتقال اطلاعات شد. تكنولوژی كنونی جریان اطلاعات را كند میكند چون سیگنالهای نوری را برای انتقال، به اطلاعات الكترونیكی تبدیلمیكند و بعد دوباره به سیگنالهای نوری برمی‌گرداند ولی درMOEMS، دیگر برای انتقال اطلاعات، نیازی به تبدیل الكترونیكی نیست و در نتیجه سرعت و بازده بیشتری دارند.
مهمترین قطعات MOEMS شامل موجبرها، سوئیچ‌های نوری، فیلترها، آشکارسازها و … میباشند. سایز كوچك، قیمت و توان مصرفی كم، دوام مكانیكی، دقت و سرعت سوییچینگ بالا از مزایای این قطعات هستند كه در شبكه تلفن بسیار كارا می‌باشند.
1-3-3: سیستم‌های میکروالکترومکانیکی فرکانس بالا
RF‌MEMS یكی از عرصه های سریع پیشرفت MEMS می‌باشد كه برای كاربرد در الكترونیك 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 كنار كاهش قیمت و سایز این قطعات، بازده و قابلیت اطمینان آنها را افزایش میدهد. با MEMS موبایلها به اندازه ساعت‌مچی كوچك شده و توان مصرفی آنها هم به شدت كاهش 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
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:
شكل 1-7: یک مورچه در زیر میکروسکوپ الکترونی که یک میکرو چرخ دنده ساخته شده از نیکل را نگه داشته است.
شكل 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.
شكل 1-9: کوچکترین گیتار جهان به طول 10 میکرومتر با 6 سیم هر کدام به ضخامت 50 نانومتر.
شكل 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
يك ميكرومحرك روش كليدي است براي MEMS تا يك عمل فيزيكي را انجام دهد. اين روشها ممكن است نيازمند به كارگيري تشدید کننده ها15 و نوسانگرها16 در فركانس تشديدشان باشند. آنها ممكن است نيازمند توليدات مكانيكي بر پايه ميكروسيستمهاي ويژه باشند: ممكن است از ميكروآينه به عنوان اسكنر يا سوئيچ استفاده كنند. همچنين ميتوانند ميكروپمپ را براي سيستم ميكرو سيال تحريك كنند. برخلاف دنياي ماكرو كه نيروهاي الكترومغناطيسي رايجترين محركها به شمار ميروند، به خاطر مقياس بسيار كوچك MEMS، نيروهاي زيادي به عنوان محرك وجود دارند، از جمله نيروي الكترومغناطيسي17، نيروي الكترواستاتیکی18، كشش گرمائي، و نيروي پيزوالكتريكی19 جهت طراحي سازه هاي مختلف براي كاربردهاي گوناگون مورد استفاده مي باشند. نتيجه اينكه ميكرو محركهاي مختلف، نيرومند و اعجاب انگيزي، طراحي، ساخته و به كار برده شده اند. در ادامه يك معرفي مختصر از ميكرومحركها بر طبق نوع تحريكشان صورت ميگيرد.
1-4-1 محركهاي الكترواستاتيكي
براي يك ميكرومحرك الكترواستاتيكي نوع صفحه موازي ساده، نيروي الكترواستاتيكي با اعمال ولتاژ بين دو صفحه ايجاد مي شود. شكل 1-12 يك دياگرام شماتيكي از اين نوع ميكرومحركهاي الكترواستاتيكي را نشان مي دهد.
شكل (1-12) دياگرام شماتيكي از ميكرومحرك الكترواستاتيكيمعمولا فضای بین اين دو صفحه توسط يك ماده دي الكتريك مانند هوا پر شده است. ميكرومحرك الكترواستاتيكي يكي از پر كابردترين نوع ميكرومحركها در MEMS مي باشد. ميكرومحركهاي الكترواستاتيكي شناخته شده شامل ميكرومحرك دنده شانه ای20 و ميكروموتور لرزان21ميباشند. شكل 1-13 عكسهاي ميكروسكوپي اين دو ميكرومحرك الكترواستاتيكي را نشان ميدهد.
