مزيت اصلي ميكروماشين كاري توده اي سيليسيم بر روش سطحي، استفاده از خواص عالي فيزيكي، شيميايي و مكانيكي سيليسيم تك كريستالي در فرآيند توده اي است .همين موضوع سبب افزايش ايمني طراحي و مدل سازي قطعات ميكروالكترومكانيكي توليدي در اين روش مي شود .شکل 5 نشان نمايي کلي و از وسط بريده شده يک سنسور پيزو مقاومتي را نشان ميدهد و براحتي ميتوان چگونگي کارکرد اين چنين سنسورها را تشخيص داد. فشار وارده از زير ديافراگم باعث خميده شدن ديافراگم گشته و اين باعث تغيير استرس در ديافراگم ميشود و همانگونه که از شکل 5 مشاهده ميشود معمولاً مقاومتها در ناحيه اي تعبيه ميشوند که بيشترين تغيير استرس در آن اتفاق ميافتد و سپس اين مقاومتها که در مدار پل وتستون قرار گرفته اند تغيير مقاومت را به تغيير در ولتاژ تبديل ميکنند. همچنين از چگونگي اتصال مقاومتها بوسيله متال و محل pad ها نيز کاملاً پيداست.
شکل 5- 2 : شماتيکي کامل از سنسور فشار مقاوتي[11]
1-5-2 سنسور پيزورزيستيو براي کاربرد در Monifold ماشين در دماي بالا[11]
اين سنسور با استفاده از ماده اي بنام سيليکون کربيد توانسته است براي کاربردهاي فراواني که براي سنسورهاي فشار در توربينها گاز و مراحل احتراق ماشينها استفاده ميشود بکار گرفته شود. Sic به خاطر ويژگي هاي مکانيکي خوبي که دارد از جمله خنثي بودن از نظر شيميايي و استقامت در دماهاي بالا و هدايت گرمايي خوب و … باعث شده است که به عنوان يک ماده استثنايي در ميکروسيستمهايي که در محيط هاي سخت کاربرد دارند استفاده شود.
اين سنسور از نوع پيزو مقاومتي بوده و از پلي سيليکان و 3c-sic به عنوان ماده پيزورزيستيو استفاده شده است و براي ايجاد ديافراگم از روش لايه برداري توده اي bulk استفاده شده است. در اطن سنسور از لايه epitaxy ، 3c-sic با ناخالصي نيتروژن به عنوان مقاومت که بر روي ديافرگم سليکوني قرار گرفته است و از ترمال سليکون دي اکسيدبه عنوان جدا کننده الکتريکي (عايق) مقاومتها از ديافراگم استفاده شده است. در اين سنسور همانطور که از شکل 6-2 پيداست لايه هاي 3c-sic/sio2/si بوسيله ويفر باندينگ يک ويفر (100) که روي آن لايه 3c-sic با پوشش sio2 است با يک ويفر ساختاري سليکوني بدست مي آيد. سپس مراحل لايه برداري و polishing اتفاق ميافتد. اين سنسور تا دماي 400 درجه سانتيگراد هم تست شده است.
شکل 6-2 برش عرضي از مراحل ساخت سنسور را نشان ميدهد به عبارت ديگر مراحل و پروسه ساخت اين سنسور در اين شکل نمايش داده شده است که به صورت خلاصه عبارت است از :
ابتدا رشد لايه singal crystalline 3c/sic بروش APCVD روي ويفر که از گازهاي C3H8 و SiH4 به عنوان منبع و از گاز هيروژن به عنوان حامل استفاده شده است. بعد از رشد لايه 3C-Si که داراي ناخالصي نيترئژن است لايه پلي سيليکان روي آن لايه نشاني(deposite) ميشود و بروش ترمال اکسيدي به ضخامت 1 ميکرومتر روي لايه SiC تشکيل ميگردد. سپس اکسيداسيون در طرف ديگر ويفر به ضخامت 5/0 ميکرومتر انجام ميگيرد و به اين ترتيب هر دو طرف ويفر اکسيد ميشود و بعد polishing انجام ميشود. براي فائق آمدن بر mismatch termal بين 3C-SiC و Si بعد از رشد SiC ضخامت ويفر با etching و polishing به 250 ميکرو کاهش مي يابد و ويفر براي bonding آماده ميشود. بعد از پاکسازي شيميايي SiO2 ويفر به ويفر اصلي bond مي شود که در طي مراحل قبل در خلا نگه داشته ميشد. در اين مرحله bonding در دماي 1100 درجه به مدت 1 ساعت انجام ميگيرد (شکل a 6-2) دوباره لايه برداري بوسيله محلول KOH انجام ميگيرد و حال لايه 3C-SiC/SiO2/Si براي درست کردن سنسور فشار بکار گرفته مي شود. سپس مراحل متال گذاري Al و pad ها اتفاق مي افتد بطوريکه پل وتستون مورد نياز براي اتصال مقاومتها بدست مي آيد(شکل b 6-2) و در مرحله بعد لايه برداري براي بدست آوردن ضخامت ديافراگم مورد نظر انجام ميپذيرد.(شکل c ،6-2)
