فلومترهای مغناطیسی یا اصطلاحا “مگ متر”ها به ترتیب سومین رده از نظر میزان استفاده را بعد از فلومترهای بر پایه فشار و فلومتر های حجمی (Positive Displacement) دارا هستند. اساس کار این فلومتر ها اینگونه است که یک میدان مغناطیسی را به لوله فلومتر اعمال میکنند که باعث ایجاد اختلاف پتانسیل الکتریکی متناسب با سرعت جریان و عمود بر جهت جریان میشود. اختلاف پتانسیل ایجاد شده با استفاده از الکترود های که عمود بر جریان سیال و میدان مغناطیسی قرار گرفته اند حس می شود. اصول فیزیکی که در این سیستم عمل میکنند قانون القا الکترومغناطیسی فارادی است. فلومتر های الکترو مغناطیسی نیازمند سیال هادی و لوله عایق هستند. الکترودهای در ارتباط با سیال داخل لوله نباید دچار خوردگی شوند. برخی فلومترهای الکترومغناطیسی دارای تمیز کننده داخلی میباشند.
در این فلو مترها میدان اعمال شده به صورت پالسی است که باعث حذف اثر ولتاژ ساکن در سیستم لوله ها میشود.
شکل1-12: ساختار فلومتر الکترومغناطیسی
1-4-3-فلومتر فراصوت (Ultrasonic)

این نوع فلومتر ها به دو دسته اصلی تقسیم میشوند: دسته ای که بر اساس اثر داپلر عمل میکنند و دسته ای که بر اساس زمان انتقال سیگنال عمل میکنند و این در حالیست که هر دو آنها از امواج فراصوت جهت اندازهگیری استفاده میکنند.
فلومترهای فراصوتی که بر اساس زمان انتقال عمل میکنند بازه زمانی انتقال پالس امواج فراصوت را در جهت و در خلاف جهت حرکت سیال اندازه گیری میکنند. این اختلاف زمانی نشانگر اندازه سرعت میانگین سیال در مسیر بیم امواج فراصوت است. با استفاده از دو زمان انتقال tup و tdown و فاصله بین دو فرستنده گیرنده فراصوتL و زاویه میل α داریم :
v= L/(2 Sinα) (t_up-t_down)/(t_up t_down ) and c= L/2 (t_up+t_down)/(t_up t_down )
که v سرعت میانگین سیال در مسیر امواج فراصوت و C سرعت صوت است.
شکل1-13: نحوه عملکرد فلومتر فراصوت بر اساس زمان انتقال
با استفاده از انتشار امواج فراصوت در بازه ای با پهنای بالا میتوان حجم فلو سیال را مستقل از مقطع لوله حاوی سیال محاسبه کرد.[13]
فلومترهای فراصوت داپلری از شیفت فرکانسی پدید آمده در امواج دریافتی منعکس شده از ذرات در جریان داخل سیال نسبت به فرکانس اصلی که فرستنده میفرستد برای اندازه گیری سرعت استفاده میکنند. برای اینکه اصل داپلر در این سیستم عمل کند باید چگالی قابل قبولی از مواد دارای بازتابش صوتی بالا مانند ذرات جامد یا حباب های هوا در داخل سیال موجود باشد. این در حالی است که بلعکس در سیستم زمان انتقال چنین ذراتی باعث کاهش دقت اندازه گیری می شوند. به دلیل محدودیت های موجود در مورد اجبار در وجود و یا عدم وجود ذرات داخل سیال برای دقت اندازه گیری موارد استفاده از این روش بسیار محدود شده است.
شکل1-14: فلو متر فرا صوت داپلری[14]
یکی از مزایای فلو متر های فرا صوت این است که قادر به اندازه گیری موثر و دقیق سرعت برای بازه وسیعی از سیالات هستند، مادامی که سرعت صوت در این سیال ها معلوم باشد. به عنوان مثال این فلو متر ها برای اندازه گیری هایی از گاز طبیعی گرفته تا جریان خون مورد استفاده هستند.[15] دلیل این امر آن است که این فلو متر ها هیچ ارتباطی با سیال داخل لوله ندارند و بر روی بدنه آن نصب میشوند. این سیستم ها به راحتی نیاز خود به سرویس را آشکار می کنند و با معلوم بودن سرعت صوت از روی محاسبات برای سیال و سرعتی که از گیرنده دریافت می شود و مقایسه این دو وضعیت فلو متر از نظر نیاز یا عدم نیاز به سرویس مشخص میشود.
