قابلیت اطمینان و سرمایه گذاری

با حمایتهای مالی دولتی و صنعتی، محققین MEMS پیشرفتهای چشمگیری کرده و توانائیهای برتر و انقلابی خود را در بسیاری زمینه های گوناگون به اثبات رساندند. در تجارت و داد وستد نیز نمونه های بسیار زیادی از MEMS کاربرد دارند، همچونمیکروشتاب سنجها، میکرو سنسورها، چاپگرهای جوهرپاش، میکروآینه هاو غیره. بنابراین هرگونه مطالعه و توسعه MEMS تأثیر قابل ملاحظه‌ای بر صنایع و در نتیجه بر اقتصاد جامعه دارد. تا به حال سرمایه‌گذاری ‌های کلانی برای توسعه MEMS صورت گرفته؛ به طور مثال، بودجه اختصاص یافته به بخش توسعه و تحقیق NEMS/MEMS توسط دولت ایالات متحده از 3 میلیون دلار در سال 1991 میلادی به 35 میلیون دلار در سال 1995 میلادی افزایش یافت و طبق اظهارات ستاد فناوری نانو، در سال 2015 میلادی سهم MEMS و NEMS در تجارت جهانی بالغ بر 1 تریلیون دلار خواهد شد.
شکل (1-5) تکامل تدریجی بازار MEMS
تکنولوژی MEMS از بسیاری جهات مورد بررسی قرار گرفته است. اول از همه، از نقطه نظر طراحی، نرم افزار (CAD) بسیار وقت گیر بوده و دارای توانائی کافی که شامل تمام فاکتورهای واقعی که روی عملکرد MEMS تاثیر می گذارد نیست. پیچیدگی طراحی MEMS بزرگترین موضوع و معضل طراحان MEMS می باشد. حتی ساده ترین MEMS در انرژی قلمروهای مختلف فیزیک تاثیر زیرکانه ای دارند. لازمه آن اینست که طراح MEMS بایستی در جستجوی راهی برای کنترل تاثیر متقابل و پیچیده این قلمروها باشد. دوم، از نظر ساخت، موضوع هزینه برای یک کارخانه سیلیکون سدی است که اغلب طراحان MEMS بایستی با آن روبرو شوند. سرمایه گذاریهای اولیه بالا سرعت پیشرفت MEMS را محدود می کند. بسته بندی نیز میتواند روی اجرای MEMS تاثیر گذاشته و تبدیل به یکی از بنیادی ترین مشکلات محققین در این زمینه شود. به دلیل گوناگونی MEMS هر اختراع جدید MEMS تقریبا نیاز به روش بسته بندی تازه منحصر به خود را دارد.
1-1 تفاوتMEMS با سیستمهای ماکرو
چرا MEMS متفاوت از تکنولوژی‌های موجود در ابعاد ماکرو نظیر اتومبیل، ساختمان و هواپیماست؟ به این علت که اندازه، نقش مهمی دارد. فکر کنید که چرا یک حشره می‌تواند روی آب راه برود، اما یک اسب نمی‌تواند. وزن حشره متناسب با حجم آن است، یعنی s3 (s فاکتور مقایسه). وقتی که یکی از ابعاد حشره به اندازه 1-10 تغییر ‌کند، وزن آن به اندازه 3-10 تغییر می‌کند، اما نیرویی که حشره را روی آب نگه می‌دارد، متناسب با کشش سطحی (s1) ضرب در طول خط پیرامون پای حشره (s1) است و بنابراین نیروی وارد بر پای حشره متناسب با s2 می‌باشد. حال اگر طول 2 متری یک اسب را به طول 2 میلی‌متری یک حشره کاهش دهیم، وزن به اندازه 9-10 کاهش می‌یابد، ولی نیروی کشش سطحی تنها به اندازه 6-10 کم می‌شود. بنابراین نیروی کشش سطحی در مقیاس کوچکتر، مهم‌تر است. به این دلیل یک حشره می‌تواند روی آب راه برود، اما یک اسب نمی‌تواند. در مورد MEMS نیز همین طور است. در یک هواپیما، وزن مهم‌ترین عامل است. در یک موتور، نیروی مغناطیسی