شکل 6- 2 : مراحل ساخت سنسور فشار مقاومتي a)بعد ازويفرbonding b) بعد از متال گذاري c) درست کردن ديافراگم [11]
در اشکال 7و8-2 نتايج شبيه سازي اين سنسور با ديافراگمي به ابعاد 1*1 ميليمتر ارائه شده است. شکل 7 نتايج حاصل در دماي اتاق ميباشد و بخوبي نشاندهنده تاثير تغييرات دما به سنسور ميباشد که باعث غير خطي شدن آن گرديده است. منبع ولتاژ بکار رفته (supply ) بکار رفته 10 ولت ميباشد و به ازاي تغيير فشار از 0 تا 70 psi مقدار ولتاژ خروجي 80 ميلي ولت تغيير کرده است. هرقدر دما افزايش مي يابد رابطه بين فشار و ولتاژ خطي تر ميگردد.(شکل 8-2)
شکل 7-2 : نمودار فشار و ولتاژ در دماي اتاق

شکل 8-2 : نمودار فشار و ولتاژ خروجي در دماهاي مختلف[11]
6-2 سنسورهاي فشار خازني
اساس سنسورهاي فشار خازني بر اين پايه استوار است که فشار به ديافراگم وارد گشته و آن نيز سبب حرکت الکترود متحرک خازن ميشود و مقدار خازن تغيير ميکند يا بر اثر ميدانهاي fringing است که باعث ايجاد ظرفيت خازني ميگردد سپس مدار CMOS تعبيه شده مقدار خازن را تشخيص ميدهد. حال اگر دو الکترود داشته باشيم در مورد خازن ايجا شده بين آنها داريم:
(2-3)
در فرمول (3-2)، و ضرايب گذردهي ماده و خلا و A مساحت بين دو الکترود و x فاضله بين دو الکترود ميباشد. در شکل (9-2) اساس ساده عملکرد سنسورهاي خازني نشان داده شده است. اگر فشار بيرون متفاوت از درون سنسور باشد باعث حرکت ديافراگم شده و در نتيجه خازن بين الکترودها تغيير خواهد کرد.
شکل 9 – 2 : ساختار ساده اي از يک سنسور خازني[9]
همانطور که ميدانيم يکي اژ اين الکترودها ساکن بوده و الکترود ديگي متحرک ميباشد. اگر ساختار طوري باشد که الکترود متحرک در همان صفخه اي که قرار گرفته حرکت کند به عبارت ديگر مساحت موثر بين دو الکترود تغيير نمايد(همانند شکل 10-2)، و دو الکترود را به يک باتري با ولتاژ V وصل کنيم داريم:
شکل 10-2 : نيروي ايجاد شده بين الکترودهاي خازن بعد از اعمال ولتاژ
حال اگر فاصله دو الکترود را d و طول ناحيه overlap را y در نظر بگيريم و b عرض آنها باشد در اينصورت خازن به صورت فرمول (4-2) بدست مي آيد:
(2-4)
اگر E0 انرژي باتري قبل از وصل شدن به خازن باشد بعد از اتصال مقدار بار ذخيره شده در خازن به صورت زير ميباشد:
(2-5)
پس در مورد انرژي ذخيره شده در خازن داريم:
(2-6)
با شارژ خازن انرژي باتري به مقدار زير تقليل ميابد:
(2-7)
پس کل انرژي سيستم عبارت است از :
(2-8)
بنابراين نيروي وارده بر الکترود متحرک بابر است با
(2-9)
فشاربا توجه به حرکت ديافرگم به صورت خطي تغيير نخواهد کرد و مقدار خازن نيز بسيار ناچيز تغيير ظرفيت خواهد داد پس بايد يک مدار وجود داشته باشد تا بتوانيم تغييرات را تشخيص دهيم. اما در عوض دقت وحساسيت و استقامت و قابليت مجتمع شدن آنها با مدارات پرازشگر الکترونيکي و کاهش قيمت و نويز و توان مصرفي اينوع سنسورها نسبت به مقاومتي و …. قابل توجه است.
