بررسي اثر تحريك الكترواستاتيك بر رفتار الكترومكانيكي ميكرو حسگرهاي فشار خازني

Investigation of the Effect of Electrostatic Actuation on the Electromechanical Behavior of Capacitive Pressure Microsensors

هدف از اين پژوهش، بررسي رفتار الكترومكانيكي ميكرو حسگر هاي فشار خازني و بررسي اثر اعمال تحريك الكترواستاتيك بر عملكرد و دقت اين سيستم ها مي باشد. حسگر به صورت يك صفحه دايرهاي انعطاف پذير در نظر گرفته شده است كه يك فاصله اوليه از يك صفحه صلب دارد و بين آن دو خلاء است. در اثر فشار محيط و همچنين اعمال ولتاژ بين دو صفحه، ورق انعطاف پذير خيز برداشته و به پايه ثابت نزديك مي گردد. با نزديك شدن صفحه به پايه، ظرفيت خازني بين آنها تغيير مي كند كه اين تغيير وابسته به خيز صفحه انعطاف پذير و يا به عبارتي وابسته به فشار محيط است. بنابراين در صورت معلوم بودن رابطه ميان فشار و ظرفيت خازني، مي توان با اندازه گيري ظرفيت خازني فشار محيط را محاسبه نمود. از اين رو در كار حاضر، رابطه ميان ظرفيت خازني و فشار خارجي مطالعه گرديده است. در اين راستا، نخست معادله حاكم بر خيز ميكرو ورق تحت بار الكترواستاتيك و همچنين فشار خارجي استخراج شده است. اين معادله با استفاده از روش گلركين به يك معادله جبري تبديل شده و با بكارگيري يك روش مبتني بر تكرار حل شده است. در بخش نتايج، اثر پارامترهاي مختلف مانند ولتاژ اعمالي و همچنين فشار محيط بر روي ظرفيت خازني و حساسيت دستگاه مطالعه شده و همگرايي و دقت الگوريتم مبتني بر تكرار نيز بررسي شده است.

In this study, electromechanical behavior of the micro scaled capacitive pressure sensors is investigated and the effect of electrostatic actuation on the performance of the device is analyzed. The sensor is considered as a circular microplate with an initial distance from a fixed substrate. Due to electrostatic load and external pressure, the plate deflects and the capacitance of the device changes. The external pressure can be estimated by measuring this change of capacitance. Hence, in this research, the relation between the capacitance and external pressure is studied. To this goal, the equation governing static deflection of the microplate is derived in polar coordinates. This equation is converted to an algebraic equation using Galerkin approach and then solved utilizing an iterative method. Finally, the effects of external pressure and applied voltage on the capacitance and sensitivity of the device are investigated and the convergence of the proposed iterative algorithm is analyzed.