نیروی غالب است. در MEMS یکی از نیروهای مهم عبارت است از نیروی الکتروستاتیکی. با توجه به تأثیر مقیاس بر نیرو، شتاب و کار انجام شده نیز در مقیاس‌های مختلف، متفاوت خواهند بود. شکل 1-6 اختلاف بین مرتبه بزرگی موارد گوناگون را نشان می‌دهد. مقیاس دستگاه‌های متداول ساخت بشر و MEMS اختلافی در حد 4-10 برابر دارد؛ اگر طول یک بعد 4-10 برابر کاهش یابد، وزن 12-10 برابر کم می‌شود، در حالی که نی نیروی الکتروستاتیکی تنها 8-10 برابر می‌گردد.(شکل( 1-6))
در مجموع ساختارهای MEMS سه تفاوت عمده با ساختارهای ماکرو دارند:
در اکثر میکروساختارها به سبب تغییرات دما در حین عملیات میکرو ماشینکاری، تنشهای پسماند قابل توجهی به وجود می آید. این تنشها می توانند کششی یا فشاری باشند. تنشهای کششی به خاطر کاهش احتمال پیچش و افزایش فرکانسهای طبیعی که در میکروساختارها مورد نظر است، مطلوب به شمار می رود.
بر خلاف ساختارهای ماکرو، ساختارهای میکرو دارای تغییر شکل های بزرگی هستند که این خاصیت باعث می شود طبیعت غیر خطی تغییر شکل این ساختارها به یک عامل برجسته و مهم در بررسی رفتار مکانیکی آنها تبدیل شود.
اکثر میکروساختارها با نیروهای الکتروستاتیکی تحریک می شوند که دارای طبیعت غیر خطی است. در این ساختارها، یک صفحه یا الکترود به صورت الکترواستاتیکی تحریک می شود و تغییر شکل یا حرکت آن به کمک تغییرات ظرفیتی خازن اندازه گیری می شود. در این روش نیروی تحریک ، نیروی جاذبه ایجاد شده بین دو صفحه خازن مورد استفاده در ساختار است که با اعمال اختلاف پتانسیل بین صفحات ایجاد می شود. نیروی الکترواستاتیکی اعمال شده دارای یک میزان حداکثری است که بالاتر از این مقدار، نیروی مکانیکی ذخیره شده در ساختار توان مقابله با نیروی الکترواستاتیکی را نداشته و در نتیجه منجر به از کار افتادگی ساختار مورد نظر می شود. در ادبیات MEMS به این پدیده اصطلاحا پدیده ناپایداری و به ولتاژ متناسب با آن ولتاژ ناپایداری گفته می شود. نکته اصلی در طراحی اکثر ساختارهای MEMS تنظیم نیروی الکترواستاتیکی اعمالی است به نحوی که بتوان از این پدیده اجتناب نمود.
شکل (1-6) اندازه موارد مختلف بر حسب متر
1-2: کاربردهای MEMS
میکروماشین‌کاری سیلیکون ما را قادر می سازد که سیستمهای پیچیده را با همان قیمتسیستم‌های ساده تولید کنیم. بنابراین می‌توان بسیاری از عملکردها را در یک قطعه واحد مجتمع کرد. با استفاده از سیلیکون ترکیب عملکردهای مکانیکی و الکترونیکی امکان پذیر می شود. قطعات MEMS در خودرو، پزشکی، هوافضا و … کاربردهای زیادی دارند که ناشی از وزن و قیمت کم و قابلیت اطمینان بالای آنها می‌باشد.
1-2-1: کاربرد در صنعت خودرو
بیشترین کاربرد MEMS در صنعت خودرو می باشد که بیش از 60% از بازار MEMS را در دست دارد. از موارد استفاده در خودرو می توان به حسگر شتاب در کیسه هوای خودرو، حسگر فشار در سیستم سوخت رسانی، حسگرهای فشار و شتاب در سیستم تعلیق، نازل انژکتور، حسگر فشار در چرخ ها، حسگر دما در سیستم تهویه و …نام برد.
