«عملگرهای میکروالکترومکانیکی» مکانیزم هایی هستند که انرژی را به حرکت تبدیل می کنند. به عنوان مثال هایی از این دستگاه ها می توان به میکرونوسانگرها، میکروسوییچ ها، میکروسوپاپ ها، میکروپمپ ها، میکروموتورها، میکروآینه ها اشاره نمود. البته میکروحسگرهای مرتعش نیز مکانیزم هایی هستند که ایجاد حرکت می کنند، اما وظیفه آنها آشکارسازی تغییرات فیزیکی در محیط از طریق حرکت است، به این دلیل می توان آنها را دسته ای از میکرو عملگرها نیز به حساب آورد.
۱-۱-۳ انواع عملگرهای میکروالکترومکانیکی
تغییر مقیاس عملگرهای بزرگ به میکروعملگرها حساسیت رفتار سیستم به تغییرات در پارامترهای آن را به مقدار قابل توجهی عوض می کند. اگرچه قوانین فیزیکی و مشخصات ماده ای یکسانی بر دنیای ماکرو و میکرو حاکم است، اما میکروعملگرها نیاز به طراحی مکانیکی جدیدی دارند. حجم ها و مشخصات حجمی، به عنوان مثال وزن، با مقیاس توان سوم بعد طول کوچک می شوند. از طرف دیگر سختی تیرها و صفحات بترتیب با مقیاس طول و توان دوم آن تغییر می کنند.
برخلاف آنچه معمولاً تصور می شود، استفاده از میکروعملگرها تنها محدود به کاربردهای در مقیاس میکرو نمی شود. در موارد متعددی از مجموعه فعالیت های میکروسکوپی برای ایجاد تأثیرات در مقیاس ماکروسکوپی استفاده شده است. استفاده از مجموعه میکروعملگرها در سیستم های ماکروسکوپیک معمولاً در کاربردهای بیولوژیک سیستم های میکروالکترومکانیکی و MOEMS صورت می گیرد.

( اینجا فقط تکه ای از متن پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )

چگونگی تبدیل انرژی ورودی به انرژی مکانیکی در میکروعملگرها بسته به نوع تحریک متفاوت است. در اینجا بطور مختصر هریک را شرح می دهیم:
۱-۱-۳-۱ تحریک مغناطیسی
در این روش، نیرو با بکارگیری یک میدان مغناطیسی القا می شود تا یک ماده مغناطیسی را تحریک کند. این مکانیزم تحریک براحتی قابل استفاده در مقیاس میکرو است، اما یک مرتبه کاهش در بعد طول دستگاه نیروی اعمالی را چهار مرتبه کاهش می دهد(زیرا نیروی وارد شده با توان چهارم بعد طول نسبت مستقیم دارد). نیروهایی که بوسیله این نوع تحریک در سیستم های میکروالکترومکانیکی قابل دستیابی هستند درحدود ۰٫۱ تا ۱۰۰ میکرو نیوتن هستند.
۱-۱-۳-۲ تحریک توسط مواد پیزو الکتریک
این مواد توان الکتریکی را به حرکت مکانیکی تبدیل می کنند که این تبدیل در نتیجه یک تغییر شکل بلورین در آنها ایجاد میشود. به این پدیده اثر معکوس پیزوالکتریک گفته می شود. نیروی تولید شده در ادوات میکروالکترومکانیکی با بکارگیری مواد پیزوالکتریک بین ۱۰ تا ۱۰۰۰ میکرو نیوتن است.[]
۱-۱-۳-۳ تحریک دمایی
استفاده از اثر ژول و تغییر شکل مواد در نتیجه انبساط حرارتی قاعده کلی حاکم بر این نوع تحریک است. با انتخاب درست و دقیق ماده و هندسه عملگر می توان به گستره وسیعی از نیروها و جابجایی ها دست یافت. البته معایبی چون دشواری ایزوله کردن تغییرات دما در یکی از اجزای دستگاه، تبادل حرارتی احتمالی با دیگر اجزا و کند بودن تحریک مانع از گسترش کاربرد این مکانیزم تحریک می گردد[[۷].
۱-۱-۳-۴ تحریک توسط آلیاژهای حافظه دار
این مواد یک گروه خاص از عملگرهای حرارتی هستند که در آنها عوض کردن دما شکل تغییریافته عملگر را به حالت اولیه باز می گرداند. تغییر دادن تناوبی دما، ماده را بین حالت تغییر شکل یافته و حالت اولیه تحریک می کند. از بین انواع گوناگون عملگرها این دسته بیشترین مقدار نیرو و در نتیجه بیشترین جابجایی را فراهم می کنند. معمولاً آلیاژهای نیکل تیتانیوم (NiTi) و پلیمرها در ساخت این دسته از میکروعملگرها مورد استفاده قرار می گیرند [].
۱-۱-۳-۵ تحریک الکترواستاتیک
نیروی الکتروستاتیک یا (نیروی کولمب) یک نیرو با توزیع سطحی است که بدلیل وجود یک میدان الکتروستاتیک بین دو صفحه رسانای دارای بار الکتریکی ایجاد می گردد. در سیستم های میکروالکترومکانیکی وقتی یک ولتاژ بین دو سطح رسانا مثل تیرها، صفحات و یا دیافراگم ها برقرار می شود، یک نیروی جذب کننده بین آنها بوجود میآید. وقتی فاصله بین دو صفحه کاهش می یابد، چگالی انرژی در عملگر بالا می رود و بدین ترتیب می توان میدان های الکتریکی بزرگی بدون نیاز به ولتاژهای بالا ایجاد نمود. این دسته از عملگرهای میکروالکترومکانیکی که تحریک در آنها بصورت الکتروستاتیک انجام می شود، نیروهای کوچکی در حدود ۱ تا ۱۰۰ میکرو نیوتن ایجاد می کنند، اما جابجایی های آنها گاهاً به ۲۰۰ میکرومتر نیز می رسد. از مزایای این دسته از عملگرها می توان به موارد زیر اشاره نمود:

• • قابلیت ساختن سبتاً آسان بر روی قطعات نازک سیلیکون

• • قابلیت مجتمع سازی کنترلرهای الکترونیکی بر روی یک تراشه

• • سرعت تحریک بالا

بدلیل سادگی تحریک الکتروستاتیک، استفاده از آن در ادوات میکروالکترومکانیکی بسیاررایج است. این روش تحریک به هیچ یک از اجزا و عوامل اضافی مانند سیم پیچ، هسته و مواد خاص مانند آلیاژهای حافظه دار و یا سرامیک های پیزوالکتریک نیاز ندارد. در نتیجه از آن بعنوان عامل تحریک در میکرو نوسانگرها، میکرو ژیروسکوپ ها، میکرو شتاب سنج ها، میکروپمپ ها و میکرو سوییچ هایRF استفاده می شود. در بخش بعد در مورد این عملگرها به تفصیل توضیح می دهیم.
۱-۱-۴ میکروعملگرهای الکتروستاتیک []
یک میکروعملگر الکتروستاتیک در واقع یک خازن با فاصله هوایی است که از یک میکروتیر متحرک (الکترود بالایی) و یک صفحه ثابت (الکترود پایینی) تشکیل شده است که به منبع ولتاژ متصل شده است. در نتیجه یک میدان الکتریکی بوجود می آید که سبب می گردد میکرو تیر بالایی تغییر شکل دهد و به سمت الکترود پایینی جذب گردد. با تغییر شکل میکروتیر بتدریج نیروهای بازگرداننده در آن افزایش یافته، پس از مدتی با نیروی الکتریکی به سمت پایین به تعادل میرسد. اما با افزایش ولتاژ به جایی می رسیم که رشد نیروی الکتریکی بیشتر از نیروی بازگرداننده میکرو تیر شده و سیستم نمی تواند به یک نقطه تعادل برسد. در نتیجه میکروتیر آنقدر تغییر شکل می دهد تا به سطح الکترود پایینی برخورد نماید. به این پدیده ناپایداری کششی^[۲۰] و به کمترین ولتاژی که این پدیده در آن رخ می دهد، ولتاژ حد ناپایداری کششی گفته می شود. دانستن ولتاژ ناپایداری کششی برای تعیین نمودن محدودیت های عملکردی میکروعملگرها ضروری است. بعضی از ادوات میکرو الکترومکانیکی، مثل میکرونوسان گرها، در محدوده پایدار کار می کنند و لذا باید از وقوع ناپایداری کششی در آنها بشدت جلوگیری نمود. در موارد دیگر، مانند میکروسوییچ ها، ناپایداری کششی عمداً ایجاد می شود. این ناپایداری عمل انتقال حالت میکرو سوییچ از وضعیت خاموش به وضعیت روشن را انجام می دهد. بنابراین در هر دو حالت دانش کافی از پارامترهایی که بر وقوع ناپایداری یا چگونگی آن تأثیرگذار هستند، برای طراحی بهتر این سیستم ها ضروری است.
۱-۱-۵ پدیده های معمول در سیستم های میکروالکترومکانیکی []
در این قسمت پدیده های معمول در سیستم های میکروالکترومکانیکی که در اکثریت این سیستم ها به چشم می خورد را مختصرا معرفی می کنیم. بنابراین درک کامل این پدیده ها برای نائل شدن به طراحی برتر در ادوات میکروالکترومکانیکی حیاتی است.
۱-۱-۵-۱ میرایی لایه فشرده سیال^[۲۱]
ادوات میکروالکترومکانیکی از خازن هایی با صفحات موازی استفاده می کنند که در آنها یک صفحه به صورت الکتریکی تحریک می شود و حرکت آن با تغییرات ظرفیت تشخیص داده می شود. برای افزایش راندمان تحریک و بهبود حساسیت تشخیص، فاصله بین صفحات خازنی مینیمم و مساحت الکترودها ماکزیمم می شود. در چنین شرایطی میرایی لایه فشرده سیال اهمیت زیادی می یابد. این پدیده در نتیجه حرکت دست جمعی ملکول ها به سمت بیرون اتفاق می افتد که با لزجت سیال مخالفت می شود. لذا توزیع فشار خاصی زیر صفحه به وجود میاید که دربرابر حرکت صفحه به پایین مقاومت می کند.
۱-۱-۵-۲ میرایی ترموالاستیک^[۲۲]
اخیرا نشان داده شده است که میرایی ترموالاستیک می تواند به عنوان یک منبع غالب میرایی ذاتی در ادوات میکروالکترومکانیکی عمل کند. میرایی ترموالاستیک نتیجه جریان حرارت بازگشت ناپذیر تولید شده توسط کرنش های فشاری، کششی و برشی سازه نوسان گر است. سازه تحت خمش یک سمتش در حال کشش و سمت دیگرش در حال فشار با یک دمای بالاتر است. این تغییرات دما باعث به وجود آمدن گرادیان دمایی داخل ماده سازه که خود را برای برقراری تعادل دمایی تنظیم می کند، می شود، ولی با توجه به بازگشت ناپذیر بودن فرایند، انرژی مورد استفاده در این خود تنظیمی، حتی اگر سازه به حالت اولیه با خمش صفر برسد، قابل بازیابی نیست. به همین دلیل گاهی میرایی ترموالاستیک را اصطکاک داخلی^[۲۳] می نامند.
۱-۱-۵-۳ ناپایداری کششی
پدیده ناپایداری کششی بر دو نوع است که به نحوه اعمال ولتاژ بستگی دارد:

• • ناپایداری کششی استاتیکی

ناپایداری کششی دینامیکی

در بررسی ناپایداری کششی استاتیکی فرض می شود ولتاژ به تدریج و به صورت تعادلی از صفر زیاد شده تا به مقدار دلخواه برسد. در این حالت تنها تعادل بین نیروی الکترواستاتیک و نیروی بازگرداننده فنری میکروتیر در نظرگرفته شده و از میرایی هم صرفنظر می شود. بررسی هایی که بر مبنای مدل سازی یک درجه آزادی میکروتیر انجام شده است، نشان می دهد که در ناپایداری کششی استاتیکی، ولتاژ به حدی میرسد که تغییر شکل برابر با یک سوم فاصله هوایی اولیه می شود. از این ولتاژ به بعد امکان برقرار تعادل بین دو نیروی نامبرده وجود ندارد و نیروی الکترواستاتیک بر نیروی بازگرداننده میکروتیر غلبه نموده و میکرو تیر به سطح الکترود پایینی می چسبد. اما وقتی اعمال کردن ولتاژ خیلی سریع انجام شود، یعنی ولتاژ به صورت پله وارد وارد، در این حالت رژیم شبه تعادلی برقرار نبوده و تحلیل انجام گرفته درمورد ناپایداری کششی معتبر نیست. به این حالت ناپایداری کششی دینامیکی گفته می شود. در این حالت برای مدل سازی دقیق بایستی نیروی اینرسی و همچنین نیروی میرایی درنظر گرفته شود. تحلیل های صورت گرفته روی ناپایداری کششی دینامیکی نشان می دهد.که تغییر شکل ایجاد شده قبل از اینکه ناپایداری کششی اتفاق بیفتد، در حدود ۷۰ درصد فاصله هوایی اولیه است. این ویژگی پتانسیل خوبی برای ساخت میکرو محرک های با کورس کاری بالاتر ایجاد می کند.
۱-۲ مواد متغیر تابعی
۱-۲-۱ مقدمه
طبق تعریف، مواد متغیر تابعی موادی هستند که برای بوجود آوردن تغییرات تدریجی در مشخصه های اجزای ریزساختارها یا ترکیبات بکار می روند. به عنوان مثال بدنه یک چرخدنده بایستی چقرمه باشد، در صورتی که باید سطحی مقاوم و سخت در برابر سایش داشته باشد و یا در مورد پره ی یک توربین نیز بدنه پره باید محکم و مقاوم در برابر خزش باشد، در حالی که سطوح خارجی آن باید سخت و ضد زنگ باشد. مهم ترین کاربرد مواد متعیر تابعی بهبود مشخصه های مکانیکی اجزا به طرق زیر می باشد:

• • از آنجا که در این گونه مواد انتقال از یک ماده به ماده دیگر تدریجی می باشد، تمرکز تنش نسبت به موادی که تغییرات ناپیوسته دارند، بسیار کاهش یافته است.

• • اندازه تنش های حرارتی می تواند مینیمم گردد، همچنین نواحی بحرانی که ماکزیمم تنش حرارتی در آن قسمت بوجود می آید، می تواند کنترل شود.

• • شروع تسلیم پلاستیک و شکست برای بارگذاری مکانیکی و حرارتی می تواند با تأخیر اتفاق بیفتد.

• • مقاومت باندهای واسط بین جامدات غیرهمگون مانند فلز و سرامیک با کاهش پیوسته ترکیب یا جهت دار کردن تغییر خواص مکانیکی می تواند افزایش پیدا کند.

مواد متغیر تابعی دارای ساختار متالورژیکی متفاوت هستند. بنابراین موادی مرکب با خواص میکروسکوپی غیرهمگن محسوب می شوند، اما تغییرات پیوسته در میکروساختار مواد متغیر تابعی آنها را از مواد مرکب متعارف، مجزا می سازد. در مواد متغیر تابعی تغییرات تدریجی می باشد و به تدریج از یک ماده کاهش و به ماده دیگر اضافه می گردد.
۱-۲-۲ تاریخچه مواد متغیر تابعی