وبلاگ

جدول ۴-۱ پارامترهای فیزیکی ساختار ممزی سنسور خازنی فشار چشم

۴-۲-۱ اثر پارامترهای طراحی بر روی رفتار استاتیکی و دینامیکی سنسور فشار چشم
متغیرهای اصلی طراحی شامل استرس، σ ، اندازه دیافراگم، a ، ضخامت دیافراگم، h ، ضخامت شکاف هوایی، d و ولتاژ بایاس می‌باشد. استرس عامل مهم در مدل سازی و شبیه سازی سنسور فشار چشم است. ساختار خازنی مدل شده دارای طول دیافراگم μm550μm × ۵۵۰، ضخامت μm 4 و شکاف هوایی μm 5/1 می‌باشد.
۴-۲-۲ بررسی ولتاژ پولین برای ساختار دیافراگم مربعی

هنگامی که ولتاژ اعمالی به ساختار خازنی سنسور از یک حد مشخص بیشتر شود، پولین اتفاق می‌افتد و دیافراگم به الکترود زیرین می چسبد. نیروی الکترواستاتیک موجب می‌شود تا دیافراگم به سمت الکترود زیرین حرکت کند. افزایش جابجایی موجب کاهش اندازه شکاف هوایی و افزایش نیروی الکترواستاتیک می‌شود. در فاصله تقریبا  شکاف هوایی پولین اتفاق می‌افتد. نتایج حاصل از آنالیز المان محدود برای جابجایی دیافراگم به ازای ولتاژهای بایاس متفاوت در شکل ۴-۱۸ نشان داده شده است. این منحنی بطور طبیعی به چهار ناحیه تقسیم می‌شود. در ناحیه اول خطی به ازای بایاس های کوچک ولتاژ، نیروی الکترواستاتیک در مقایسه با فشار اعمال شده قابل توجه نیست. در ولتاژ میانی این اثر بیشتر خواهد شد. در نواحی نزدیک به ولتاژ سقوط، این اثر قابل توجه خواهد شد و ساختار غیر پایدار پیدا می‌کند و در نهایت در نواحی بالاتر از ولتاژ پولین، ساختار سقوط می‌کند. با در نظر گرفتن نواحی فوق، ناحیه کاری برای ساختار خازنی، در قسمت خطی انتخاب می‌شود. در شبیه سازی های بکار رفته ولتاژ بایاس اعمال شده به ساختار ۴% ولتاژ پولین می‌باشد. مطابق با شکل ۴-۱۸ نتایج حاصل از شبیه سازی ولتاژ پولین در ۵۳ ولت اتفاق می‌افتد.

شکل ۴-۱۸ منحنی جابجایی بر حسب ولتاژ بایاس
شکل ۴-۱۹ نتایج آنالیز المان محدود دیافراگم سقوط یافته را نشان می‌دهد. شکل ۴-۲۰ جابجایی دیافراگم در راستای محور z را بر حسب تعداد تکرار شبیه ساز نشان می‌دهد. همگرایی با دقت ۰۱/۰ میکرون بعد از ۱۲مرتبه تکرار اتفاق می‌افتد.

شکل ۴-۱۹ سقوط دیافراگم p++si در اثر پدیده پولین
شکل ۴-۲۰ جابجایی دیافراگم در محور راستای z
شکل ۴-۲۱ منحنی جابجایی بر حسب فشار را نشان می‌دهد. همانطور که از شکل مشخص است در رنج فشار اعمال شده، جابجایی مرکز دیافراگم با افزایش فشار زیاد می‌شود. حساسیت مکانیکی دیافراگم، S_m ، از جابجایی مرکزی دیافراگم، w_c و فشار اعمال شده به دیافراگم، P، بدست می‌آید S_m=w_c/P. مطابق با شکل حساسیت مکانیکی برای دیافراگم p++si معادل m/Pa ^۱۱-۱۰×۲۴/۶ می‌باشد. این در حالیست که مقدار حساسیت مکانیکی دیافراگم طبق معادله (۳-۱۲)
m/Pa ^۱۱-۱۰×۲/۶ بدست آمده است. همانطور که از نتایج مشخص است، مقدار شبیه سازی شده تفاوت بسیار ناچیزی با مقدار حاصل از محاسبات ریاضی دارد.

شکل ۴-۲۱ منحنی جابجایی بر حسب فشار
۴-۲-۳ ظرفیت خازنی سنسور فشار چشم
شکل ۴-۲۲ رابطه ظرفیت خازنی و فشار اعمال شده تحت ۴% ولتاژ پولین را نشان می‌دهد. آنالیز المان محدود ظرفیت خازنی اولیه را pF 81/1 محاسبه می‌کند و این مقدار مطابق با فرمول ۳-۱۴ ، pF 78/1 می‌باشد. نتایج نشان می دهند که آنالیز المان محدود، تطابق زیادی با نتایج ریاضی دارد. با اعمال فشار از ۰ تا mmHg60 ، ظرفیت خازنی از pF 81/1 تا pF 07/2 تغییر می‌یابد. لذا حساسیت سنسور فشار با توجه به فرمول (۳-۱۸) و نتایج حاصل از شبیه ساز، معادل ۱/Pa ^۵-۱۰×۸۱۱/۱ می‌باشد. شکل ۴-۲۳ ساختار ظرفیت خازنی سنسور فشار را نشان می‌دهد.

شکل ۴-۲۲ منحنی ظرفیت خازنی بر حسب فشار
شکل ۴-۲۳ ساختار خازنی سنسور فشار
نتایج حاصل از محاسبه ریاضی پارامترهای جابجایی مرکزی دیافراگم، w_c ، و ظرفیت خازنی، C ، با بهره گرفتن از نرم افزار ریاضی میپل تحت فشار mmHg30 ( kPa 4) در ۴% ولتاژ پولین برای ماده با استرس صفر محاسبه می‌شود. جدول ۴-۲ پارامترهای بکاررفته در سنسور فشار خازنی را نشان می‌دهد. برای محاسبه جابجایی مرکزی دیافراگم و ظرفیت خازنی از فرمول های (۳-۱۱) و (۳-۱۵) استفاده می‌شود. نتایج حاصل از نرم افزار میپل با نتایج شبیه ساز در جدول ۴-۳ آورده شده است. همانطور که نتایج نشان می‌دهد، مقادیر محاسبات ریاضی و شبیه ساز بسیار به یکدیگر نزدیک هستند. جدول ۴-۲ نتایج پارامترهای فیزیکی سنسور فشار را برای دیافراگم p++si در حالت clamped بدون در نظر گرفتن استرس نشان می‌دهد. نتایج حاصل از محاسبات ریاضی و شبیه ساز در جدول ۴-۳ ارائه شده است.