دانلود پایان نامه

سنسورهای MEMS فشار و دما
1-2 مقدمه
یک سنسور وسیله ای برای اندازه گیری یک پدیده فیزیکی یا شیمیایی و سپس تبدیل آن به سیگنال الکتریکی دلخواه برای پردازش و مورد استفاده قرار دادن اطلاعات بدست آمده از المان حسگر میباشد. مثلا سیگنال شیمیایی، الکتریکی، مغناطیسی، مکانیکی و … انواعی از سیگنالها میباشند. سنسور، ورودی را که یکی از سیگنالهای گفته شده میباشد ، تشخیص داده و خروجی را بنا به نیاز کاربر به صورت سیگنال که اکثرا الکتریکی میباشد به محیط بیرون ارسال میکند که در این میان از قدیم الایام فشار رایج ترین المان برای اندازه گیری توسط سنسورها میباشد. در این نوع سنسورها اکثراً خروجی یک سیگنال الکتریکی میباشد زیرا در این صورت پردازش روی آن خیلی راحت و میتوان کنترل را به راحتی انجام داد.
2-2 سنسورهای فشار
یکی از قطعات میکروالکترومکانیکی(MEMS) رایج سنسور فشار است . کشف سیستمهای میکروالکترومکانیکی که منجر به انقلاب دیگری در سیلیسیم گردید، همزمان با ساخت سنسور فشار میکروماشینی بود .
اولین سنسور فشار آزمایشگاهی میکروماشینی در سال ١٩۶١ساخته شد . تولید سنسور فشار سیلیسیمی یک بار مصرف باکاربرد پزشکی در سال ١٩٨٢ منجر به کاهش قیمت تمام شده از ۶٠٠ دلار به ١٠ دلار گردید . ارزیابی عملکرد این سنسورهاتا سال ١٩٧۵ ادامه یافته و توسعه کاربردها و کاهش هزینه های تولید آن تا سال ١٩٩٠ انجام گرفت و هنوز هم ادامه دارد . این سنسورها از سال ١٩٩٠ به صورت صد درصد تجارتی وارد بازار مصرف شده اند که در سال ٢٠٠٢ در حدود ٣٠٩ میلیون قطعه سنسور فشار سیلیسیمی به ارزش3/1 میلیارد دلارفروخته شده است . هم اکنون شرکتهای مختلفی مانندBOSCH، MOTROLA، ENTRAN و … این سنسورها را در انواع متنوع مجتمع سازی شده و هایبریدی به بازار عرضه می کنند که هر یک ازآنها از تکنولوژیهای متفاوت ساخت استفاده می نمایند. [1,7,27]
خواص مکانیکی بسیار عالی سیلیسیم، مدول یانگ بالا،جرم حجمی کم و قابلیت کوچک سازی در ساخت قطعات سیلیسیمی منجر به ساخت سنسورهای مجتمع سازی شده است. سنسورهای فشار میکروماشینی با استفاده ازتکنولوژیهای میکروماشین کاری سطحی و توده ای(surfaceوbulk) به صورت مجتمع سازی شده و هایبریدی تولید می شوند که در آنها ازخواص تغییر مقاومت نواحی نفوذ داده شده )پیزومقاومتها( به واسطه ایجاد تنش، تغییر ظرفیت خازنی میان الکترودهای ثابت و متحرک و خاصیت تشدیدی المان مرتعش سیلیسیمی برای تبدیل متغیر فیزیکی فشار به سیگنال الکتریکی استفاده می گردد. سنسور فشار میکروماشینی از یک دیافراگم سیلیسیمی تشکیل شده است . مکانیزم تغییرات پیزومقاومتی به واسطه ایجاد تنش در دیافراگم نازک )به ضخامت چند ده میکرون ( اولین مکا نیزمی بود که برای ساخت سنسور فشارسیلیسیمی بکار گرفته شد که هم اکنون نیز از این مکانیزم بطور وسیعی استفاده می شود . پیزومقاومتها به دو روش نفوذ ناخالصی در دیافراگم و یا نشست لایه نازک پلی سیلیسیمی حاوی ناخالصی بر روی دیافراگم ایجاد می گردند . جهت جبران سازی دمایی، پیزومقاومتها را با ساختار پل وتستون به یکدیگر متصل می کنند . مزیتهای اصلی اندازه گیری فشار با استفاده از پیزومقاومتها، سادگی فرآیند تولید آنها، رابطه خطی عالی میان ولتاژ خروجی از سنسور و فشار اندازه گیری است .