شکل 2-15: نحوه اتصال فلو متر های فرا صوت به لوله
1-4-4-فلو متر کوریولیس (Coriolis)
این نوع از فلو متر ها با استفاده از اثر کوریولیس سرعت سیال را اندازه گیری می کنند. اساس عملکرد این سرعت سنج ها اینگونه است که یک لوله نازک که سیال در آن جریان دارد مرتعش می شود، در صورت عدم وجود جریان این ارتعاش متقارن است ولی با جریان پیدا کردن سیال داخل این لوله این ارتعاش بر اساس اثر کوریولیس به صورت نا متقارن اتفاق میافتد. میزان این اعوجاج رابطه مستقیم با سرعت سیال دارد. این نوع فلو متر می تواند بدون توجه به سیال در جریان داخل آن بسیار دقیق عمل کند.[15]
مشکلی که این نوع فلو متر دارد این است که محیط کاری آن هیچ لرزش خارجی نباید داشته باشد در غیر این صورت ارتعاش لوله متاثر از حرکت های محیطی دچار خطا میشود.
شکل1-16: نحوه ارتعاش فلو متر کوریولیس در حضور و عدم حضور جریان
1-4-5-فلومتر لیزر داپلری
اساس کار این فلو متر این است که نور لیزر در اثر برخورد با ذرات متحرک سیال دچار پراکندگی شده و طول موجهایی متناسب با سرعت ذرات ایجاد میشود که همان اثر داپلر در نور است. دقت این فلو متر ها بسیار بالا است و عملکرد آنها اینچنین است که منبع لیزر عمود بر جهت حرکت سیال تابش می شود و در طرف دیگر فوتو دیود این نور را دریافت کرده و بر اساس فرکانس های دریافتی سیگنال الکتریکی تولید میکند.
1-5-فلو متر های بر پایه فشار
چندین نوع فلومتر وجود دارد که بر اساس اصل برنولی عمل میکنند، برخی با اندازه گیری اختلاف فشار در گلوگاه یا اندازه گیری فشار استاتیکی و فشار حالت سکون و محاسبه فشار دینامیکی. در ادامه مهم ترین انواع آن را بررسی خواهیم کرد ولی در ابتدا لازم است بدانیم اصل برنولی چیست :
اصل برنولی :
در دینامیک سیالات، اصل برنولی که برای یک جریان غیر لزج صادق است بیان میکند که افزایش سرعت سیال با کاهش فشار و یا کاهش در انرژی پتانسیل سیال همراه است.[16] اصل برنولی بر اساس نام دانشمند سوییسی دنیل برنولی نام گذاری شده است. وی این اصل را در کتاب خود به نام هیدرودینامیک در سال 1738 منتشر کرده است.[17]
در جریان مایعات و بسیاری از گازها با عدد ماخ کم، چگالی سیال را بدون در نظر گرفتن تغییرات فشار در جریان می توان ثابت در نظر گرفت. این سیالات، سیالات تراکم ناپذیر نام دارند و جریان این سیالات جریان تراکم ناپذیر نامیده می شود. برنولی آزمایش های خود را بر روی مایعات انجام داده است، بنابراین معادلات برنولی در شکل اصلی خود تنها برای جریان تراکم ناپذیر معتبر هستند. فرم ساده معادله برنولی برای هر نقطه دلخواه جریان سیال به این صورت است:
v^2/2+gz+p/ρ=cte
که در آن :
v سرعت سیال در هر نقطه جریان
g شتاب جاذبه زمین
z ارتفاع سیال بالای نقطه محاسبه
p فشار در نقطه محاسبه و ρ چگالی سیال است.
1-5-1-فلو متر لوله ونتوری (Venturi Pipe)
اثر ونتوری بیانگر این است که به هنگام عبور سیال از یک گلوگاه تنگ شونده فشار سیال کاهش مییابد. اثر ونتوری به نام کاشف آن فیزیکدان ایتالیایی ونتوری ثبت شده است.
اثر ونتوری اثر جت است ، اگر یک قیف را در نظر بگیریم که سیال در آن جریان دارد با کاهش سطح مقطع عرضی قیف سرعت افزایش می یابد و بر اساس اصل برنولی، فشار استاتیکی به همان نسبت کاهش می یابد. با توجه به قوانین حاکم بر دینامیک سیالات ، سرعت یک سیال به هنگام عبور از گلوگاه منقبض شونده برای برآوردن اصل پیوستگی، باید افزایش سرعت دهد در حالی که فشار خود را باید کاهش دهد تا انرژی مکانیکی پیوسته باقی بماند. زیرا افزایش سرعت باعث افزایش انرژی جنبشی سیال میشود در حالی که انرژی مکانیکی آن پایسته است و بنابراین برای جبران افزایش انرژی جنبشی فشار باید کاهش پیدا کند. ونتوری متر با استفاده از ارتباط مستقیم بین تفاوت فشار و سرعت سیال عمل اندازه گیری سرعت را انجام میدهد.
