دانلود مقاله سنسور

پهنای باند، سطح نویز، حساسیت محوری، drift، خطی بودن، محدوده دینامیک، قابلیت ابقا شوک و مصرف توان   می باشد. فرکانس رزونانس نیز مهم است زیرا محدوده مفید فرکانس بالای سنسور معمولاً کسری از فرکانس رزونانس  است، در حالی که حساسیت و جابجایی به ازای هر g شتاب را تعیین می کند.

به طوری که :

dg : جابجایی به ازای هر g

M و  Ksp: جرم و ثابت فنر قطعه

g :  9.8

Wo : فرکانس رزونانس زاویه ای

عموماً جابجایی عنصر حسگر بخش ضروری فرآیند حس کردن می باشد و dg بخش بهره حلقه باز سنسور است، بنابراین منجر به رابطه شدیداً معکوس بین حساسیت و پهنای باند برای هر کلاسی از سنسورها می شود.

نویز در شتاب سنج ها مشکلاتی بوجود می آورد. برای خود سنسور، برای خروجی الکترونیکی اش، برای damping مکانیکی و همه مقاومت های الکتریکی، سنسورهای MEMS خیلی کوچک هستند بنابراین نویز جانسون مقاومتهای مکانیکی باید در نظر گرفته شوند، در حالی که در سنسورهای بزرگتر این مشکل وجود ندارد.

تنها یک باکتری یا گرده خاک می تواند نیروی بزرگی را روی اجزا MEMS ایجاد کند. نیروی Brownian عبارتست از :

 F B =

که باعث حرکت Brownian می شود ( X B ) :

 = X B

در حالی که :

D = ضریب Damping جرم مرجع که به وسیله ثابت فنر تأمین می شود. پاسخ به شتابی که حرکت یکسانی را تولید  می کند، X B  :

Q

W0 =

g =

نویز شتابی معادل Brownian را می دهد.

g n,B

از معادله بالا می بینیم که یک جرم بزرگ و Q بزرگ (damping  کم ) در به دست آوردن سطح نویز کم کمک می کند. برای دستیابی به جرم بزرگی در یک سنسور میکروماشین شده نوعاً به یک ویفری که یک جرم مرجع ضخیمی بیرون آن تراشیده شده است، نیاز است. برای نویز خیلی کم، ثابت damping باید وسیله معلق کردن جرم مرجع در یک خلا از فنرهای الاستیک خالص کاهش یابد. فیدبک از دور زدن در حوالی فرکانس رزونانس جلوگیری می کند.

میکرو سنسور شتاب

میکرو شتاب سنج ها یکی دیگر از ادوات مهم MEMS هستند. همه سنسورهای شتاب دارای یک جسم سنگین هستند که تقریباً معلق است و از یک یا چند طرف با میله هایی به یک قاب وصل شده است. تحت تأثیر شتاب، اینرسی جسم باعث می شود که نیرویی به آن وارد شود و کمی جابجا شود. شتاب با خواندن تنش وارده شده به میله ها که روی آنها piezo-resistor ها هستند، اندازه گیری می شود، اولین میکرو شتاب سنج ها 1970 ساخته شدند و از همان آغاز برای اندازه گیری استرس وارد شده به پایه های جسم معلق، از مقاومت پیزو استفاده شد. برای جلوگیری از انحراف بیش از حد جسم معلق می توان صفحات محفظه را با فاصله کمی از جسم ساخت یا این که جسم معلق را در محفظه ای پر از روغن قرار داد.

شتاب سنج ها دو دسته هستند. یک دسته حساسیت کمی دارند و شتاب های زیاد را اندازه می گیرند. از این شتاب  سنج ها در سیتم ترمز ( Antilok Brake System )، سیستم تعلیق                                                        ( Automatic Balance Control ) و سیستم کیسه هوایی خودروها می توان استفاده کرد. نوع دیگر حساسیت زیادی دارند و می توان از آنها در ربات ها، سیستم هدایت اتومبیل و نیز ناوبری هواپیما و فضا پیما و        زیر دریایی ها استفاده کرد. لازم به ذکر است که هر شتاب سنج، شتاب را فقط در یک جهت اندازه می گیرد و برای اندازه گیری شتاب در دستگاه مختصات سه بعدی باید از سه شتاب سنج عمود بر هم استفاده کرد.

