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 ۱-۱۸نشان داده شده است.این میکروساختارسه بعدی مخصوصاً برای وسایل ریزاپتیکی بدون نیازبه تماس پیداکردن باتوان خروجی مفیدهستند.
| شکل (۱-۱۸) مثالی ازمیکروماشینکاری سطحی اصلاح شده |
۱-۶-۳روش 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 آنودی[۳۹]
-
- چسباندن لایه واسطهکمکی[۴۰]
-
- چسباندن مستقیم[۴۱]
۱-۷پایداری 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.
۱-۸مزایا 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 جمع آوری 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 دستگاه ها 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 (۱-۱۹) نشان داده شده است استوارند، از جمله میکروفون‌ها، میکرومحرک‌های دنده شانه ای[۴۲]، میکروسنسورهای رزونانسی و میکروسوئیچهای با فرکانس رادیویی.
شکل ۱-۱۹: دیاگرام شماتیکی از ایجاد نیروی الکترواستاتیکی
در دهه 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 آسیستان[۴۳] بسیار رشد کرده است که در بیشتر آن ها 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 میکروموتور[۴۴]و میکرومحرک دنده شانه ای اشاره کرد کهدر شکل(۱-۲۰) ، عکس‌های میکروسکوپی از این دو میکرومحرک الکترواستاتیکی نشان داده شده است.
الف
ب
شکل ۱-۲۰: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 مشخصه های تعداد زیادی از یک محصول
-
- دقت چیدمانی چند سنسور بر روی یک مدار
-
- کاهش فرسودگی و پایداری مشخصه ها در زمان بیشتر
فصل دوم
پیشینه تحقیق
۲-۱مروری 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 ۱۹۵۹، موسسه صنعتی کالیفرنیا برای اولین بار تکنیک ساخت مینیاتوری و کوچک را برای میکروماشینها ابداع کرد.یک دهه بعد، در سال ۱۹۶۹، وستینگ هاوس[۴۵] یک فیلتر رزونانسی بر پایه روش جدید ساخت میکروالکترونیکی ایجاد کرد.در سال ۱۹۷۴، National Semiconductor به عنوان اولین کمپانی در ساخت سنسورهای فشار در حجم بالا شروع به کار کرد.در دهه ۱۹۷۰، اولین سنسورهای فشار با بهره گرفتن از ویفر سیلیکونی ساخته شدند.در دهه ۱۹۸۰، 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 ۱۹۸۰ منتشر شد.کلمه MEMS در سال ۱۹۸۷ ایجاد و مورد استفاده قرار گرفت.در دهه ۱۹۹۰ گامی فراتر در زمینه اولین سازه های سه بعدی در [۴۶]UCLA برداشته شد.
