توصيفگر ها :
ميكرو الكترو مكانيك , ميكرو اپتوالكترو مكانيك , نيروي لورنتس , ميدان مغناطيسي , Proof mass , MOEMS , MEMS
چكيده فارسي :
سامانه¬هاي ميكرو الكترو مكانيكي سامانه هاي مكانيكي در مقياس چند ميكروني هستندكه سامانه تحريك و يا خوانش آنها الكترونيكي مي‌باشد و در سال هاي اخير به طور قابل‌توجهي رشد كرده¬اند. يكي از محبوب‌ترين حسگرهاي MEMS، حسگرهاي ميدان هاي مغناطيسي مي‌باشد؛ اين حسگرها كاربردهاي زيادي در صنايع مختلف مانند خودرو، هوا فضا و الكترونيك دارند. عملكرد حسگرهايMEMS براساس جابه‌جايي يك جسم معلق مي‌باشدكه اين جابه‌جايي را مي‌توان با استفاده از روش‌هاي مختلف مانند حسگرهاي پيزومقاومتي، پيزوالكتريك و نوري اندازه‌گيري كرد. ساخت سامانه¬ها با بهره برداري از اين فناوري، باعث كاهش ابعاد و ادغام مكانيكي سامانه مي¬شود و شامل مزاياي مهم ديگري همچون وزن پايين، هزينه كم، حساسيت بيشتر به تغيير شرايط محيط و وضوح بالاي نتايج حاصل شده از اين سامانه‌ها مي¬شود.
در طراحي و ساخت حسگرهاي ميدان مغناطيسي، بر پايه فناوري سامانه‌هاي ميكرو الكترو مكانيكي MEMS از نيروي لورنتس براي شناسايي ميدان مغناطيسي خارجي بهره مي¬گيرند. زماني كه جريان DC اعمال كنيم و سامانه را درميدان مغناطيسي قرار دهيم باعث تغيير شكل هندسي حسگر مي‌شود و باعث مي¬شود كه يك خميدگي درطول ساختار ايجاد شود. در ميان اين روش‌هاي اندازه‌گيري، روش نوري مزاياي مختلفي مانند پايداري حرارتي بالاتر، عملكرد بهتر، حساسيت بيشتر و تفكيك‌پذيري بهتري دارد. بنابراين به منظور غلبه بر مشكلات حساسيت دمايي و ايمن نبودن در برابر امواج الكترومغناطيسي و پيچيدگي مدار، مي‌توان از تركيب اپتيك و فناوري MEMS تحت عنوان فناوري ميكرو اپتو الكترو مكانيكي MOEMS به عنوان جايگزين مناسب استفاده كرد. در اين پايان¬نامه حسگرميدان مغناطيسي برپايه فناوري MOEMS ساخته شده است كه شامل دو قسمت مكانيكي و اپتيكي است.
ابتدا شبيه سازي حسگر و در ادامه ساخت حسگر انجام شد. شبيه سازي حسگرMOEMS در دو بخش مكانيكي كه با نرم¬افزاركامسول مولتي فيزيك و بخش نوري با نرم¬افزار لومريكال انجام شد. ساختارمكانيكي داراي دوقسمت شامل يك جسم معلق از جنس سيليكون و چهار فنر خمشي L شكل است. زماني كه يك ولتاژ مشخص به اندازه 0.01 ولت به حسگر اعمال مي¬شود ميدان مغناطيسي به اندازه 40 ميلي تسلا به حسگر وارد مي¬شود و در اثر نيروي لورنتس تغيير شكل مي¬يابد كه ميزان جابه¬جايي در اثر اين نيروي لورنتس در محدوده اندازه¬گيري 60 نانومتر است و حسگر داراي يك پاسخ خطي است. ميزان اين جابه¬جايي با استفاده از قسمت اپتيكي به¬دست مي¬آيد كه با استفاده از تداخل سنج فابري پرو اندازه-گيري مي¬شود. اين تداخل سنج از دو سطح بازتاب¬گر كه در سطح مقطع جرم معلق و انتهاي فيبر نوري تك مد مي¬باشد، تشكيل شده است. نور از يك چشمه پهن باند در بازه طول موجي 1500نانو متر تا 1600 نانومتر به داخل فيبر نوري جفت و وارد كاواك فابري پرو مي¬شود. نور در اثر بازتاب¬هاي متوالي تداخل مي¬كند و در نتيجه خروجي اين كاواك يك طيف تداخلي است كه ميزان اين جابه¬جايي 60 نانومتر مي¬باشد.
ساخت قسمت مكانيكي حسگر به دوروش، ساخت با استفاده از پليمر SU-8 و ساخت بر پايه سيليكون انجام شد. در روش اول ساخت با پليمر SU-8 انجام شد كه به دليل اين كه از كيفيت خوبي برخوردار نبود و تاريخ انقضاي پليمر در دسترس تمام شده بود ساختار در فرايند ساخت خراب شد
چكيده انگليسي :
Micro-electromechanical systems (MEMS) are mechanical systems on a multi-micron scale whose excitation or reading system is electronic and have attracted attention in recent years. One of the most popular MEMS sensors are magnetic field sensors. These sensors have many applications in various industries such as automotive, aerospace, and electronics. The performance of MEMS sensors is based on the displacement of a proof mass, which can be measured using various methods such as of piezo-resistance sensors. The construction of systems by utilizing this technology reduces the dimensions and mechanical integration of the system and other important advantages such as low weight, low cost, greater sensitivity to changing environmental conditions and high resolution of the results obtained from these systems. In addition, today we need to create smaller systems with multiple sensors that can measure various parameters such as magnetic field, pressure, temperature, and acceleration simultaneously. In designing and manufacturing magnetic field sensors, based on MEMS technology, we use Lorentz force for detection of magnetic field. When DC current is applied and the system is placed in a magnetic field, it changes the geometry of the sensor and causing a curvature in the structure. Among the measurement methods, the optical method has several advantages to measure the curvature. It has higher thermal stability, better performance, higher sensitivity, and better resolution. To overcome the problems of temperature sensitivity, electromagnetic waves and circuit complexity, a combination of optics and MEMS technology called micro-opto electromechanical (MOEMS) technology can be used as a suitable alternative. MOEMS sensor simulation was performed in two parts, the mechanical part with COMSOL multi-physics software and the optical part with Lumerical software. The two-part mechanical structure consists of a suspended silicon proof mass and four L-shaped bending springs. For a certain voltage of 0.01 volts, the linear displacement of the sensor was found to be 60 nm in a magnetic field of 40 mT. The amount of this displacement is obtained using the optical part, which is based on the Fabry-Perot Interferometer. This interferometer consists of two reflective surfaces, which are suspended at the proof mass cross-sectional area and the end of the single-mode optical fiber. Light enters a pair of optical fibers from a broadband source in the wavelength range of 1500 to 1600 nm and enters the Peruvian Fabry-Perot cavity. Light interferes with successive reflections, and as a result the output of this cavity is an interference spectrum with a displacement of 60 nm.