شکل1-17: نمونه لوله ونتوری و اختلاف فشار ایجاد شده در دو بخش باریک و پهن
رابطه ونتوری در مورد افت فشار بر اثر افزایش سرعت را می توان با استفاده از اصل برنولی و معادله پیوستگی بدست آورد. برای سیالات تراکم ناپذیر مانند مایعات و گاز ها در سرعت کم افت فشار برابر است با :
p_1-p_2=ρ/2(v_2^2-v_1^2)
که در آن ρ بیانگر چگالی سیال، v1 (سرعت کمتر) بیانگر سرعت سیال در بخش پهن لوله و v2 سرعت سیال در بخش باریک لوله است. P1 و P2 نیز فشار در همین بخش های لوله میباشد.
شکل1-18: شمای لوله ونتوری و نماد های بکار رفته در معادله بالا
1-5-2-صفحه اریفیس (Orifice plate)
این نوع از فلو متر ها دقیقا به مانند ونتوری متر از اثر ونتوری برای اندازه گیری سرعت سیال استفاده میکنند. دلیل استفاده از آنها این است که ساخت لوله ونتوری هزینه بیشتری دارد ولی در عوض صفحه اریفیس باعث اتلاف انرژی بیشتری میشود.[18] صفحه اریفیس یک صفحه با سوراخی در وسط است که با اندازه گیری اختلاف فشار در دو طرف آن میتوان سرعت سیال را بدست آورد.[19]
شکل1-19: فلو متر اریفیس
1-5-3-فلومتر پیتو (Pitot Tube)
لوله پیتو توسط مهندس فرانسوی هنری پیتو در اوایل قرن هجدهم ابداع شد و به شکل امروزی آن در اواسط قرن نوزده توسط هنری دارسی دانشمند فرانسوی تغییر یافته است. از این سیستم به طور گسترده ای برای تعیین سرعت سیر هوایی یک هواپیما، سرعت نسبت به آب کشتی و برای اندازه گیری سرعت مایعات، هوا و گازها در صنعت استفاده میشود.

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

شکل1-20:سیر تکامل لوله پیتو
لوله پیتو اولیه متشکل از یک لوله بود که به طور مستقیم در جهت جریان سیال قرار می گرفت. از آنجا که این لوله حاوی سیال بود، میتوانستند فشار را اندازه گیری کنند. سیال در حال حرکت به حالت ایست درآورده میشد، به عنوان مثال تمام خروجی ها بسته میشدند تا اجازه ندهند جریان ادامه یابد. این فشار، فشار سکون مایع(Stagnation Pressure)، یا فشار کل و یا فشار پیتو نام دارد.
فشار سکون نمی تواند به تنهایی برای تعیین سرعت سیال (سرعت سیر هوایی در حمل و نقل هوایی) استفاده می شود. با این حال، معادله برنولی بیان می کند:
فشار سکون = فشار استاتیکی + فشار دینامیکی
یا به عبارت فیزیکی :
p_t=p_s+((ρv^2)/2)
که با حل این معادله برای سرعت داریم :
V=√((2(p_t-p_s))/ρ)
که در آن V سرعت سیال
Pt فشار سکون یا کل
Ps فشار استاتیکی
و ρ چگالی سیال میباشد.
البته لازم به ذکر است همانطور که قبلا نیز اشاره شده تمامی این روابط برای سیالات تراکم ناپذیر صادق هستند.
مزایا :
ساخت آسان
نسبتاً ارزان
تقریباً بدون نیاز به کالیبراسیون
حساس به کمترین تغییرات فشار در فلو
مستلزم تعداد کمی روزنه در کانال سیال است و به بریدگی های وسیع نیاز ندارد.
معایب :
دقت ناکافی برای برخی کاربرد های آزمایشگاهی
لوله باید هم جهت سرعت سیال قرار گیرد تا نتایج مطلوب به دست آید. خطا در تراز سازی نباید بیشتر از ±5° باشد.
به جای لوله پیتو معمولی، میتوان از لوله پیتو-استاتیک استفاده کرد که علاوه بر دهانه لوله پیتو تعدادی سوراخ در دیواره آن وجود دارد که با استفاده از آن و فشار سنج تفاضلی میتوان مستقیما سرعت سیال را اندازه گیری کرد.[20]
شکل1-21:لوله پیتو مورد استفاده برای سرعت سنج یک هواپیمای جنگی
شکل1-22: مقطع عرضی لوله پیتو-استاتیک
1-6-نتیجه گیری
در این فصل انواع سرعت (نسبت به زمین و نسبت به سیال) و روش های سرعت سنجی مختلف موجود و ممکن را بررسی کردیم. در نهایت پس از مقایسه روش های موجود و با توجه به هدفی که در این پایان نامه برای سرعت سنجی کشتی داریم و این که برای سرعت سنجی هدف در طراحی یک حسگر MEMS داریم، تصمیم گرفته شد تا سرعت سنجی بر اساس فشار طراحی و شبیه سازی شود. دلیل این امر عدم سازگاری برخی روش ها با میکرو سنسور ها، نداشتن دقت کافی و احتمال از کار افتادن در شرایط خاص آب و هوایی و یا نظامی است. در میان سرعت سنج های فشاری لوله پیتو به دلیل استفاده فعلی در سیستم ناوبری کشتی ها و هواپیما ها و داشتن شرایط بهتر از نظر دقت و کارایی نسبت به سایر هم ردیفان خود ترجیح داده شد.