شکل (1-13) الف) میکرو محرک الکترواستاتیکی دنده شانه ای، ب) میکروموتور الکترواستاتیکیاز نظر ساخت، ميكرومحركهاي الكترواستاتيكي ميترانند به آساني روي يك تراشه جمع شود به اين خاطر كه كل پروسه ساخت با روشهاي سنتي ساخت IC ها سازگار است. از آنجا كه در طي مراحل تحريك هيچ مصرف جرياني وجود ندارد در ميكرومحركهاي الكترواستاتيكي هيچ تواني مصرف نمي شود. اما به منظور ايجاد نيرو و خيز بزرگ ولتاژ زيادي مورد نياز است. همچنين تنشهاي ايجاد شده كنترل ميكرومحركهاي الكترواستاتيكي را با مشكل مواجه مي سازند
1-4-2 محركهاي گرمائي
محركهاي گرمائي به طور بسيار گسترده در MEMS كاربرد دارند كه شاملمنشور عريضي از عوامل عمده نظير پنوماتيك گرمائي22، اثر SMA23، اثر دوجنسي24 بودن، انبساط گرمائي مكانيكي و غيره می باشد.
1-4-3 پنوماتيك گرمائي
ميكرومحرك پنوماتيك گرمائي متشكل از حفره اي است كه حاوي حجمي از سيال با يك غشا نازك كه به عنوان يك ديواره عمل مي كند، می باشد. جريان عبوري از يك مقاومت گرمائي باعث انبساط مايع درون حفره و تغيير شكل غشا مي شود.شكل 1-14، دياگرام شماتيكي از ميكرومحرك پنوماتيك گرمائي را نشان می دهد.
شكل (1-14) دياگرام شماتيكي از ميكرومحرك پنوماتيك گرمائي
1-4-4ساير محركها
ساير محركها مانند محركهاي مغناطيسي و محركهاي پيزو الكتريكي براي كاربردهاي ويژه اي به كار ميروند. ميكرومحركها اغلب به روش آبکاری برقی25 و با استفاده از نيكل26 و يا تركيبات آن ساخته مي شوند. از آنجا كه نيكل يك فلز فرومغناطيسي27 است، مي تواند با استفاده از اثر الكترومغناطيسي در محركها مورد استفادهقرارگيرد.
اساس كار محركهاي پيزو الكتريكي بر پايه تاثير پيزوالكتريكي معكوس مي 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.
اين وسايل با روشهاي استاندارد معمولي قابل ساخت نبوده و ساخت آنها تكنولوژي ديگري مي طلبد كه به طور كلي تكنولوژي micro-fabrication ناميده ميشود.
1-5 تكنولوژی میكرو ماشینكاری29
تكنولوژی میكرو ماشین كاری شامل كوچك سازی30 دستگاهها و سیستم‌ها است كه بخاطر افزایش قابلیت اطمینان و عملکرد و كارآیی آنها است. دستگاههای میكرو ماشینكاری شده بر اساس فرآیند تولید مدارهای مجتمع ساخته می‌شوند مانند فتولیتوگرافی31، اچ كردن و ….
بعد از اولین انقلاب میكرو الكترونیك32 در دهه 1960، سیلیكون بعنوان ماده اصلی برای دستگاههای IC (مدارهای مجتمع)33 برای چندین سال مورد استفاده قرار گرفت. در پایان دهه 1960 محققان متوجه شدند كه سیلیكون نه تنها خواص الكترونیكی خوبی دارد بلكه دارای خواص مكانیكی 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 كه از سیلیكون میكرو ماشینكاری شده ساخته می‌شوند و یا نازل چاپگرهای جوهر افشان و …
تكنولوژی میكروماشینكاری بكار رفته برای ساخت دستگاهها و سیستم به دو شاخه اصلی تقسیم می‌شود:
میكرو سنسورها (مانند سنسورهای فشار و دما34، شتاب سنج ها35 و …).
