یکپارچه سازی و سازه مکانیکی

1-6-3روش چسباندن لایه ای
میکروماشینکاری حجمی در ایجاد میکروساختارهای سه بعدی پیچیده در حالت مونولیتیک (Monolithic) دارای محدودیت است. یکی از راه حل ها ساخت اجزاء سیستم های پیچیده به صورت لایه-لایه بوده که بعداً به هم مونتاژ می شوند. اتصال لایه ای روشی است که قادر به یکپارچه سازی بدون درز لایه های متعدد است. میکروماشینکاری سیلیکون درفرم دادن میکروساختارهای پیچیده سه بعدی دریک قالب یکپارچه محدودیتهایی دارد. دراین موارد ساختمانهای چندتراشه ای برای MEMSها پیشنهادشده اند
چسباندن لایه ای برای MEMSمیتواندبه سه دسته اصلی تقسیم شود :
چسباندن آنودی
چسباندن لایه واسطهکمکی
چسباندن مستقیم
1-7پایداری MEMS
برخی پدیده های متداول در MEMS وجود دارند که که در اکثر سیستمهای MEMS با آنها سر و کار داریم. بنابراین آگاهی نسبت به این پدیده ها برای دستیابی به طراحی برتر، ضروری و حتی حیاتی به نظر می رسد. یکی از این پدیده های مهم، پدیده Pull-in است.
سنسورهای MEMS از نوع خازنی اساساً یک مبدل الکترواستاتیکی هستند که عملکردشان وابسته به انرژی الکتریکی بر حسب ولتاژ ثابت و یا ذخیره بار ثابت به منظور سهولت آگاهی از تغییرات خازنی ناشی از تحریکات مکانیکی خارجی مانند نیرو و شتاب است. میکروتیرهای یک سر گیردار به طور گسترده در سنسورهای MEMS از نوع خازنی به عنوان اجزاء حس کننده مورد استفاده قرار می گیرند. به کارگیری ولتاژ ثابت در تحریک سیستم های MEMS نسبتاً راحت و متداول بوده و نیروی الکترواستاتیکی ایجاد شده به این روش غیرخطی است. اعمال یک ولتاژ DC بر روی یک تیر یا یک صفحه خازنی باعث ایجاد نیروی الکترواستاتیکی شده و سیستم را تا نقطه تعادل جدیدش دچار خیز خواهد کرد، در حالیکه ولتاژ پله، سیستم را حول نقطه تعادلش به نوسان وامی دارد. با افزایش این نوع بارگذاری، نیروهای برگرداننده مکانیکی سیستم در برابر نیروهای مخالف مقاومت کمتری داشته و سازه مرتبا دچار خیز بیشتری می گردد، در نتیجه نیروی الکتریکی در یک حلقه پسخوراند مثبت افزایش می یابد. این روند تا برخورد فیزیکی الکترودها و دگرگونی سیستم ادامه می یابد. پدیده ناپایداری سازه ای به عنوان Pull-in شناخته شده است و ولتاژ بحرانی متناظر با آن ولتاژ Pull-inنام دارد. تعیین دقیق ولتاژ Pull-in در پروسه طراحی برای تعیین حساسیت، پاسخ فرکانسی، پایداری و محدوده دینامیکی سیستم ضروری است. همچنین ولتاژ Pull-in می تواند در تشخیص خواص مواد مانند مدول یانگ موثر باشد.
یک مساله مهم در طراحی رزوناتورهای MEMS، تنظیم بارهای الکتریکی قبل از ناپایداری Pull-in است که ساختار را به سوی متلاشی شدن و شکست پیش می برد. از سوی دیگر این پدیده اساس عملکرد سوئیچ های با فرکانس رادیوئی در MEMS را تشکیل می دهد، که در آن، سازه مکانیکی با اعمال ولتاژ بیشتر از ولتاژ Pull-in با بیشترین سرعت و در کمترین زمان گسیخته می شود.
1-8مزایا و معایبMEMS
MEMSاین امکان را فراهم می‌کند که با ساخت سنسورهایی بسیار کوچک‌تر، سیستم‌ها بتوانند محیط اطرافشان را با دقت بسیار بالاتری نسبت به سیستم‌های ماکرو حس کرده و کنترل نمایند. این سنسورها در ساده‌ترین حالت خود به کمک ارزیابی پدیده‌های مکانیکی، گرمایی، زیستی، شیمیایی، نوری و مغناطیسی، اطلاعات را از محیط جمع‌آوری می‌کنندوسیستم‌های الکترومکانیکی به کمک قدرت تصمیم‌گیری خود، با پاسخ‌‌هایی همچون جابه‌جایی، ضربه، تنظیم‌، پمپ‌کردن و فیلتر، محیط را به سمت نتایج موردنظر هدایت می‌کنند. از آنجا که دستگاه‌های MEMS همانند IC‌ها با تکنیک‌های ساخت مدارات مجتمع ساخته می‌شوند، می‌توان با صرف هزینه‌های پایین‌ترسطح بسیار بالایی از کارکرد و اطمینان را بر روی تراشه‌های کوچکیکه معمولاً از سیلیکون به دلیل داشتن خواص عالی همچون نسبت استحکام به وزن بالاساخته می‌شوند ایجاد کرد.
