تبریز واحد اسالمی آزاد دانشگاه

مکاترونیک ، مکانیک دانشکده

MEMS درمختلف سنجش شتاب های روش

جناب آقای دکتر والدی استاد :

سامان باقرزاده کثیری :دانشجو

900755904

2 مکاترونیک

1991زمستان

ها سنجمقدمه ای بر اصول کلی شتاب -1

مکانیزم برمبتنی ها آن تمامی تقریبا جود دارند که جهت سنجش شتاب و مختلفی های روش

وزنه شتاب وارد زمانی که به قانون دوم نیوتونبا توجه به که باشند میمیراگر و فنر ،وزنه

و مشخص بودن مدل سیستم این جابجایی و با اندازه گیری باعث جابجایی آن شده شود می

.آورد شتاب را بدست توان می

پارامترهای دینامیک و توان می جرم وزنه و مقدار میرا گری ،با تغییر میزان سختی فنر

و سرعت اندازه زمان پایداری ،پهنای باند سیستم ،استاتیک سیستم را از قبیل فرکانس تشدید

باز کم بوده که با ایجاد حلقهالبته محدوده تغییر در یک سیستم تغییر داد.به دلخواه گیری را

ال ه دبیشتر کنترل کرد و به سیستم ایپارامتر های فوق را توان مییک سیستم حلقه بسته

ترمودینامیک قوانینگیری شتاب با استفاده از اندازه های سیستم برخی درشد . تر نزدیک

هدف ایده که استفاده محدودی دارند. شود نمیاستفاده فنر وو از مکانیزم جرم گیرد میصورت

رسیدن به یک سیستم کم نویز، بسیار خطی ، پاسخ خوب دینامیکی ها سنجال در طراحی شتاب

طور به. باشد میشتاب سنج ، مصرف کم توان ، وابستگی کم به دمای محیط و پایداری باال

حلقه باز های سیستمکه شوند میبه دو صورت حلقه باز و حلقه بسته طراحی ها سیستمکلی

حلقه بسته گران قیمت های سیستم و شوند میده تر بوده و در کاربردهای غیر حساس استفاده سا