میكرو محرك‌ها (مانند میكرو كلیدها36، میكرو موتورها37، میكرو 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، سيستم‌ها بتوانند محيط اطرافشان را با دقت بسیار بالاتری نسبت به سیستم‌های ماکرو حس كرده و كنترل نمايند. اين سنسورها در ساده‌ترين حالت خود به كمك ارزیابی پديده‌هاي مكانيكي، گرمايي، زيستي، شيميايي، نوري و مغناطيسي، اطلاعات را از محيط جمع‌آوري مي‌كنندوسیستم‌های الكترومكانيكي به كمك قدرت تصميم‌گيري خود، با پاسخ‌‌هايي همچون جابه‌جايي، ضربه، تنظيم‌، پمپ‌كردن و فيلتر، محيط را به سمت نتايج موردنظر هدايت مي‌كنند. از آنجا كه دستگاه‌هاي MEMS همانند IC‌ها با تكنيك‌هاي ساخت مدارات مجتمع ساخته مي‌شوند، مي‌توان با صرف هزينه‌های پایین‌ترسطح بسيار بالايي از كاركرد و اطمينان را بر روي تراشه‌های كوچكیکه معمولاً از سیلیکون به دليل داشتن خواص عالي همچون نسبت استحكام به وزن بالاساخته می‌شوند ایجاد کرد.
این فناوري جديد، مزاياي متعددي دارد، اول اينكه فناوري گسترده‌اي است كه مي‌تواند تأثير مهمي بر انواع توليدات تجاري و نظامي بگذارد و دوم اينكه فاصله‌ی بين سيستم‌هاي مكانيكي پيچيده و مدارهاي مجتمع الكترونيكي را پر مي‌كند. سنسورها و محركها عموماً گران قيمت‌اند، علاوه بر این محركها و سنسورهای الكترونيكي در ابعاد بزرگقابل اعتماد نيستند. این فناوریامكان ساخت سيستم‌هاي ميكروالكترومكانيكي را فراهم كرده که موجب برابري قيمت و اعتبار سنسورها و محركها بامدارهاي مجتمع مي‌شود و انتظار مي‌رود كارآيي دستگاهها و ابزارهاي MEMS بالاتر از عناصر و سيستمهاي مقياس ماكرو و قيمت آنها خيلي پايين‌ترباشد.
تكنولوژي MEMS در کنار مزیت‌های فراوانی که دارد دارای معایبی نیز می‌باشد. از نظر طراحي، استفاده از نرم افزارهای معمول طراحی بسيار وقت گير بوده و داراي توانایي كافي برای اینكه بتواند تمام فاكتورهاي واقعي اثرگذار روي عملكرد MEMSرا در نظر بگیرد نمی‌باشدبه طوریکه پيچيدگي طراحي MEMS بزرگترين معضل طراحان MEMS مي‌باشد. حتي ساده‌ترين MEMS از شرایط مختلف محیطی که در مواقعی برای سیستم‌های ماکرو نامحسوس استتأثيرپذیری بسیاربالایی دارند و لازمه حل این معضل اینست كه طراح MEMS در جستجوي راهي براي كنترل تأثير متقابل و پيچيده اين شرایط باشد. از نظر ساخت نیز، موضوع هزينه، سدي است كه اغلب طراحان MEMS با آن روبرو می‌شوند و سرمايه‌گذاري‌هاي اوليه‌ی بالا سرعت پيشرفت MEMS را محدود مي كنند.
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.
شكل 1-19: دياگرام شماتيكي از ایجاد نیروی الكترواستاتيكي
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. نيروي الكترواستاتيكي با اعمال ولتاژ بين دو صفحه ايجاد مي شود و معمولاً فضای بین اين دو صفحه توسط يك ماده دي‌الكتريك مانند هوا پر شده است. ميكرومحرك الكترواستاتيكي يكي از پر‌كابردترين نوع ميكرومحركها در MEMS مي‌باشد که از آن جمله می‌توان به ميكروموتور44و ميكرومحرك دنده شانه ای اشاره کرد کهدر شكل(1-20) ، عكس‌هاي ميكروسكوپي از اين دو ميكرومحرك الكترواستاتيكي نشان داده شده است.