این فناوری جدید، مزایای متعددی دارد، اول اینکه فناوری گسترده‌ای است که می‌تواند تأثیر مهمی بر انواع تولیدات تجاری و نظامی بگذارد و دوم اینکه فاصله‌ی بین سیستم‌های مکانیکی پیچیده و مدارهای مجتمع الکترونیکی را پر می‌کند. سنسورها و محرکها عموماً گران قیمت‌اند، علاوه بر این محرکها و سنسورهای الکترونیکی در ابعاد بزرگقابل اعتماد نیستند. این فناوریامکان ساخت سیستم‌های میکروالکترومکانیکی را فراهم کرده که موجب برابری قیمت و اعتبار سنسورها و محرکها بامدارهای مجتمع می‌شود و انتظار می‌رود کارآیی دستگاهها و ابزارهای MEMS بالاتر از عناصر و سیستمهای مقیاس ماکرو و قیمت آنها خیلی پایین‌ترباشد.
تکنولوژی MEMS در کنار مزیت‌های فراوانی که دارد دارای معایبی نیز می‌باشد. از نظر طراحی، استفاده از نرم افزارهای معمول طراحی بسیار وقت گیر بوده و دارای توانایی کافی برای اینکه بتواند تمام فاکتورهای واقعی اثرگذار روی عملکرد MEMSرا در نظر بگیرد نمی‌باشدبه طوریکه پیچیدگی طراحی MEMS بزرگترین معضل طراحان MEMS می‌باشد. حتی ساده‌ترین MEMS از شرایط مختلف محیطی که در مواقعی برای سیستم‌های ماکرو نامحسوس استتأثیرپذیری بسیاربالایی دارند و لازمه حل این معضل اینست که طراح MEMS در جستجوی راهی برای کنترل تأثیر متقابل و پیچیده این شرایط باشد. از نظر ساخت نیز، موضوع هزینه، سدی است که اغلب طراحان MEMS با آن روبرو می‌شوند و سرمایه‌گذاری‌های اولیه‌ی بالا سرعت پیشرفت MEMS را محدود می کنند.
سیستمهای MEMS به طور خاص از به‌ کارگیری تحریک و دریافت خازنی بهره می‌برند که در آن یک صفحه یا الکترود به روش الکترواستاتیکی فعال شده و حرکت و رفتار آن با تغییرات خازنی قابل مطالعه است. نمونه‌های بسیاری در MEMS وجود دارند که بر تحریک الکترواستاتیکی که در شکل (1-19) نشان داده شده است استوارند، از جمله میکروفون‌ها، میکرومحرک‌های دنده شانه ای، میکروسنسورهای رزونانسی و میکروسوئیچهای با فرکانس رادیویی.
شکل 1-19: دیاگرام شماتیکی از ایجاد نیروی الکترواستاتیکی
در دهه‌ی اخیر تکنولوژی MEMS همزمان با سایر زمینه‌ها پیشرفت فراوانی در ساخت ابزارهای صوتی نیز داشته است که از آن جمله می‌توان به میکروفون‌ها اشاره کرد. با پیشرفت میکروفون‌های میکرو کاربرد این نوع میکروفون‌ها با توجه به کوچکی ابعاد و پایین بودن هزینه‌ها در سمعکها، تلفن های همراه، میکرپرسنال دیجیتال آسیستان بسیار رشد کرده است که در بیشتر آن‌ها از نیروی الکترواستاتیک به عنوان نیروی محرک استفاده می‌کنند. نیروی الکترواستاتیکی با اعمال ولتاژ بین دو صفحه ایجاد می شود و معمولاً فضای بین این دو صفحه توسط یک ماده دی‌الکتریک مانند هوا پر شده است. میکرومحرک الکترواستاتیکی یکی از پر‌کابردترین نوع میکرومحرکها در MEMS می‌باشد که از آن جمله می‌توان به میکروموتورو میکرومحرک دنده شانه ای اشاره کرد کهدر شکل(1-20) ، عکس‌های میکروسکوپی از این دو میکرومحرک الکترواستاتیکی نشان داده شده است.
الف
ب
شکل 1-20:الف) میکرو محرک میکروموتور الکترواستاتیکی ، ب)الکترواستاتیکی دنده شانه‌ای
از نظر ساخت، میکرومحرک‌های الکترواستاتیکی میتوانند به آسانی روی یک تراشه ایجاد شوند و از آنجایی که در طی مراحل تحریک هیچ مصرف جریانی وجود ندارد، لذا در میکرومحرک‌های الکترواستاتیکی هیچ توانی مصرف نمی‌شود اما به منظور ایجاد نیرو و خیز بزرگ ولتاژ زیادی مورد نیاز است. همچنین تنشهای ایجاد شده، کنترل میکرومحرک‌های الکترواستاتیکی را با مشکل مواجه می‌سازند.