فصل دوم
سنسورهای فشار
2-1-مقدمه
همانطور که در فصل قبل دیدیم برای سرعت سنجی که در نظر داریم، نیاز به یک سنسور فشار داریم .یک سنسور وسیله ای برای اندازهگیری یک پدیده فیزیکی یا شیمیایی و سپس تبدیل آن به سیگنال الکتریکی دلخواه برای پردازش و مورد استفاده قرار دادن اطلاعات بدست آمده از المان حسگر آن میباشد. سنسور های فشار از نظر نحوه اندازه گیری فشار و المان مبدل فشار به سیگنال الکتریکی به دسته های مختلفی تقسیم میشوند که در ادامه آنها را بررسی خواهیم نمود . اما چرا از سنسور فشار میکروماشینی بجای سنسورهای مکانیکی معمول استفاده میکنیم به خاطر مزایای این نوع سنسورها نسبت به سنسورهای مکانیکی است:
1-ابعاد کوچکتر 2- حساسیت بیشتر 3- یکپارچه سازی قسمت حسگر و پردازش
4- قابل اعتمادتر 5- قیمت ارزانتر 6- امکان استفاده آسان برای همگان
به عنوان مثال می توان به قطعات میکرو ماشین استفاده شده در صنعت گوشی های تلفن همراه اشاره کرد، بدون تکنولوژی میکرو ماشین این دستگاه ها تنها قابلیت برقراری ارتباط صوتی را دارا بودند، ولی با استفاده از قطعات میکرو ماشین تبدیل به دستگاه هایی جدایی ناپذیر از زندگی بشری شده اند. از اصلی ترین قطعات میکرو ماشین که امروزه تقریبا در تمام گوشی ها استفاده میشوند می توان به لیست زیر اشاره کرد[1] :
شتاب سنج
ژیروسکوپ
میکروفون
حسگر نزدیکی به صورت
نمونه ای از فشار سنج و ژیروسکوپ معمولی و معادل میکرو ماشین آنها:
شکل 2-1: ابعاد کوچک و سازگاری فشار سنج MEMS با مدارات الکتریکی
شکل 2-2: ابعاد ژیروسکوپ MEMS و تصویر میکروماشین آن زیر میکروسکوپ
2-2- سنسورهای فشار
اولین سنسور میکروالکترومکانیکی ساخته شده سنسور فشار بوده است که منجر به انقلاب دیگری در صنعت نیمه هادی ها گردید . اولین سنسور فشار آزمایشگاهی میکروماشینی در سال ١٩۶١ساخته شد. تولید سنسور فشار سیلیکونی یک بار مصرف باکاربرد پزشکی در سال ١٩٨٢ منجر به کاهش قیمت تمام شده از ۶٠٠ دلار به ١٠ دلار گردید . ارزیابی عملکرد این سنسورها تا سال ١٩٧۵ ادامه یافته و توسعه کاربردها و کاهش هزینه های تولید آن تا سال ١٩٩٠ انجام گرفت و هنوز هم ادامه دارد. این سنسورها از سال ١٩٩٠ به صورت صد درصد تجاری وارد بازار مصرف شده اند و در سال 2011 در حدود 5 .11 میلیارد دلار ارزش فروش سنسورهای فشار MEMS بوده که نسبت به سال 2002 و فروش 1 .3 میلیارد دلاری سنسور های فشار رشد بسیار چشمگیری داشته است. هم اکنون شرکتهای مختلفی مانند: Bosch, Freescale, Motorola,… این سنسورها را در انواع متنوع مجتمع سازی شده و هایبریدی به بازار عرضه می کنند که هر یک ازآنها از تکنولوژیهای متفاوت ساخت استفاده می نمایند. [3, 21]
خواص مکانیکی بسیار عالی سیلیکون، مدول یانگ بالا، چگالی پایین و قابلیت کوچک سازی در ساخت قطعات سیلیکونی منجر به ساخت سنسورهای مجتمع شده است. سنسورهای فشار میکروماشینی با استفاده ازتکنولوژیهای میکروماشین کاری سطحی و حجمی (Surface-Bulk) به صورت مجتمع سازی شده و هایبریدی تولید می شوند که در آنها ازخواص تغییر مقاومت نواحی نفوذ داده شده (مقاومت پیزو) به واسطه ایجاد تنش، تغییر ظرفیت خازنی میان الکترودهای ثابت و متحرک و خاصیت تشدیدی المان مرتعش سیلیکونی برای تبدیل متغیر فیزیکی فشار به سیگنال الکتریکی استفاده می گردد. سنسور فشار میکروماشینی از یک دیافراگم سیلیکونی تشکیل