از عیوب اصلی این نوع سنسورها می بایست به حساسیت دمایی و جریان نشتی آنها اشاره نمود . بعلاوه به دلیل حساسیت کم پیزو مقاومتها قطعات پیزومقاومتی برای اندازه گیریهای دقیق )فشار های خیلی کم ( مناسب نمی باشند . شرکت تویوتا در سال ١٩٨٣ به کمک ادغام سنسور فشار پیزومقاومتی با تکنولوژی Bipolar توانست مدار جبران ساز دما، مدار توان و … را در محل قرار گیری سنسور و بر روی یک ویفرسیلیسیمی ایجاد نماید . یکی از مراحل اصلی ساخت سنسورفشار مرحله حکاکی وابسته به جهت گیری مرطوب سیلیسیم است که خصوصیات و چگونگی انجام این فرآیند بخوبی شناخته شده است. . لذا ادغام این فرآیند با فرآیندهای ساخت IC ها امکان پذیر می باشد . هم اکنون فرآیند تولید سنسور فشار با فرآیندهای تولیدCMOSو NMOS ادغام شده است.. در شکل ( ١) چگونگی ادغام فرآیند میکروماشین با فرآیندهای استاندارد تولید قطعات میکروالکترونیک برای ساخت سنسور فشار میکروماشینی نمایش داده شده است.
شکل 1-2 : چگونگی مجتمع کردن قطعات میکرو ماشین با فرایند میکروالکترونیک
مکانیزم قرائت خازنی در سنسور فشار بطور ذاتی حساسیت کمتری به دما داشته و بطور کلی مصرف انرژی پایینی دارد . مقدار ظرفیت اندازه گیری شده کوچک بوده وبرای همین منظور نیاز به مدار میانی می باشد که در کنارسنسور مجتمع سازی شود . البته برای سنسورهای خازنی انواع بسته بندی های هایبریدی نیز وجود دارند . حساسیت این سنسورها در مقایسه با انواع پیزومقاومتی بیشتر است . بالاترین دقت اندازه گیری فشار با استفاده از سنسورهای تشدیدی حاصل می گردد . این سنسورها دارای سیگنال خروجی به فرم تغییرات فرکانس تشدید المان مرتعش هستند . مهمترین مسئله در مورد سنسورهای فشار تشدیدی پیچیدگی فرآیندهای ساخت آنها می باشد.
3-2 واحد های فشار و ضرایب تبدیل آنها به هم
جدول زیر نشان دهنده واحدهای فشار مهم و ضریب تبدیل آنها را نشان میدهد:
psi atms. mmHg
(Torr) cm Hg mbar bar Pa
(N/m²) kPa MPa
1 0.0681 51.715 5.17 68.95 0.0689 6,895 6.895 0.0069
14.7 1 760 76 1013 1.013 101,325 101.3 0.1013
0.01934 0.001316 1 0.1 1.333 0.001333 133.3 0.1333 0.000133
0.1934 0.01316 10 1 13.33 0.01333 1,333 1.333 0.00133
0.0145 0.000987 0.75 0.075 1 0.001 100 0.1 0.0001
14.504 0.987 750 75 1,000 1 100,000 100 0.1
0.000145 0.00001 0.0075 0.00075 0.01 0.00001 1 0.001 0.000001
0.14504 0.00987 7.5 0.75 10 0.01 1,000 1 0.001
145.04 9.869 7500 750 10,000 10 1,000,000 1,000 1
جدول 1- 2 : واحدهای فشار و چگونگی تبدیل آنها به هم[1]
4-2 اندازه گیری فشار
در سنسورهای فشار به سه روش معمول دیافراگم را طراحی میکنند که فشار را اندازه گیری کنند به عبارت دیگر دیافراگم طراحی شده به سه روش قادر به اندازه گیری فشار خواهد بود که عبارتند از:
(1) Absolute : که یک طرف دیافراگم را فشاری که میخواهیم اندازه گیری کنیم وجود دارد و در طرف دیگر خلا حاکم است.

این مطلب مشابه را هم بخوانید :   رشته حقوق-دانلود پایان نامه در مورد مسوولیت کیفری

برای دانلود متن کامل فایل این  پایان نامه می توانید  اینجا کلیک کنید