طراحي مفهومي يك شتاب‌سنج خازني ميكروالكترومكانيكي (MEMS) براي كاربردهاي فضايي

كارشناسي ارشد

امروزه نياز به داشتن لوازم اندازه‌گيري دقيق‌تر در حوزه‌هاي مختلف صنعتي، پزشكي، كشاورزي، هوافضا و غيره بيش‌ازپيش احساس مي‌گردد. در همين راستا، پيشرفت در فناوري ساخت ريز تراشه‌ها (ICها ) سبب ظهور تكنولوژي سيستم‌هاي ميكروالكترومكانيكي MEMS با دقت كاركردي بالا و ايجاد امكان ساخت دسته‌اي از ساختارها، سامانه‌ها و سيستم‌هاي مكانيكي در ابعاد ميكروني گشته كه منجر به استفاده گسترده آن‌ها در طيف وسيعي از كاربردها نظير صنعت هوافضا، صنعت خودروسازي، وسايل پزشكي و بازار مصرف‌كنندگان الكترونيك شده است. شتاب‌سنج‌هاي MEMS يكي از رايج‌ترين حسگرهاي مورداستفاده هستند كه در دستگاه‌هايي مانند تلفن‌هاي هوشمند، كامپيوترها و فناوري‌هاي الكترونيكي پوشيدني و همچنين در سيستم‌هاي نظارتي كنترل و پايش سلامت خودرو، هدايت و ناوبري موشك و پرتابگرها، موتورهاي جت و نيروگاه‌ها نقش بسيار مهمي را ايفا مي‌كنند. كاربردهاي شتاب‌سنج در فضا تحت تأثير بسياري از عوامل ناشي از الزامات عملكردي، محيطي و عملكرد ابزاري قرار دارند. اندازه‌گيري شتاب در مقياس‌هاي مختلف g، تعيين سرعت و موقعيت مربوط به عملكرد هدايت و ناوبري، بالاترين دقت را در ميان كاربردهاي شتاب‌سنج مي‌طلبد. در اين تحقيق تلاش شده ضمن تدوين الگوريتم عملياتي جهت طراحي شتاب‌سنج‌هاي خازني ميكروالكترومكانيكي (MEMS)، شتاب‌سنجي كاربردي براي صنعت فضايي جهت كنترل وضعيت تعادل فعال با مشخصات سنجش شتاب g ±100 و دقت تفكيك‌پذيري mg 1 مطابق با الگوريتم تدوين شده، طراحي و بهينه‌سازي شود. فرايند طراحي ساختار اين شتاب‌سنج باتوجه‌به الزامات و محدوديت‌هاي ساخت در داخل كشور انجام پذيرفته و مبتني بر تكنولوژي ساخت ميكرو ماشين‌كاري حجمي مي‌باشد. از ويژگي‌هاي بهينه‌سازي‌هاي انجام شده در طول طراحي مي‌توان به استخراج ضريب نسبت 67/2 براي مقدار فاصله هوايي آنتي گپ نسبت به گپ اشاره نمود كه موجب افزايش 30 درصدي حساسيت خازني گرديده است. در اين تحقيق با بهره‌گيري از ساختار I شكل براي ساختار جرم معلق و بهينه‌سازي ابعاد بال و جان آن، ضمن بهره‌گيري از بيشينه جرم ساختار معلق كه موجب كاهش نويز سيستمي مي‌گردد، حساسيت سيستم متناسب با خمش قائم ساختار بهينه‌سازي گرديده به‌طوري‌كه به‌ازاي مقدار معيني از جرم معلق و ابعاد طولي، خمش قائم ساختار بالغ‌بر 50 درصد كاهش‌يافته است. در نهايت با توسعه طرح اوليه و پيشنهاد ساختاري به‌صورت قرينه و دوتايي كه توسط پل ارتباطي با يكديگر يكپارچه گشته‌اند، توانستيم ضمن بهره‌گيري از فضاي عرضي سيستم به شتاب‌سنجي با بازه سنجش g ±100 و حساسيت fF/g 43/0 دست يابيم. در اين طرح نسبت به طرح اوليه، افزايش حساسيت ولتاژي و خازني خروجي حسگر به ترتيب 27 درصد و 139 درصد افزايش‌يافته‌اند.

194991

دانشگاه علم و صنعت ايران

مهندسي فناوري ماهواره

دكتر صادق صادق زاده