بوده ولی کیفیت باال تری خواهند داشت. پیچیده و

( : open loop systemباز ) لقهح های سیستم : 1-1

قرار مستقیم مورد استفاده طور بهحاصل از سنسور های سیگنالدر صورتی که

ستم حلقه باز خواهیم داشت . در این نوع سیستم برای رسیدن به پارامتر گیرد یک سی

های مورد نیاز باید مشخصات مکانیک آن را تغییر بدهیم برای مثال افزایش جرم

عالوه بر این امر خود شود میشدن رفتار سیستم تر خطیوزنه که موجب غیر

االستیک غیر خطی دارد است رفتار ها سیستماصلی ساخت این پایهسیلیکون که

که موجب تشدید غیر خطی بودن کل شتاب سنج خواهد شد . در بسیار از کاربرد

حلقه باز استفاده های سیستمهای ساده و با دقت پایین این اشکاالت قابل قبول بوده و

. شود می

( :close loop systemحلقه بسته ) های سیستم: 1-2

مثال مال نیرو عیک سیستم ا اگرمیر و فنر، عالوه بر مکانیزم جرم ها سیستمدر این نوع

شده نیز وجود دارد . حرکت وزنه در اثر شتاب اندازه گیری الکترواستاتیکاعمال نیروی

سیستم کنترل به مکانیزم اعمال ،این سیگنال به عنوان خطا به سیستم کنترل داده شده و

تا وزنه را به حالت اول برگر داند سیگنال اعمال شده از طرف سیستم دهد مینیرو فرمان

کنترل به مکانیزم اعمال نیرو متناسب خواهد بود با شتاب اعمالی به کل سیستم . از

به موارد زیر اشاره کرد . توان میمزایای استفاده از سیستم حلقه بسته

با مقایسه درشتاب از حالت سکون خود منحرف شده اثر درسان وزنه که نو -1

سیستم حلقه باز بسیار کمتر خواهد شد در این حالت با توجه به کاهش نوسان اثرات

کار خواهد کرد . تر خطیغیر خطی فنر سیلیکونی نیز کاهش یافته و سیستم

افزایش داد . با طراحی سیستم کنترل مناسب دینامیک سیستم را توان می -2

باندبه حساسیت مورد نیاز با پهنای توانیم میبا طراحی سیستم کنترل مناسب -3

افزایش و با نبوده پذیرحلقه باز امکان سیستم در امرمناسب دست پیدا کرد این

. یابد میحساسیت پهنای باند کاهش

ات استاتیک و دینامیک سنسور وابسته به مشخص رفتاردر حالت حلقه باز تمامی -4

و خواهد بود در تولید انبوه مشکل ساز مسئلهو این باشد میمکانیکی و ابعادی آن

با هم ساخت استاندارد فعلی امکان تغییر مشخصات در سنسورهای های روشبا

.% نیز وجود دارد 22تا

اندازه گیری شتاب های روش -2

بر اساس اندازه گیری شتر اندازه گیری شتاب که بی های روش ترین مهمدر این قسمت

مانند جابجایی وزنه یا کرنش تیر نوسان بر اثر های سیستم جرم ، فنر و میراگر پارامتر

. شود میمطرح باشد میتنش حاصل از شتاب

: Piezoresistive Accelerometers))رزیستیو شتاب سنج پیزو: 2-1

غییر مقاومت الکتریکی یک مطرح کرد که ت گونه این توان میخاصیت پیزورزیستیو را

وارد شده به نیمه رسانا که فشاری نیمه رسانا در اثر اعمال تنش بر آن . در اثر نیروی

و این کرنش بر ساختار کریستالی سیلیکون اثر کرده و شود میباعث ایجاد کرنش در آن

به راحتی ها الکترون.در نتیجه شود می bandgapsاتمی و شعاع رب تأثیر باعث

. یابد میکاهش اثر این امر مقدار مقاومت نیمه رسانا در وبه باند رسانش برسند توانند می

.شود میحال اگر نیرو کششی اعمال شود باعث افزایش مقاومت نیمه رسانا

ناشی از که راوزنه جابجایی خواهیم میحال یک سیستم جرم، فنر میراگر ساخته شده و

یک بیم ساخته صورت بهفنر memsاعمال شتاب اندازه گیری شود ، در ساختارهای

سمت آن که و یک باشد میکه طول آن نصبت به سطح مقطع آن بسیار بیشتر شود می

. در باشد میدار گیر گاه تکیهیک صورت بهشامل وزنه است آزاد بوده و سمت دیگر آن

قانون دوم نیوتون بر وزنه که جرم بیشتری دارد وارد اثر شتاب یک نیرو بر اساس

به شود میاین نیرو بیم در جهت عکس شتاب با توجه به ساختار، خم اثر در شود می

. شود میکه یک سمت آن فشرده شده و سمت دیگر آن کشیده صورتی

متناسب با خمش، در این مرحله اگر بر روی این بیم پیزورزیستور نسب کنیم مقاومت آن

با نصب دو پیزورزیستر تغییر خواهد کرد . متناسب با شتاب اعمالی نهایت در ونیرو

در سمت مخالف هم و استفاده از پل وتستون مقدار شتاب را با دقت بیشتری اندازه گیری

در یک سمت عمال با توجه به مشکل بودن ایجاد پیزورزیست در دو سمت بیم . شود می

گی به دما در این روش خواهد شد.وابستامر باعث این د داشت و وجود خواه

: (Capacitive Accelerometers) خازنی سنج شتاب :2-2

از روش این در .باشد میگیر میرا وجرم ،فنر این نوع شتاب سنج نیزساختار مکانیکی

جابجایی صفحات یک خازن و یا جابجایی دی منظور بهجابجایی وزنه در اثر شتاب

. شود میالکتریک بین صفحات استفاده

( ها صفحه فاصله ورفیت خازن به سه عامل )مساحت صفحات ،نوع دی الکتریک ظ

در متغیر را ها صفحهسهولت ساخت فاصله دلیل بهوابسته است که در اکثر کاربردها

. گیرند میظر ن

ها صفحهولی فاصله بوده مساحت و نوع دی الکتریک ثابت برای مثال در یک نمونه

یک صفحه بر روی وزنه و صفحه دیگر بر روی قسمت ثابت است که با نصب متغیر

خود وابسته به حرکت وزنه که ها صفحهفاصله بین و با این عمل شود میحاصل سیستم

.خواهد شد مرتبط آن است وارده بهمتناسب با شتاب

زیر شرح بهکه متغیر وجود دارد خازنیزه گیری ظرفیت حالت اصلی برای اندا سه

است .

AMکه در واقع یک مدوالسیون و اندازه گیری کاپاسیتانس AC های پلاستفاده از -1

خواهیم داشت .

و شود میب حاصل استفاده از یک مدار تانک که تغییر فرکانس متناسب با شتا -2

ساخت . FMیک سنسور بی سیم با مدوالسیون توان می

که بار را روی صفحه های ثابت نگاه داشته و با تغییر ظرفیت خازنی DCحالت -3

ولتاژ تغییر پیدا کند.