1-6-2 متدي براي بدست آوردن حساسيت بالا در سنسور فشار[9]:
در بعضي از موارد بدست آوردن حساسيت بالا در سنسور نياز است. کاهش ضخامت ديافراگم يکي از راههاي معمول و ساده براي افزايش حساسيت ميباشد و يا افزايش ولتاژ باياس که اين خود باعث افزايش نويز نيز ميگردد. در سال 2008 ساختاري براي اين منظور پيشنهاد شد. ساختار دوحلقه اي براي الکترودها قادر است هم مقدار خازن را دو برابر کرده و هم سطح موثر بين دو الکترود را بدست آوردن حساسيت بالا ميتواند مورد استفاده قرار بگيرد.در ساختار دو حلقه اي نيز ما ميتوانيم از ديافراگم دايره اي و مربعي استفاده کنيم. شکل 11-2 از سه نماي مختلف يک نمونه از اينوع سنسور درست شده را نشان مي دهد.
شکل 11-2 : ساختار دو حلقه اي سنسور فشار براي دو برابر کردن خازن و سطح موثر (a) نما از بالا(b) نما از پايين (c) کل چيپ [9]
دو حلقه استفاده شده به هم متصلند. اگر به فرض C0 خازن ايجاد شده بوسيله حلقه بيروني و cx خازن ايجاد شده بوسيله حلقه مرکزي ميباشد. تغييرات خازن ناشي از اعمال فشار را ميتوان از طريق فرمول 10-2 پيدا کرد:
(2-10)
w(x, y) معادله حرکت ديافرگم در دو جهت ميباشدوd فاصله بين دو الکترود را بيان ميکند و ? ضريب دي الکتريک است.
حساسيت را نيز ميتوان با استفاده از رابطه 11-2 بدست آورد[9]:
(2-11)
که اين فرمول هم براي ساختار 2 حلقه اي و هم براي براي تک حلقه اي استفاده ميشود . در هر دو ساختار C0 به ازاي تغييرات فشار تغيير ميکند پس dC0/dP موجود است در غير اينصورت صفر ميباشد.
نتايج بدست آمده از شبيه سازي اين سنسور در نمودارهاي شکل 12-2 آمده است:
شکل 12 – 2 : نتايج شبيه سازي سنسور فشار خازني [9]
همانگونه که از نمودارهاي ارائه شده بر مي آيد(شکل 12-2) رنج اندازه گيري فشار از 10 الي 60 psi بوده است که به ازاي اين رنج فشار ميزان تغييرات خازن از 4/17 پيکو فاراد الي 2/18 پيکوفاراد ميباشد. ولتاژ supply 5 ولت ميباشد. به علت اينکه از دو حلقه تشکيل شده است پس فقط سايز حلقه ها با توجه به جدول 2-2 تقريباً 2/1 ميليمتر ميباشد.

مشخصات سنسور مطرح شده در جدول 2-2 خلاصه شده است:
جدول 2-2 : جدول مشخصات سنسور فشار پيزورزيستيو دو حلقه اي
سنسور هاي فشار انواع ديگري از جمله سنسور فشار رزونانسي واپتيکي و ….. نيز دارند که بر حسب کابرد و رنج اندازه گيري و دقت لازم براي سنسور از آنها نيز استفاده ميکنند. از سنسورهاي رزونانسي براي استحکامهاي خيلي بالا و دقت اندازه گيري بسيار بالاو رزولوشن بالا وحساسيت زياد استفاده ميشود. Strain حاصل از اعمال فشار باعث ايجاد شيفت در فرکانس رزونانس بيم ميگردد. لرزش بيم توسط پيزو رزيستيو که در انتهاي بيم قرار داده شده است تشخيص داده ميشود. هنگامي که فشار به پشت ديافراگم وارد ميشود، ديافراگم با نسبت مستقيم نسبت به اختلاف فشار در دو طرف ديافرگم دچار تغيير شکل گرديده و فرکنس رزونانس بيم را تغيير ميدهد.(شکل13-2)
شکل 13-2 : برش عرضي از يک سنسور فشار رزونانسي
7-2 چگونگي اندازه گيري خروجي يک سنسور فشار خازني (Capacitance Read-Out Circuit)
1-7-2 تبديل خازن به فرکانس[4,35]
در سنسورهاي فشار از نوع خازني، تغييرات خازني بنا به اعمال فشار ميتواند با استفاده از مداري که خازن را به فرکانس تبديل ميکند (مانند astable multivibrator circuit ) اندازه گيري نمايد . شماتيک اين مدار در شکل 14-2 آمده است:
شکل 14 – 2 : مدار تبديل خازن به فرکانس
فرکانس مدار بالا با استفاده از فرمول 12-2 قابل محاسبه ميباشد: (2-12)
براي ثابت زماني مدار نيز داريم: (2-13)
2-7-2 تبديل تغييرات خازني به ولتاژ [23,28,29,30, 37]
تغييرات خازن در اثر اعمال فشار را ميتوان به وسيله مداري که تغييرات را تبديل به ولتاژ ميکند اندازه گيري نمود. شکل 15-2 مدار موجود در چيپ MS 3110 Universal Capacitive Read out Chip ميباشد که هم در حالت ديفرانسيلي و هم در حالت single مورد استفاده قرار ميگيرد که در حالت دوم ، خازن محاسبه شده اختلاف ميان خازن سنسور و خازن مرجع در داخل مدار است که به صورت ولتاژ ميباشد به عبارت ديگر اين چيپ تغييرات خازني را به تغييرات ولتاژ تبديل کرده تا ديتاي سنسور براي پردازشها و کاربردهاي بعدي مورد استفاده قرار بگيرد:
شکل15 – 2 : شماتيکي از جگونگي تبديل تغييرات خازن به ولتاژ
(2-14)
گاهي اين تغييرات خازني بقدري کوچک ميباشند که بايد مداريکه تغييرات در حدود چند فمتو فاراد را تشخيص ميدهند بکار برد که در فصل بعدي خواهد آمد.