الف
ب
شکل 1-20:الف) میکرو محرک میکروموتور الکترواستاتیکی ، ب)الکترواستاتیکی دنده شانه‌ای
از نظر ساخت، ميكرومحرك‌هاي الكترواستاتيكي ميتوانند به آساني روي يك تراشه ایجاد شوند و از آنجایی كه در طي مراحل تحريك هيچ مصرف جرياني وجود ندارد، لذا در ميكرومحرك‌هاي الكترواستاتيكي هيچ تواني مصرف نمي‌شود اما به منظور ايجاد نيرو و خيز بزرگ ولتاژ زيادي مورد نياز است. همچنين تنشهاي ايجاد شده، كنترل ميكرومحرك‌هاي الكترواستاتيكي را با مشكل مواجه مي‌سازند.
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 تحقيقات قبلی در رابطه با پدیده ناپایداری در ساختارهای MEMS
اولین تحقیقات در زمینه تحریک الکترواستاتیکی از دهه 1960 آغاز شد. در یک سری از آزمایشات جالب که توسط تیلور48 (دانشمند انگلیسی) انجام شد، ادغام قطرات مایع توسط اختلاف پتانسیل های الکتریکی مختلف بررسی شد. در سیستم او نقش دیافراگم الاستیکی توسط یک فیلم نازک انجام می شد. تیلور به این نتیجه رسید که وقتی اختلاف پتانسیل اعمالی از یک ولتاژ بحرانی فراتر رود، دو قطره در هم ادغام می شوند یا دیافراگم به سمت صفحه پائین کشیده می شود. بنابراین در ولتاژهای اعمالی که زیر ولتاژ بحرانی هستند، دو قطره مایع تحت یک فاصله معین از هم باقی می مانند.
آزمایشات تیلور توسط آکربرگ49 بصورت ریاضی مدل شدند. آکربرگ از آزمایشات تیلور در نسبت کوچکی استفاده کرد تا یک پتانسیل الکترواستاتیکی تخمینی محاسبه کند. آکربرگ بدین صورت فرض کرد که فاصله مابین دیافراگم و الکترود نسبت به شعاع دیافراگم، کوچک است. با نادیده گرفتن اثر میدان الکتریکی حاشیه ای50 و با فرض تقارن استوانه ای مدل و سایر ساده سازی های دیگر آکربرگ توانست مسئله را در حد مطالعه معادله دیفرانسیلی معمولی غیرخطی ساده برای تغییر شکل دیافراگم ساده کند.
بطور همزمان با تیلور، ناتانسون51 یکی از محققان MEMS به بررسی تحریک الکترواستاتیکی بعنوان یک روش برای طراحی یک ترانزیستور رزونانس پرداخت. برای درک بهتر مسئله ناتانسون و همکارانش مدل جرم- فنر تحریک الکترواستاتیکی را بازسازی کردند. همان ناپایداری حاصل شده در تحقیقات تیلور پدیدار شد. نام Pull-in اولین بار توسط ناتانسون به این پدیده داده شد. با رشد و کامل شدن MEMS و همچنین با تکامل سیستم های نانوالکترومکانیکی، اهمیت شناخت تحریک الکترواستاتیکی و پدیده ناپایداری نیز توسعه یافت. طراحی تعداد بسیار زیادی از دستگاه های MEMS/NEMS بوسیله این ناپایداری محدود شده است.
در رابطه با MEMS/NEMS محققان بسیاری از جمله چو52 و همکارانش کارهای ناتانسون



قیمت: تومان

دسته بندی : پایان نامه ارشد

پاسخ دهید