شده است. مکانیزم تغییرات پیزومقاومتی به واسطه ایجاد تنش در دیافراگم نازک ) به ضخامت چند ده میکرون ( اولین مکانیزمی بود که برای ساخت سنسور فشارسیلیکونی بکار گرفته شد که هم اکنون نیز از این مکانیزم بطور وسیعی استفاده می شود. پیزومقاومتها به دو روش نفوذ ناخالصی در دیافراگم و یا نشست لایه نازک پلی سیلیکونی حاوی ناخالصی بر روی دیافراگم ایجاد می گردند. جهت جبران سازی دمایی، پیزومقاومتها را با ساختار پل وتستون به یکدیگر متصل می کنند. مزیتهای اصلی اندازه گیری فشار با استفاده از پیزومقاومتها، سادگی فرآیند تولید آنها، رابطه خطی عالی میان ولتاژ خروجی از سنسور و فشارمورد اندازه گیری است. از عیوب اصلی این نوع سنسورها می بایست به حساسیت دمایی و جریان نشتی آنها اشاره نمود. بعلاوه به دلیل حساسیت کم پیزو مقاومتها قطعات پیزومقاومتی برای اندازه گیریهای دقیق )فشار های خیلی کم ( مناسب نمی باشند. شرکت موترولا در سال ١٩٨٣ به کمک ادغام سنسور فشار پیزومقاومتی با تکنولوژی Bipolar توانست مدار جبران ساز دما، مدار توان و . . . را در محل قرار گیری سنسور و بر روی یک ویفرسیلیکونی ایجاد نماید. یکی از مراحل اصلی ساخت سنسورفشار مرحله حکاکی(Etching) وابسته به جهت گیری سیلیکون است که خصوصیات و چگونگی انجام این فرآیند بخوبی شناخته شده است. لذا ادغام این فرآیند با فرآیندهای ساخت IC ها امکان پذیر می باشد. هم اکنون فرآیند تولید سنسور فشار با فرآیندهای تولیدCMOS و NMOS ادغام شده است. در شکل (2-3) چگونگی ادغام فرآیند میکروماشین با فرآیندهای استاندارد تولید قطعات میکروالکترونیک برای ساخت سنسور فشار میکروماشینی نمایش داده شده است .
شکل 2-3: چگونگی مجتمع کردن قطعات میکرو ماشین با فرایند میکروالکترونیک
مکانیزم قرائت خازنی در سنسور فشار بطور ذاتی حساسیت کمتری به دما داشته و بطور کلی مصرف انرژی پایینی دارد. مقدار ظرفیت اندازه گیری شده کوچک بوده وبرای همین منظور نیاز به مدار میانی می باشد که در کنارسنسور مجتمع سازی شود. البته برای سنسورهای خازنی انواع بسته بندی های هایبریدی نیز وجود دارند. حساسیت این سنسورها در مقایسه با انواع پیزومقاومتی بیشتر است. بالاترین دقت اندازه گیری فشار با استفاده از سنسورهای تشدیدی حاصل می گردد. این سنسورها دارای سیگنال خروجی به فرم تغییرات فرکانس تشدید المان مرتعش هستند. مهمترین مسئله در مورد سنسورهای فشار تشدیدی پیچیدگی فرآیندهای ساخت آنها می باشد.
2-3 واحد های فشار و ضرایب تبدیل آنها به هم
جدول زیر واحدهای فشار مهم و ضریب تبدیل آنها را نشان میدهد:
شکل 2-4 : واحدهای فشار و چگونگی تبدیل آنها به هم[22]
2-4- اندازه گیری فشار
در سنسورهای فشار سه روش معمول برای اندازه گیری وجود دارد که هر کدام به نوعی فشار را به دیافراگم منتقل میکنند :
فشار مطلق (Absolute) : یک طرف دیافراگم در معرض فشار مورد اندازه گیری است و در طرف دیگر خلا حاکم است .
فشارسنج اتمسفری (Gauge) : که در این نوع فشار موجود در زیر دیافراگم فشار اتمسفر بوده و فشار برای اندازه گیری به روی آن اعمال میگردد .
فشار سنج تفاضلی(Differential) : در این نوع اندازه گیری فشار اختلاف بین دو فشار اندازه گیری میشود که مطابق روشهای قبل یک فشار از زیر به دیافراگم وارد میشود و فشار دوم از روی آن. به این ترتیب اختلاف بین این دو فشار تشخیص داده میشود.