استفاده از صفحات خازنی به عنوان سنسور و هم ها سنجاین نوع شتاب های مزیتاز

دقیق حلقه های سنجبه این دلیل در ساخت شتاب اشدب میعملگر در سیستم حلقه بسته

.شود میاز این ساختار استفاده اکثرا بسته

بهخازن چندینو سازند میشانه ای صورت بهدر عمل صفحات خازنی این سنسور را

سری و موازی به هم متصل شده و تا ظرفیت نهایی حاصل شود . صورت

( : Piezoelectric Accelerometers) الکتریک پیزو سنج شتاب: 2-3

بوده و برای اندازه گیری گیر میرا و ،فنر جرم سنج شتاب نوع این مکانیکی ساختار

پیزوالکتریک اثر. شود میکریستالی استفاده جابجایی از خاصیت پیزوالکتریک مواد

تبدیل و الکتریکی انرژی به مکانیکی انرژی تبدیل برای باشد می مواد برخی توانایی

تک جمله از مواد انواع در پیزوالکتریک ثرا .مکانیکی انرژی به الکتریکی انرژی

الکتریکی پتانسیل اختالف تولید. شود می دیده مرکب مواد و بسپارها ها، سرامیک بلورها،

چه هر و هستند هم معکوس فشار یا کشش تحت کوارتز مثل نارسانا بلورهای برخی در

.خواهد بود تر بیش شده تولید پتانسیل اختالف باشد، تر بیش کشش یا فشار میزان

.شود میحالت استفاده 2از معموال برای اندازه گیری جابجایی

شکل زیر که در این حالت با خم شدن بیم صورت بهنسب پیزو بر روی بیم -1

که این امر موجب به شود میمال عمتصل به وزنه یک تنش به کریستال پیزو ا

با این روش وجود آمدن اختالف پتانسیل شده که متناسب با شتاب خواهد بود.

کوچک ساخت های شتابسیستمی با حساسیت باال و قابلیت اندازه گیری توان می

بسیار باال )ضربه ( مقاومت پایینی خواهد داشت. های شتابولی در برابر

قرار دادن مستقیم وزنه بر روی کریستال پیزو که در این حالت دیگر بیم نخواهیم -2

از کرنش کریستال در برابر تنش ناشی از شتاب و مستقیما داشت و حالت فنری

جرم وزنه خواهد بود در این حالت حساسیت سیستم کمتر شده ولی از نظر

باال و قدرت های شتابمکانیکی مقاومت بیشتری خواهیم داشت و امکان سنجش

. آید می وجود بهضربات را

( :Tunneling Accelerometersتونلی ) سنج شتاب : 2-4

کند میقبلی است و از جرم و فنر استفاده های روشساختار مکانیکی این سیستم نیز مانند

شود میو برای اندازه گیری جابجایی وزنه از روش اندازه گیری جریان تونل زنی استفاده

دقت این روش در اندازه گیری جابجایی بسیار باال بوده و نسبت تغییرات جریان تونل

معموال کوچک دقتی باال دارد. ابعاد درزنی به جابجایی یک رابطه نمایی خواهد بود که

و سیستم دارای فیدبک خواهد بود سازند میحلقه بسته صورت بهاین نوع شتاب سنج را

الکترواستاتیک عملگرگیری جریان تونل زنی یک اندازه وایجاد پس عالوه بر مکانیزم

نیز خواهیم داشت برای کنترل موقعیت وزنه .

که اگر دو رسانا به فاصله در به این صورت مطرح کرد توان میمفهوم تونل زنی را

که ما قادر رسد میبه حدی های الکترونزنی تونلحدود یک نانو متری هم برسند پدیده

انرژی کافی ها الکترون ظاهر دربه اندازه گیری جریان ناشی از این پدیده خواهیم بود.

اصول بر بنا ولیبرای عبور از سد که در اینجا یک فاصله هوایی کوچک است را ندارند

در آنجا ها الکترون حضوروجود دارد که احتمال نواحیفیزیک کوانتوم در آن طرف سد

از سد عبور خواهند کرد . میزان تونل زنی حتما ها الکتروناز صفر نیست پس قسمتی

زیر صورت بهوابسته به عرض سد است که یک رابطه نمایی با هم دارند ها الکترون

. شود میمطرح

ثابت بوده و تقریبا پارامترهاپهنای سد بوده و بقیه x زنی تونلجریان رابطه درکه

تونل. با اعمال شتاب به وزنه معرض سد هستندبه جنس و دما و شرایط محیط وابسته

که این تغییر وابسته به شتاب کند میزنی تغییر کرده و در نتیجه میزان جریان نیز تغییر

خواهد بود .

