کاربردهای تکنولوژی MEMSبه قدری گسترده است که میتوان گفت تقریباً در تمامی زمینه‌های مختلف صنعتی، شامل سیستم‌های مکانیکی، الکتریکی، نوری و شیمیایی، به نوعی استفاده میشود. ساخت سنسورها در مقیاس میکرو نسبت به سنسورهای سنتی در مقیاس ماکرو دارای سه مزیت عمده‌ی قیمت پایین ، اندازه کوچک ومصرف کم است که می‌توان مزایای زیر را نیز به نقاط قوت مذکور اضافه کرد:
آسانی ساخت و سرعت در تولید انبوه آن
قابلیت ساخت سیستم‌‌‌های پیچیده به صورت یکپارچه
یکسان بودن مشخصه‌های تعداد زیادی از یک محصول
دقت چیدمانی چند سنسور بر روی یک مدار
کاهش فرسودگی و پایداری مشخصه‌ها در زمان بیشتر
فصل دوم
پیشینه تحقیق
2-1مروری بر کلیات تاریخچه(MEMS)
مروری کلی بر تاریخچه تقریبا کوتاه میکرومکانیک و خلاصه ای از مراحل برجسته آن به شرح زیر می باشد:
در سال 1959، موسسه صنعتی کالیفرنیا برای اولین بار تکنیک ساخت مینیاتوری و کوچک را برای میکروماشینها ابداع کرد.یک دهه بعد، در سال 1969، وستینگ هاوس یک فیلتر رزونانسی بر پایه روش جدید ساخت میکروالکترونیکی ایجاد کرد.در سال 1974، National Semiconductor به عنوان اولین کمپانی در ساخت سنسورهای فشار در حجم بالا شروع به کار کرد.در دهه 1970، اولین سنسورهای فشار با استفاده از ویفر سیلیکونی ساخته شدند.در دهه 1980، گامی بزرگ در جهت ساخت اولین محرکهای الکترواستاتیکی شانه ای پلی سیلیکونی برداشته شد. همچنین در آن زمان آزمایشات و نشریه ها علاقه عمومی را برانگیخته بود.که اولین مجله موضوعی با نام Sensors and Actuators در سال 1980 منتشر شد.کلمه MEMS در سال 1987 ایجاد و مورد استفاده قرار گرفت.در دهه 1990 گامی فراتر در زمینه اولین سازه های سه بعدی در UCLA برداشته شد.
در سال 1993 موسسات دولتی برنامه های حمایتی از MEMS را آغاز کردند، و در سال 1998 مرکز نساجی ملی(National Textile Center) در یک پروژه MEMS با محوریت صنعت نساجی و بافندگی سرمایه گذاری کرد.
در حال حاضر روشهای بسیاری در صنعت MEMS موجود و افق آن برای کاربردهای بیشتر باز است. شکل 2-1 خلاصه ای از افراد، موسسات دانشگاهی و یا صنعتی دخیل در پیشرفت میکروماشینها در طول پنجاه سال را نشان می دهد.
شکل 2-1- تاریخچه MEMS در ایالات متحده از 1950 تا 2000
در نتیجه رشد سریع و روزافزون تکنولوژی MEMS، مطالعه در رابطه با طراحی، ساخت، و تجارت ابزار و سیستمهای میکروئی نیز افزایش یافته است. این وسایل ریز در حین استفاده، اغلب در معرض حالتهای پیچیده تنش و کرنش قرار می گیرند و خواص مکانیکی آنها در کارآیی کلی آنها تاثیر بسزائی دارد. بنابراین پیشگوئی واکنش این اجسام کوچک نسبت به بارگذاریهای مکانیکی در طراحی و ساخت اسباب قابل اعتماد مطلوب است
2-2 تحقیقات قبلی در رابطه با پدیده ناپایداری در ساختارهای MEMS
اولین تحقیقات در زمینه تحریک الکترواستاتیکی از دهه 1960 آغاز شد. در یک سری از آزمایشات جالب که توسط تیلور (دانشمند انگلیسی) انجام شد، ادغام قطرات مایع توسط اختلاف پتانسیل های الکتریکی مختلف بررسی شد. در سیستم او نقش دیافراگم الاستیکی توسط یک فیلم نازک انجام می شد. تیلور به این نتیجه رسید که وقتی اختلاف پتانسیل اعمالی از یک ولتاژ بحرانی فراتر رود، دو قطره در هم ادغام می شوند یا دیافراگم به سمت صفحه پائین کشیده می شود. بنابراین در ولتاژهای اعمالی که زیر ولتاژ بحرانی هستند، دو قطره مایع تحت یک فاصله معین از هم باقی می مانند.