در شکل 3 این سه روش به ترتیب نشان داده شده اند:
شکل2-5: سه روش طراحی دیافراگم در سنسورهای فشار
از این سه روش برای ساخت دیافراگم سنسورهای فشار استفاده کرده و در مرحله بعد این دیافراگم فشار وارده را با توجه به ساختاری که دارد یا با پیزومقاومتهای تعبیه شده روی آن و یا بوسیله خازن یا خازنهای ایجاد شده و یا بیم های تعبیه شده روی آن که در اثر فشار وارده رزونانس میکنند و. . . اندازه گیری میکند . پس میتوان سنسورهای فشار را در چند گروه عمده پیزو رزیستیو و خازنی و رزونانسی و . . . تقسیم بندی کرد . در ادامه به نحوه عملکرد سنسورهای پیزومقاومتی اشاره خواهد شد .
2-5- سنسورهای فشار پیزومقاومتی
اساس عملکرد این سنسورها بر پایه تغییرات مقاومت ماده پیزورزیستیو در اثر اعمال فشار است . عمده ترین مشکل این روش وابستگی دمایی آن است زیرا در اثر تغییرات دما مقدار مقاومت نیز تغییر میکند.
اگر مطابق شکل 3 یک دیافراگم مستطیلی شکل را در نظر بگیرید معمولاً مقاومت ها یا پیزورزیستور ها را در مکانهایی از دیافراگم قرار میدهند که تنش در آنجا بیشترین باشد تا به ازاء تغییرات معین از فشار تغییرات مقاومت نیز بیشترین باشد. در شکل 4 نحوه قرار گرفتن آنها نشان داده شده است:
شکل2-6: محل قرار گیری مقاومتها در سنسور فشار پیزومقاومتی
همانطور که گفته شدپیزومقاومت ها در نواحی با تنش بالاتر قرار می گیرند. تغییر مقاومت حاصل از ایجاد تنش توسط مدار پل وتستون مطابق شکل بالا متشکل از چهار مقاومت R1وR2و R3 و R4 روی دیافراگم تبدیل به سیگنال الکتریکی(ولتاژ) می گردد. رابطه تغییر پیزومقاومتها با تنشهای طولی و عرضی ایجاد شده در دیافراگم به صورت رابطه زیر ارائه شده است:
ΔR/R=π_44 (σ_X-σ_Y )/2
که در این رابطه مقاومت R وتغییرمقاومت ΔR بر حسب اهم وπ_44 ضریب پیزومقاومتی بر حسب〖Pa〗^(-1) (که تا بعی از جهت کریستالی و نوع ناخالصی است) و σ_X وσ_Y تنشهای عرضی و طولی بر حسب پاسکال Pa می باشند. همانگونه که در این رابطه مشاهده می شود برای محاسبه تغییرمقاومتها نیاز به مقدار تنش حاصله از اعمال فشار بر دیافراگم می باشد. مقدار ولتاژ خروجی از سنسور را نیز می توان با کمک رابطه زیر محاسبه نمود:
Vout =Vin ( R3 / (R2+R3)-R4 /(R4+R1) )
ولتاژهای ورودی و خروجی Vin و Vout در این رابطه برحسب ولت می باشند. بنابراین محاسبه مقدار ولتاژ خروجی با استفاده از مقادیر مقاومتها انجام می شود. شکل 4 نشان میدهد چگونه مقاومتهای سنسور در یک مدار پل وتستون در کتار یکدیگر قرار میگیرند و تغییر در مقاومتها را تبدیل به تغییر در ولتاژ میکنند که برای پردازشهای بعدی مورد استفاده قرار گیرد .
شکل2-7: مدار پل وتستون مورد استفاده در سنسور فشار پیزومقاومتی حجمی
میکروماشین کاری حجمی (bulk) سیلیکون در مقایسه بامیکروماشین کاری سطحی(surface) سازگاری کمتری با فرآیندهای ساخت میکروالکترونیک دارد. ضخامت زیاد لایه اکسید سیلیکون مورد نیاز که از آن به عنوان ماسک در فرآیندهای حکاکی وابسته به جهت گیری ویفر سیلیکونی از طرف پشت، ایجاد پنجره های نفوذ ناخالصی و ایجاد لایه عایق میان لایه فلز و سطح زیرین آن استفاده می گردد، دارای معایبی است.