ولی بنا به باشد میگیری شتاب روش اندازه ترین حساسو ترین دقیقاین روش تئوریدر

ت این روش دالیلی تجاری سازی نشده و در حد تحقیقاتی باقی مانده است یکی از مشکال

است که ها نوترونو برخورد الکترواستاتیکزنی به دما مدان تونلوابستگی جریان

ه در این زمینه و یکی از مشکالت حل نشد کند میکنترل شرایط محیطی را دشوار

(long-term drift . در میدان الکتریکی است )

داشته ولی یکسانینمایش داده شده که کلیات ها سنجدر ادامه شکل دو نوع از این شتاب

ساختار های متفاوتی دارند.

کلی شامل سه طور بهن داده که اصلی این نوع شتاب سنج را نشا های قسمتشکل فوق

.شود می( تونلینگ نوک والکترود –صفحات عملگر الکترواستاتیک –بیم و وزنهقسمت)

نمایش داده شده که و مدار کنترل آن تونلیمختلف شتاب سنج های قسمتدر شکل فوق

بهکه تونلیجریان اپپرشامل سیستم کنترل حلقه بسته ، عملگرهای الکترواستاتیک و

که ساختاری متفاوت با شکل قبل دارد .. شود میک تیز در وسط قرا دارد ون صورت

:( Resonant Accelerometersتشدیدی ) سنج شتاب: 2-5

بوده و شتاب را بر اساس تغییر فرکانس اوسیالتور بسیار پیچیده ها سنجاین نوع از شتاب

.کند میاندازه گیری باشد می الکترومکانیکیداخلی که

ساختار این شتاب سنج پیچیده بوده و تجاری سازی نشده است . این نوع شتاب سنج فقط

عمل کند و برای آشکار سازی شتاب به مدارات جانبی پیچیده تواند میدر حالت حلقه بسته

ای نیاز هست .

در حال خأل با فرکانس طبیعی خود در فنر ودر این شتاب سنج میرا گر نداریم و جرم

که توسط سیستم کنترل شتاب سنج در همان فرکانس ثابت نگه داشته هستندنوسان

باعث.و با اعمال شتاب خارجی به جرم باعث تغییر مشخصات فیزیک در نتیجه شود می

سیستم شده که این تغییر فرکانس وابسته به شتاب اعمالی طبیعیتغییر فرکانس تشدید

خواهد بود .

. کند میمشخص در فرمول فوق که فرکانس طبیعی سیستم جرم و فنر را

(E مدول یانگ مواد سازنده بیم ::w بیم پهنای L طول بیم :t ،ضخامت بیم:M ، جرم وزنه :MB جرم بیم :)

سیستم شده و فرکانس طبیعی ابعاد تغییرباعث توجه به مدول یانگ با وارد شدن نیرو با

تغییر خواهد کرد.

زیر دسته بندی کرد . صورت به توان میرا ها سنجاجزای اصلی این شتاب

فنر وجرم -1

.باشد مالترالکتریک یا پیزو ، عملگر که ممکن است الکترواستاتیک -2

و یا تونلیکه ممکن است پیزو ،سیستم اندازه گیری فرکانس مجموعه جرم و فنر -3

هر مکانیزم سنجش جابجایی باشد .

. کند میرا با فرکانس مشخصی درایو ها آنسیستم تغذیه عملگرها که -4

. شود می(استفاده PLLاز ) معموال سیستم آشکار سازی تغییر فرکانس که -5

متناسب با شتاب را خروجیرا کنترل کرده و ها قسمتسیستم کنترل که تمامی -6

. کند میفراهم

یعنی برای هر اند یافتهدست نیز Hz/G 743در برخی از انواع طراحی شد به نسبت

شده است . با توجه به هرتز تغییر در فرکانس طبیعی سیستم حاصل 343یک جی شتاب

صورت بهرا نوسانگرها معموال گر سیستم بسیار باال خواهد بود .میرا عاملعدم وجود

تا خطای حرارتی را از فرکانس خروجی حذف کنند . سازند میدیفرانسیلی

مانند ساز آن حرارتی )که نوسان باشد میشتاب سنج تشدیدی شکل فوق بلوک دیاگرام یک

در نهایت و باشد میم و فنر از نوع پیزو جر بوده و سیستم اندازه گیری فرکانس (بی متال

در . شود میتبدیل متناسب با شتاب به ولتاژ مودوالتوریک دصل با استفاده از حا فرکانس

است تا در مراحل کالیبراسیون و تست این شتاب سنج یک مرجع داخلی نیز طراحی شده

سیستم مورد استفاده قرار گیرد.