یکی از اولین استفاده‌ها و پایه‌های موفقیتMEMS، حسگر کیسه هوا می‌باشد که هم اکنون به طور گسترده ای استفاده می‌شود. این حسگر که شامل اجزا مکانیکی و الکترونیکی می‌باشد، شتاب خودرو را در برخورد با موانع اندازه می‌گیرد و با ارسال سیگنال لازم به ماشه باعث پرشدن انفجاری کیسه هوا میشود تا از برخورد سر راننده با فرمان و یا داشبورد خودرو جلوگیری شود. انواع ابتدایی کیسه هوا دارای حجم و وزن زیاد و قیمت بالا بودند که با استفاده از MEMS این سیستم در یک تراشه‌ی کوچک سیلیکونی با قیمتی بسیار پایینتر تولید شد.تغییر در سرعت که باعث ایجاد شتاب میشود بر اساس اینرسی بر روی جرم معلق اثر کرده و در نهایت باعث انحنای تیر میشود که این تغییر شکل تیر، مقاومت جزء پاییزومقاومت و یا ظرفیت خازنی را تغییر می‌دهد و این تغییرات به بخش میکروالکترونیک فرستاده میشود و شتاب اندازه گیری میشود.
قابلیت اطمینانMEMS، با فروش میلیونی و چند ده ساله به اثبات رسیده است که یک مثال از موفقیت آن، BMW 740iمی‌باشد که بیش از 70 قطعه MEMS در قسمتهای مختلف نظیر سیستم ترمز ضد قفل، سیستم تعلیق فعال، سیستم کنترل، حسگر سوخت و … به کار برده است.
1-2-2: کاربرد در پزشکی
یکی از کاربردهای MEMS در پزشکی، حسگرهای یکبار مصرف فشار خون میباشد. این حسگرها به سیاهرگ بیمار وصل شده و فشار خون را اندازه میگیرند. قیمت کم، عدم نیاز به استریل کردن و کالیبره کردن مجدد از مزایای این حسگرها نسبت به انواع قدیمی میباشد.این حسگرها شامل یک زیرلایه از جنس سیلیکون می‌باشند که با عملیات خوردگی، یک غشاء روی آن ایجاد می‌شود و به یک زیرلایه دیگر وصل میشود. یک لایهپاییزومقاومت نیز روی غشاء و در نزدیکی لبه ها قرار میگیرد. فشار اعمالی باعث تغییر شکل غشاء و در نتیجه اعمال کرنش به لایه پاییزومقاومت میشود که این کرنش مکانیکی به ولتاژ الکتریکی تبدیل میشود.
1-2-3: کاربرد در الکترونیک
از دیگر کاربردهای موفقیت آمیز MEMS می توان هد چاپگرهای جوهرافشان را نام برد. یک چاپگر جوهرافشان با استفاده از تعدادی نازل، ذرات میکرو جوهر را به طور مستقیم بر روی کاغذ میپاشد.مکانیسم‌های مختلفی برای پاشیدن جوهر وجود دارد که روش‌های حرارتی و پاییزوالکتریک از انواع پرکاربردتر می باشند.
در تکنولوژی حرارتی، از تشکیل و انبساط یک حباب در جوهر، در اثر حرارت استفاده میشود.درون هد، تعدادی مقاومت کوچک که به گرمکن معروفند وجود دارد. این مقاومتها با کنترل ریزپردازنده‌ها در زمانی کمتر از 3 میکروثانیه داغ میشوند. جوهر روی هر مقاومت گرم شده و باعث بخار شدن جوهر و تشکیل حباب می‌شود. با انبساط حباب مقداری جوهر از نازل خارج میشود و روی کاغذ می‌نشیند. با سرد شدن و فروکش کردن حباب، خلایی در هد ایجاد شده که باعث میشود جوهر از مخزن به هد ریخته شود.