22633

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

كارشناسي ارشد

مهندسي فناوري ماهواره

96-99

1399/4/7

دكتر صادق صادق زاده

فناوري هاي نوين

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.

1399/06/29

Conceptual Design of a Capacitive MEMS Accelerometer for Space Applications

6/27/2020 12:00:00 AM

Nowadays, the need for more accurate measuring instruments in different fields - industry, medicine, agriculture, aerospace, and so on - is strongly felt. Regarding this, the progress in microchip (ICs) manufacturing technology has brought about the emergence of microelectromechanical systems (MEMS) technology with high functional accuracy and the possibility of constructing a class of structures, systems, and mechanical systems in micron dimensions, it has in return led to their widespread use in a wide range of applications, like the aerospace industry, the automotive industry, medical devices, and the electronics consumer market. MEMS accelerometers are of the most commonly used sensors in devices like smartphones, computers and wearable electronics technologies, as well as in vehicle health monitoring systems, missile guidance and navigation, and launchers, jet engines, and power plants. The uses of the accelerometer in space are affected by several factors because of functional, environmental and instrumental needs. Measuring acceleration at various g scales, determining speed and position related to navigation performance calls for the highest accuracy among accelerometer uses. In this research, while developing an operational algorithm for designing MEMS, we tried to design and optimize an applied accelerometer for the space industry to control the active equilibrium state with acceleration characteristics of ±100 g and a resolution of 1 mg resolution according to the developed algorithm. The process of structure designing this accelerometer is done according to construction needs and constraints in Iran and is based on volumetric micro-machining manufacturing technology. One of the optimization features done throughout designing is the extraction of a ratio of 2.67 for gap-to-anti-gap ratio, increasing the capacitance sensitivity by 30%. In this study, using the I-shaped structure for the suspended mass structure and optimizing the dimensions of the flange and its bulking, while using the maximum suspended structure mass - reducing systemic noise - the system sensitivity was optimized in proportion to the vertical bending of the structure so that the vertical bending of the structure is reduced by up to 50% for a certain mass of the suspended and longitudinal dimensions. Ultimately, by developing the prototype and structurally proposed symmetrically and bilaterally integrated by the bridge, we could benefit from the transverse space of the system to obtain an accelerometer with a range of ±100 g and a sensitivity of 0.43 fF/g. The voltage and capacitance sensitivity of the sensor output has increased by 27% and 139%, respectively in this design compared to the original design.