علاوه بر شتاب سنج های ساخته شده با میکروماشینینگ توده ای که در دهه 1980 به بازار آمدند                            ( از طرف IC Sensor, Lucas Nova Sensor )، شتاب سنج های ساخته شده با میکروماشینینگ سطحی نیز اخیراً برای کاربرد سیستم کیسه هوایی خودروها وارده بازار شده اند.                                                              ( ADXL50 از Analog Devices، MMAS40G از Motorolla ) سیستم باز کردن کیسه هوایی، یکی از کاربردهای نسبتاً جدید میکرو شتاب سنج ها ست. در این سیستم ها هنگامی که خودرو، شتاب منفی زیادی پیدا می کند، به کیسه هوایی فرمان باز شدن داده می شود. سنسورهای بکار رفته در این سیستم ها باید دارای اندازه کوچک، کیفیت بالا و قیمیت کم باشند. قیمت هر یک از این سنسورها در سال 97 حدود 4 دلار بوده که در سال 2000 به 2 دلار رسید.

این نسل های جدید شتاب سنج ها برای کارایی بیشتر، شامل یک مدار مجتمع پیچیده نیز هستند. سنسورهای بر مبنای اینرسی شامل سنسورهای شتاب و ژیروسکوپ های ناوبری در سال 2000 بازاری حدود 7/2 میلیارد دلار داشتند.

3 – 2 – 1 – سنسور شتاب مبتنی بر مقاومت پیزو

طرز کار این سنسورها قبلاً توضیح داده شد و ساختار و روش ساخت آن نیز شبیه سنسورهای فشار مبتنی بر مقاومت پیزو است. طرح ساده یک نمونه آن که دارای 4 پایه است در شکل زیر دیده می شود.

3- 2 – 2 – سنسور شتاب خازنی

طرز کار و ساختار این سنسور ها شبیه فشار سنج های خازنی است. به این ترتیب که یکی از صفحات خازن در نقش جسم معلق است و در اثر شتاب، حرکت می کند. در شکل زیر، یک نمونه از این سنسورها دیده می شود که دارای توانایی تفکیک ( Resolution ) 1µg در فرکانس 1HZ است و برای ناوبری بکار می رود.

موتورلا نیز یک سنسور شتاب خازنی ساخته است که محدوده عمل آن تا 50g و حساسیت آن  40mv/g در محدوده فرکانس 0.6Hz – 1KHz است. این شتاب سنج برای کاربرد در سیستم کیسه هوایی طراحی شده است.

این سنسورها با هر دو فرآیند میکروماشینینگ توده ای و سطحی قابل ساخت هستند. البته با فرآیند دوم اندازه آن کوچکتر می شود و مدار جانبی نیز به طور یکپارچه روی آن قابل ساخت است. در حالی که در میکرو شتاب سنج خازنی که با فرآیند میکروماشینینگ توده ای ساخته شده، مدار روی یک چیپ دیگر ساخته شده و با چیپ سنسور بسته در یک بسته ( Package ) قرار می گیرد.

در شکل زیر یک نمونه از سنسور شتاب خازنی مشاهده می شود که به شکل مناسبی برای حفاظت در مقابل شتاب زیاد و جابجایی بیش از حد جسم معلق طراحی شده است.

3 – 2 – 3 – سنسور شتاب تشدیدی

در این سنسور از خاصیت تغییر فرکانس تشدید یک جسم تقریباً معلق بر اثر استرس برای اندازه گیری شتاب استفاده می شود. معمولاً برای اندازه گیری تغییر فرکانس، از حالت خازنی استفاده می شود نه مقاومت پیزو.

در ساخت این سنسورها نیز ایده های مختلفی وجود دارد. از جمله این که دو نوسانگر مکانیکی باشند که بر اثر شتاب فقط فرکانس یکی از آنها تغییر کند. مثلاً به یکی از آنها وزنه ای وصل با شد. در این حالت با اندازه گیری اختلاف فرکانس تشدید آنها می توان مقدار شتاب را تعیین کرد. شتاب در جهت های دیگر نیز، از آنجا که بر هر دوی آنها تاثیر یکسان می گذارد، در اختلاف فرکانس آنها  تأثیر نمی گذارند. General Motors سنسوری از این نوع ساخته که حساسیتش 160Hz/g است.

3 – 2 – 4 – سنسور شتاب تونلی

در این سنسورها از پدیده تونل زنی الکترون ها بین دو جسم نزدیک به هم و وابستگی مقدار آن به فاصله هر دو جسم، استفاده شده است. این سنسورها حساسیت خیلی بالایی دارند و در فرکانس های تا چند کیلو هرتز هم می توانند کار کنند. پدیده تونل زنی بین یک جسم معلق خیلی کوچک و تیز است که با طلا پوشانده شده است. از آنجا که پدیده تونل زنی در محدوده خیلی کوچک و محدودی رخ می دهد، بهتر است سنسور را در یک سیستم فیدبک دار قرار داد که سعی کند فاصله بین دو الکترود را ثابت نگه دارد. مقدار نیروی لازم برای ثابت نگه داشتن جسم معلق نشان دهنده مقدار شتاب است. اعمال نیرو به جسم معلق را می توان توسط یک محرک پیزو الکتریک انجام داد.