آزمایشات تیلور توسط آکربرگ بصورت ریاضی مدل شدند. آکربرگ از آزمایشات تیلور در نسبت کوچکی استفاده کرد تا یک پتانسیل الکترواستاتیکی تخمینی محاسبه کند. آکربرگ بدین صورت فرض کرد که فاصله مابین دیافراگم و الکترود نسبت به شعاع دیافراگم، کوچک است. با نادیده گرفتن اثر میدان الکتریکی حاشیه ای و با فرض تقارن استوانه ای مدل و سایر ساده سازی های دیگر آکربرگ توانست مسئله را در حد مطالعه معادله دیفرانسیلی معمولی غیرخطی ساده برای تغییر شکل دیافراگم ساده کند.
بطور همزمان با تیلور، ناتانسون یکی از محققان MEMS به بررسی تحریک الکترواستاتیکی بعنوان یک روش برای طراحی یک ترانزیستور رزونانس پرداخت. برای درک بهتر مسئله ناتانسون و همکارانش مدل جرم- فنر تحریک الکترواستاتیکی را بازسازی کردند. همان ناپایداری حاصل شده در تحقیقات تیلور پدیدار شد. نام Pull-in اولین بار توسط ناتانسون به این پدیده داده شد. با رشد و کامل شدن MEMS و همچنین با تکامل سیستم های نانوالکترومکانیکی، اهمیت شناخت تحریک الکترواستاتیکی و پدیده ناپایداری نیز توسعه یافت. طراحی تعداد بسیار زیادی از دستگاه های MEMS/NEMS بوسیله این ناپایداری محدود شده است.
در رابطه با MEMS/NEMS محققان بسیاری از جمله چو و همکارانش کارهای ناتانسون را پیگیری کردند و از مدلهای جرم- فنر مختلف برای تحلیل اشکال متنوع MEM/NEM با تحریک الکترواستاتیکی استفاده کردند. سایر محققان مانند گیلبرت و همکارانش در 1996 ، شی و همکارانش در 1994، فانک و همکارانش در 1997 ، آلورو و وایت در 1997 و اوستربرگ و سنچوریا در 1997 نیز پدیده ناپایداری را توسط شبیهسازی مستقیم عددی بررسی کردند تا اینکه اخیراً تحلیل کامل دستگاه های دو بعدی توسط برنستین و همکارانش بکار گرفته شد یکی از حالات عمومی این مدل ها تحلیل هندسی دستگاه و استفاده از آنها برای حل معادلات مدل مورد نظر است. در واقع مدل جرم- فنر بر این فرض استوار است که صفحات موازی در تمامی تغییر شکل ها و خیزها باز هم بطور موازی با هم می مانند. در نتیجه این مدل برای زمانی جواب می دهد که ولتاژ در یک گستره خاصی باشد، .
بنابراین دو نقطه و وضعیت قابل اطمینان برای این دستگاه ها وجود دارد. اگر ولتاژ بالاتر از باشد، هیچ راه حلی وجود ندارد. بنابراین، بعنوان ولتاژ ناپایداری تعریف می شود. در تمامی این مطالعات روش های مختلفی برای بررسی پدیده ناپایداری ارائه شده است.