8-2 سنسورهاي دما[13, 15,17,19, 26]

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

انواع سنسورهاي دما با تکنولوژيهاي مختلفي ساخته شده و به بازار کار با کارايي هاي مختلف متناسب با نياز عرضه گشته است که سه نوع معمول ساخت آن عبارتند از : سنسور دماي مقاومتي RTD (Resistance Temperature Detector) و Thermistor و ترموکوپل( Thermocouple)
1-8-2 سنسور دماي مقاومتي(Resistive Temperature Microsensors )
در تکنولوژي ميکروماشين ميتوان تغييرات دما را با پيزورزيستيو اندازه گيري نمود. همانطور که آشکار است مقاومت در دماهاي گوناگون متغيرند از اين خاصيت استفاده کرده و ميزان تغييرات دما را ميتوان بدست آورد. خروجي را ميتوان به صورت ولتاژ استخراج کرد لازم به ذکر است اين روش بسيار ساده و پاسخ، خاصيت بسيار خطي دارد بنابراين اندازه گيري تغييرات هم ساده خواهد بود. فرمول 15-2 اين موضوع را واضحتر بيان ميکند.
(2-15)
همانطور که مشاهده ميشود مقاومت با توان دوم دما تغيير مينمايد. R0 و P0 بيان کننده مقاومت اوليه ماده حسگر دما و ماده زمينه يا bulk ميباشند. ?و? نيز ضريبهاي دمايي هستند.
اينوع سنسورها ميتوانند رنج بالايي از دما را اندازه گيري کنند (در حدود 150- درجه تا 130 درجه سانتيگراد).از متالهاي استفاده شده در اين روش ميتوان به آهن ، مس ، پلاتنيم و نيکل اشاره کرد. همانطور که اشاره گرديد از مزيت هاي استفاده از اين سنسورها پايدار بودن آنها Stable و دقت بسيار بالا و بسيار خطي بودن آنهاست .
جدول 2-2 نشان دهنده مقادير بدست آمده از مقايسه سه روش معمول براي اندازه گيري دما ميباشد تا با استفاده از ديتاي بدست آمده بتوان آنها را از نظر دقه و همچنين از نظر خطي بودن تغييرات با هم مقايسه کرد. RTD مخفف Resistance Temperature Detector مي باشد.
Temperature Thermocouple RTD Thermistor (degrees Celsius) (mille-Volts) (ohms) (kilo-ohms) 19 -0.10 108.00 105.60 20 -0.10 108.40 99.80 21 0.00 108.70 94.20 22 0.00 109.00 88.20 23 0.00 109.50 83.80 24 0.10 110.00 79.70 25 0.10 110.40 75.90 26 0.10 110.90 73.30 27 0.20 111.30 70.00 28 0.20 111.50 68.40 29 0.30 112.00 63.40 30 0.40 112.90 60.50 32 0.50 113.20 54.80 34 0.70 114.10 49.20 36 0.70 114.80 45.50
جدول 3 – 2 : مقايسه سه روش اندازه گيري دما[26]
با توجه به ديتاي بدست آمده از جدول 3-2 ميتوانيم نمودار تغييرات اين سه روش را رسم کنيم تا مقايسه براحتي صورت گيرد.
شکل 16 – 2 : مقايسه نموداري سه روش اندازه گيري دما[26]
با مقايسه نمودارهاي رسم شده براي سه روش اندازه گيري دما در شکل 16-2 کاملاً پيداست که اندازه گيري دما به روشهاي مقاومتي راحتتر است و تابع بيانگر رابطه بين تغييرات براحتي بدست آمده و با مدار وتستون براحتي سنجش ميشود.
9-2 طرحي ساده براي چندگانه کردن سنسورها[12,17,19,21,24]


دیدگاهتان را بنویسید