3 – 2 – 5 – شتاب سنج پیزو الکتریک

می دانیم که مواد پیزو الکتریکی در اثر خمیدگی و تغییر شکل، یک ولتاژ کوچک تولید می کنند. همان طور که در شکل 3 – 10 مشاهده می شود با چسباندن دو جسم پیزو الکتریک به یکدیگر که در جهت عکس هم ولتاژ تولید میکنند. می توان یک سنسور شتاب ساخت که سیگنال خروجی آن دو برابر شده است، با وارد شدن شتاب به جسم، بدنه آن خم می شود و یک سیگنال کوچک ( که دو برابر هم شده ) تولید می شود. البته این سیگنال باید تقویت و فیلتر شود

3 – 3 سنسور سرعت زاویه ای ( ژیروسکوپ )

ژیروسکوپ سنسوری است که سرعت یا مقدار تغییر زاویه را اندازه می گیرد. بر خلاف تصور، میکروژیروسکوپ ها معمولاً از قسمت چرخان که نیازمند یاتاقان است استفاده نمی کنند. به همین دلیل می توان به آسانی آنها را در     اندازه های بسیار کوچک و به صورت پشته ای ساخت.

میکروژیروسکوپ ها معمولاً بر اساس انتقال انرژی بین دو مد ارتعاشی یک ساختار کار می کنند. این انتقال انرژی به خاطر شتاب کوریولیس انجام می شود.

شتاب کوریولیس به نام دانشمند و مهندس فرانسوی G.G de Coriolis به شتابی اطلاق می شود که به قاب مرجع در حال چرخش یک سیستم وارد می شود و مقدار آن متناسب با سرعت چرخش است. برای فهم بهتر اثر کوریولیس، طبق شکل زیر یک ذره را تصور کنید که با سرعت V در فضا در حال حرکت است. ناظر روی محور X از دستگاه مختصات xyz نشسته است. اگر دستگاه مختصات با سرعت زاویه ای Ω دور محور z شروع به چرخش کند، ناظر تصور می کند که ذره را عوض کرده و با شتاب Ω ×2v به طرف محور x می آید. این پدیده مبنای کار تقریباً همه ساختارهای ژیروسکوپ ارتعاشی است.

(تصاویر در فایل اصلی موجود است)

در سمت راست شکل 3 – 11 یک ساختار کلاسیک ژیروسکوپ ارتعاشی، مشاهده می شود. طرز کار آن به این صورت است که ابتدا، میله های فوقانی که یک سرشان آزاد است با دامنه و فرکانس برابر به ارتعاش در می آیند. وقتی که سیستم می چرخد، نیروی کوریولیس سینوسی به شکل تفاضلی و در جهت های عمود بر ارتعاش اصلی به آنها وارد   می شود. با اندازه گیری دامنه این تفاضل ارتعاش ها می توان مقدار نیروی کوریولیس و از روی آن نیز، مقدار سرعت زاویه ای را بدست آورد. ایجاد ارتعاش می تواند به صورت الکترواستاتیکی، الکترومغنا طیسی یا پیزو الکتریک باشد. اندازه گیری ارتعاش انجام شده بر اثر نیروی کوریولیس را نیز می توان به صورت خازنی، پیزوالکتریک یا با مقاومت پیزو انجام داد. البته آشکار سازی ارتعاش را به صورت نوری نیز می توان انجام داد که خیلی گران است.

در جدول زیر مشخصات سه دسته از ژیروسکوپ ها مشاهده می شوند. هر کدام از آنها در موقعیت خاصی به کار     می روند. یک پارامتر خیلی مهم در ژیروسکوپ مقدار حساسیت آن نسبت به حرکت خطی ( و نه دورانی ) است.

معروف ترین نوع ژیروسکوپ که در دانشگاه میشیگان ساخته شده است، در شکل زیر مشاهده می شود.

(تصاویر در فایل اصلی موجود است)

شکل 3 – 13

این ژیروسکوپ شامل یک حلقه سیلیکونی، 8 فنر به شکل نیم دایره که در محور به هم متصلند و تعدادی الکترود در اطرافش است. این الکترودها برای ایجاد و حس کردن ارتعاش به حلقه به کار می روند. روش کار به این صورت است که ابتدا الکترودها با دامنه خاصی حلقه را به ارتعاش در می آورند. در اثر چرخش حلقه، یک نیروی کوریولیس با زاویه 45 درجه نسبت به ارتعاش اولیه، به حلقه وارد می شود که آن را در همان راستا به ارتعاش در می آورد، الکترودهای حسگر این تغییر در کل دامنه ارتعاش حلقه را به صورت خازنی اندازه می گیرند و به این صورت، نیروی کوریولیس و به تبع آن سرعت زاویه ای تعیین می شود. این ساختار، مزایایی نسبت به ژیروسکوپهای دیگر دارد. از جمله این که به خاطر متقارن بودن حلقه، وجود حرکت خطی در راستاهای گوناگون، اثری بر مقدار سرعت زاویه ای اندازه گیری شده ندارد. این وسیله دارای قدرت تفکیک  در پهنای باند 25HZ است. خطی بودن آن نیز در محدوده  بهتر از 0.2% است.