به عنوان مثال زمان مورد نیاز طولانی برای حکاکی لایه اکسید در محلول بافری اسید فلوریدئیک (HF ) با فرآیندهای استاندارد فتولیتوگرافی سازگاری کمتری دارد. همچنین به دلیل غیر مسطح بودن سطح رویی سلول سنسور انجام فرآیند فلز نشانی و حکاکی آن با مشکلاتی همراه است. نیاز به انجام فرآیندهای مختلف ساخت بر روی دو طرف ویفر موضوع طراحی فرآیند ساخت را پیچیده تر مینماید. زمان زیاد مورد نیاز در فرآیند حکاکی وابسته به جهت گیری با استفاده از محلول هیدرواکسید پتاسیم که موجب ایجاد خوردگی در لایه های آلومینیوم و اکسید سیلیکون روی تراشه می گردد، لزوم استفاده از مواد حکاکی دیگر که سازگاری بسیار خوبی با فرآیندهای ساخت CMOS را دارند، موجب می گردد.[23,24]
مزیت اصلی میکروماشین کاری حجمی سیلیکون بر روش سطحی، استفاده از خواص عالی فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی سیلیکون تک کریستالی در فرآیند حجمی است. همین موضوع سبب افزایش ایمنی طراحی و مدل سازی قطعات میکروالکترومکانیکی تولیدی در این روش می شود. شکل 6 نمای کلی و از وسط بریده شده یک سنسور پیزو مقاومتی را نشان میدهد و براحتی میتوان چگونگی کارکرد این چنین سنسورهایی را تشخیص داد. فشار وارده از زیر دیافراگم باعث خمیده شدن دیافراگم گشته و این باعث تغییر استرس در دیافراگم میشود و همانگونه که از شکل 6 مشاهده میشود معمولاً مقاومتها در ناحیه ای تعبیه میشوند که بیشترین تغییر تنش در آن اتفاق میافتد و سپس این مقاومتها که در مدار پل وتستون قرار گرفته اند تغییر مقاومت را به تغییر در ولتاژ تبدیل میکنند . همچنین چگونگی اتصال مقاومتها بوسیله لایه فلز و محل صفحه های پد (Pad) نیز کاملاً پیداست .
شکل 2-8: شماتیکی کامل از سنسور فشار مقاوتی[25]
2-6 سنسورهای فشار پیزو مقاومتی با مقاومت یکپارچه
در بررسی های انجام شده با این قضیه مواجه شدیم که شرکت هایی همچون Motorola و Freescale Semiconductor سنسورهای فشار خود را بر عکس آنچه در مقالات دانشگاهی ارائه میشود، با استفاده از مقاومت های پیزو یکپارچه در یک ضلع دیافراگم تولید میکنند و نشان داده اند که عملکرد این نوع سنسور ها بهتر از سنسورهایی است که در چهار ضلع دیافراگم مقاومت قرار می دهند. [32] در ادامه نمونه ای از این سنسور ها را مورد بررسی قرار خواهیم داد.
شکل2-7 نمایانگر سنسور فشار شرکت Motorola با نام تجاری XducerTM و مدل MPX100 است که در بازار خودرو و سنسورهای MAP(Manifold Absolute Pressure) کاربرد بسیار دارد. همانطور که مشاهده میکنید از یک مقاومت پیزو به شکل X در آن برای سنجش فشار استفاده شده است.

شکل2-9: XducerTM موترولا در روی دیافراگم و شکل آن
در این سنسور به محور پهن X ولتاژ تغذیه متصل است و از دو باله نازک X اختلاف پتانسیل ناشی از فشار وارده به دیافراگم، به سیستم الکترونیکی انتقال داده میشود. محور x (دیواره دیافراگم) در جهت {110} می باشد و مقاومت پیزو به مقدار 45 درجه دوران یافته و بازوهای آن در جهت {100} قرار دارند. با اعمال فشار به دیافراگم این سنسور، مقاومت پیزو آن متحمل تنش میشود. این سنسور از مقاومت پیزو نوع P استفاده میکند. روابط برای پیزو نوع P و نحوه عملکرد این سنسور در ادامه ذکر شده است.
یک دستگاه مختصات به مرکز مقاومت پیزو در نظر میگیریم به طوری که محور x آن در راستای بازوی پهن آن و محور y آن در راستای بازوهای خروجی سیگنال و محور z آن در راستای نرمال دیافراگم است. رابطه بین میدان الکتریکی و جریان در راستای محورهای این دستگاه به صورت زیر میباشد:
که در آن جمله دوم بیانگر تغییرات مقاومت ناشی از تنش های وارده به پیزو رزیستور است. در حالت کلی رابطه بین این تغییرات با تنش وارده به صورت :
است که با توجه به تقارن کریستالی سیلیکون این ماتریس به صورت زیر ساده میشود :
برای سیلیکون نوع P ضریب π44، 100 برابر بزرگتر از π12 و π11 است. عضو π66 (که از نظر عددی برابر با π44 است) تنش برشی σxy را به ∆ρxy کوپل میکند و ∆ρxy نیز جریان در جهت x را به میدان الکتریکی در جهت y کوپل میکند. این اساس کار این سنسور است.
خروجی این سنسور برای بازه کاری آن (0 تا 100 کیلو پاسکال) به این صورت است :
شکل2-10 : توزیع پتانسیل روی مقاومت XducerTM
شکل2-11 : خروجی سنسور بر حسب فشار وارده
شرکت Motorola ادعا کرده که با استفاده از ترانسدیوسر جدیدی با نام Picture-Frame که در زمان این ادعا در مرحله تحقیقاتی به سر میبرد خواهد توانست ولتاژ خروجی، توان مصرفی و حساسیت به نویز را بهبود بخشد. ما بر آن شدیم تا با استفاده از معنای لغت Picture-Frame سنسوری را که هیچ اطلاع فنی و غیر فنی از آن نداریم را بر اساس ایده دریافتی از این لغت طراحی کنیم! در فصل بعد روند طراحی این سنسور بررسی خواهد شد.