:(Fabry-Perot interferometer Accelerometers ) اپتیکی سنج شتاب: 2-6

.شود میاستفاده و میرا گر فنرجرم ، ساختار نیز از این در معموال

اپتیکی پارامترهای ازبا استفاده وزنه جابجایی برای اندازه گیری ها روشانواع

طول موج و فرکانس ( یزاسیون ،اپوالر فاز، شدت ، تغییر) جملهوجود دارد از

.و معایب خاص خود را دارند ها مزیتک نور که هر ی

بر اساس تغییر طول موج که شود میبرای نمونه مطرح ها روشقسمت یکی از این در

.استفاده شده است پرو -فابری سنج تداخلز خاصیت در این نوع شتاب سنج ا . باشد می

گیرند میکنار هم قرار با فاصله و موازی ،باال کیفیت ،در این سیستم دو آینه نیمه شفاف

و ها آینه به نورزاویه ورود به بناموعه شده و سپس نوری از یک منبع وارد این مج

نور مجموعه داخل درو دفعات تکرار باز تابش نور ها آنو ضریب انعکاس ها آنفاصله

.تفاوتی از نور ورودی خواهد بوددارای طول موج م جیخرو

بیشتر شود ها آینهاین امر زمانی که فاصله

ایجاد شده در هر باز تابش بیشتر شده تأخیر

و در نتیجه بر طول موج نهایی نور

.گذارد می تأثیر سیستم خروجی از

با ثابت در نظر گرفتن سایر مشخصات

ت و دیگری را ثاب ها آینهسیستم اگر یکی از

و با اعمال شتاب را به وزنه متصل کنیم

ها آینهحرکت مجموعه جرم و فنر فاصله

تغییر کرده در نتیجه طول موج تغییر خواهد

کرد.

دوفاصله ،زاویه ورود نور ، در شکل فوق تغییر طول موج وابسته به طول موج اولیه

متناسب با را ها آینهحال اگر فاصله . خواهد بود ها آینهنور در داخل انعکاس و تعداد آینه

.سب خواهد بود با شتاب وارده به سیستم تغییر طول موج نور متناجابجایی وزنه باشد

پرو -فابری سنج تداخل خاصیت در شکل فوق یک سیستم شتاب سنج بر مبنای

صنعتی بر اساس این های سنجساخته شده است نمایش داده شده است در عمل شتاب

جنبه آزمایشگاهی دارد .و بیشتر شود نمیروش ساخته

(: Accelerometers Thermal: شتاب سنج حرارتی )2-3

خاصی دارد . مشخصات وکه ساختاری متفاوت داشته باشد می اصی از شتاب سنجخنوع

در کند میار ک ترمودینامیکاین نوع سنسور هیچ قطعه متحرکی نداشته و بر اساس قوانین

بسیار مقاوم است ولی الکترومغناطیسیضربات مکانیکی و تشعشعات نتیجه در برابر

پهنای باند بسیار محدود و دقت کمی دارد .

.باشد میمحفظه کوچک هوا یک و سنسور، چند این نوع سنسور شامل یک گرم کن

از شده منتشرو حرکتی ندارد در اثر حرارت شود نمیزمانی که به سنسور شتابی وارد

بسیار کم گرماالبته میزان شود مییک نواخت گرم صورت به محفظه داخلالمنت هوای

.نشود و همیشه یک گرادیان حرارتی در سیستم داشته باشیم اشباعتا سیستم باشد می

در اطراف گرم کن چندین سنسور دما وجود دارد که در شرایط عادی دمای یکسانی را

. کنند میندازه گیری ا

حال اگر به سیستم شتاب وارد شود با توجه به جرم کم هوا نیروی بسیار کمی به آن وارد

سنسور در خالف جهت اعمال شتاب های قسمتجابجایی نخواهد داشت ولی سایر واالشده

گرم در یک طرف هواییی هوا ، الت با توجه به لختی گرماحرکت خواهد کرد در این ح

نتیجه سنسور های دما در و خورد میدما در داخل حباب بهم نرمالو توزیع شود میجمع

که این اختالف دما متناسب با شتاب وارده به سیستم خواهد کنند میرا ثبت مختلفیدمای

.بود

حرارتی سنج شتاب یک مشخصات جدول پس از وارد شدن شتاب توزیع دما

ترکیبی از اکثرا که بیشتر جنبه تحقیقاتی داشته و دارد جو ومختلف دیگری نیز های روش

مطرح زیر جدول فوق های روش جمع بندی. در پایان برای باشند می الذکر فوق های روش

. شود می