3 – 4 – سنسور گاز ما سفت میکروماشین شده

در این جا طراحی، ساخت و پرداخت اولین سنسور گاز ما سفت، که توان کمی مصرف می کند، شرح داده می شود. این سنسور گاز با استفاده از میکروماشینینگ توده ای Anisotropic سیلیکون ساخته می شود. یک مقاومت گرماده یک دیود که به عنوان سنسور حرارت استفاده شده و چهار ماسفت در یک ناحیه معلق به وسیله یک غشای دی الکتریک قرار دارند. غشاء ( Membrane ) دارای ضریب هدایت حرارتی پائین می باشد، بنابراین از نظر حرارتی اجزاء الکترونیکی را از بدنه چیپ جدا می سازد. این قطعه حرارت پائین مصرف توان را به مقداری در حدود 90mw برای آرایه ای از چهار ماسفت در دمای کاری 170ºC کاهش می دهد. سه تا از این ماسفت ها، گیت های پوشیده شده با فلزات catalytic نازک دارند و به عنوان سنسورهای گاز به کار می روند. ما سفت چهارمی گیت استاندارد پوشیده شده با نیترید دارد و می تواند به عنوان یک مرجع عمل کند، سنسور تحت محیط های گازی مختلف آزمایش شده و حساسیت گازی خوبی نسبت به هیدروژن و آمونیاک نشان داده است. این سنسور گاز که دارای آرایه ای از         ماسفت های کم مصرف است برای کاربرد در ابزارهای حسگر گاز قابل حمل، بینی های الکترونیکی و اتومبیل ها متناسب می باشد. بر روی قطعات حساس به گاز اثر میدانی ( Gas FETS ) در حدود 25 سال مطالعاتی انجام شده است. تعویض گیت ماسفت با موادی که خصوصیات ،Catalytic (… Ir, Pt, Pd ) دارند، اجازه آشکار سازی چندین قطعه گاز مثل هیدروژن،آمونیاک،مونوکسید کربن و الکل را می دهد.در طول سال ها، نشان داده شده است که این قطعات برای  کاربردهایی نظیر نشان دهنده های هیدرو‍‍‍ژن و آشکار سازی نشتی و در بینی های الکترونیکی مناسب هستند. ابزارهای قابل حمل اتومبیل ها وسایلی هستند که در آنها قطعات کم مصرف و کم هزینه مورد نیاز می باشند. در طی دهه گذشته، کوششهای بسیاری در زمینه سنسور گاز، برای کاهش مصرف توان سنسورهای اکسید فلزی انجام شده است. ترکیب میکروماشینینگ سیلیکون با تکنولوژی لایه نازک برای ساخت سطوح میکرونی که عایق حرارتی خوبی هستند استفاده شده است. اخیراً بعضی از گروه های تحقیقاتی روی اجزای الکترونیکی عایق حرارتی که روی پوسته ها ساخته می شوند و از میکروماشینینگ سیلیکون و تکنولوژیهای CMOS استفاده می کنند، کار کرده اند. امّا هیچ کدام از آنها گزارشی در زمینه سنسورهای گازی ماسفت ارائه نداده اند. در این نوع سنسورها، عایق گیت باید بعد از پردازش اجزا الکترونیکی، بدون حفاظت باقی بماند سپس یک لایه نازک حساس به گاز، نظیر فلز Catalytic یا یک اکسید فلزی یا یک پلیمر بالای عایق برای تشکیل گیت ترانزیستور لایه نشانی می شود. سنسورهای گاز ما سفت معمولاً در دمای بالای  100ºC و در محدوده 175ºC - 200ºC بسته به استفاده از روش سیلیکون استاندارد کار می کنند. مصرف توان یک سنسور توده ای با استفاده از پردازش سیلیکون استاندارد در حدود 0.5 – 1.0 w  نشان داده شده است.

آرایه های FET گازی کم توان مدهای کاری جدیدی را برای این نوع از قطعات حس گر گاز به ارمغان می آورند و این تکنولوژی را با محصولات دیگر در بازار قابل رقابت می کنند.