فصل سوم
طراحی و شبیه سازی سرعت سنج
3-1-مقدمه
در فصل های قبلی با اشاره به انواع روش های سرعت سنجی و اندازه گیری های آنها به نتایجی در مورد انتخاب نحوه انجام این عمل و اندازه گیری آن رسیدیم. برای سرعت سنجی از روش فلو متری استفاده خواهیم نمود که برای استفاده در هر سیستم نقلیه ای اعم از اتومبیل، هواپیما و کشتی قابل استفاده خواهد بود. برای عمل فلو متری روش های مختلفی موجود است که در فصل اول برخی از آنها را مورد بررسی قرار دادیم و بر آن شدیم تا از لوله پیتو به خاطر شرایط بهتر آن در ایجاد فشار و استفاده از آن در کشتی ها و هواپیما ها در حال حاضر، استفاده کنیم. برای اندازه گیری فشار حاصله در لوله پیتو نیز از فشار سنج میکرو ماشینی استفاده خواهیم نمود که در فصل 2 انواع آنها بررسی شده و به دلیل خطی بودن در بازه عمل از نوع پیزو مقاومتی آن استفاده خواهد شد. در ادامه به بررسی، محاسبات و شبیه سازی ادوات استفاده شده در این سیستم خواهیم پرداخت.
3-2-لوله پیتو
3-2-1-لوله پیتو استاندارد
همانطور که در فصل اول نیز اشاره شد لوله پیتو در طول زمان دست خوش تغییراتی در ساختار خود شده و در نهایت کامل ترین نسخه آن که لوله پیتو-استاتیک است در حال حاضر در سرعت سنجی هواپیما، کشتی و فلو مترهای صنعتی استفاده میشود.
شکل3-1: مقطع عرضی لوله پیتو-استاتیک و مدل 3 بعدی آن
فشار ایجاد شده در این لوله ناشی از سرعت سیال به صورت زیر محاسبه میشود، صورت قانون برنولی برای سیالات غیر قابل تراکم اعم از آب عبارت است از :
v^2/2g+z+p/ρg=cte
پس برای دو سرعت متفاوت داریم :
(v_1^2)/2g+z_1+p/ρg=(v_2^2)/2g+z_2+p/ρg
با ساده کردن معادله، شرط Z1=Z2 و V2=0 (Stagnation Point) خواهیم داشت :
(v_1^2)/2+p_1/ρ=p_2/ρ → v_1=√((2(p_2-p_1))/ρ)
و بدین صورت سرعت فلو بدست میآید. در حالت V2=0 ، P2 برابر با Ps خواهد بود و به طور کلی داریم:
v=√((2(p_total-p_Stagnation))/ρ)
که در آن v سرعت سیال، Pt فشار کل، Ps فشار استاتیکی و ρ چگالی سیال میباشد.
شکل3-2: محاسبات مربوط به لوله پیتو[27]
با توجه به بررسیهای انجام شده حداکثر سرعت کشتی های نظامی از 40 گره دریایی تجاوز نمی کند. [28] هر گره دریایی برابر با 0.51 متر بر ثانیه است. ما حداکثر سرعت آب را برای این طرح 30 متر بر ثانیه معادل 58.3 گره دریایی در نظر گرفتیم که بسیار بالا تر از حداکثر سرعت کشتی های نظامی موجود است.
برای این سرعت حداکثر اختلاف فشار بدست آمده از رابطه بالا برای لوله پیتو برابر است با 450 کیلو پاسکال. در نمودار زیر تغییرات فشار در لوله پیتو بر حسب سرعت به صورت ایده آل رسم شده است. (در عمل با در نظر گرفتن عواملی مثل اصطکاک لوله و آب فشار از این مقدار کمتر خواهد بود.)
شکل3-3: نمودار تغییرات فشار بر حسب سرعت در لوله پیتو
3-2-2-شبیه سازی لوله پیتو استاندارد
برای شبیه سازی لوله پیتو آن را در داخل یک لوله عریض و طویل مشابه به شرایط آن در آب دریا قرار داده و به آب داخل این لوله سرعت 30 متر بر ثانیه را از چپ به راست اعمال کردیم تا اختلاف فشار در دو دهنه لوله را محاسبه کنیم. مدل سازی این ساختار با نرم افزار AutoCAD و شبیه سازی آن با نرم افزار COMSOL انجام گرفته است.
شکل3-4: مدل دو بعدی شبیه سازی شده در COMSOL

دسته بندی : پایان نامه ارشد

دیدگاهتان را بنویسید