طراحی و شبیه سازی سنسور فشار کره چشم

توضیحات

چکیده 

در این پایان نامه طراحی و شبیه سازی سنسور فشار خازنی ممزی

In this thesis design and simulation of MEMS capacitive pressure sensor is presented. This sensor will be implanted in the eye of Glaucoma patients to monitor intraocular pressure (IOP) on a continuous basis. It is hoped that the device will prepare doctors complete patients history of IOP.

This sensor is comprised of a parallel plate pressure-variable capacitor and a planar coil housed inside the sensor. The variable capacitive sensor is consisted of a non-movable electrode and a thin flexible diaphragm exposed to the pressure exerted by the eye fluid. Pressure exerted on the diaphragm by the aqueous humor results in a micron-scale deflection of the diaphragm causing a change in the capacitance of the sensor. Normal IOP is around 2.1 KPa. So because of small pressure, It is necessary to decrease the stiffness of the diaphragm and increase the sensitivity of the capacitive pressure sensor.

In this thesis the capacitive part of the IOP sensor is investigated and the sensitivity of the pressure sensor is increased by different ways. First we begin our work with the pressure sensor uses square p++si diaphragm with a thickness of 4 μm, an air gap of 1.5 μm and a 0.55 × 0.55 mm² diaphragm. Using polysi material with lower residual stress instead of p++si in sensor diaphragm and also adding slots around diaphgram to decrease stiffness of the diaphragm are the proposed ways in this work to increase the sensitivity of the diaphragm. Finally by implementing FEA method with MEMS simulator, the sensitivity of the sensor increase 6.2 times.

چکیده
در این پایان نامه طراحی و شبیه سازی سنسور فشار خازنی ممزی داخل چشمی ارائه شده است این سیستم در داخل چشم بیماران گلوکوما کاشته می شود تا فشار انها به طور دائم مشاهده گردد و پیشینه کاملتری از فشار داخلی چشمی بیماران در اختیار پزشکان قرار دهد این سنسور متشکل از یک خازن متغیر با صفحات موازی و یک سلف با سیم پیچ مسطح است . خازن متغیر از یک صفحه ثابت و یک دیافراگم قابل انعطاف تشکیل شده است دیافراگم متحرک در تماس با مایع چشم( زلالیه ) قرار می گیرد و جابه جایی چند میکرونی در دیافراگم ایجاد می کند و در نتیجه ظرفیت خازنی سنسور تغییر می یابد . فشار داخل چشمی در حالت عادی۲٫۱۳kpa
است  لذا با توجه به کوچک بودن فشار داخل چشمی ضروری است حساسیت سنسور فشار تا حد امکان افزایش یابد . در این پایان نامه به بررسی سنسور فشار داخل چشمی می پردازیم و حساسیت سنسور فشار را با روش های گوناگون افزایش می دهیم . ابتدا کار خود را با سنسور فشار خازنی متشکل از دیافراگم مربعی  p++siاغاز می کنیم سپس به کار گیری ماده پلی سیلیکون با استرس پائینتر نسبت به ماده در ماده p++siاغاز دیافراگم و همچنین ایجاد شیار در دیافراگم جهت کاهش سختی دیافراگم سنسور فشار خازنی از جمله روش های افزایش حساسیت سنسور می باشد در نهایت  با بکار گیری روشهای فوق با استفاده از شبیه ساز ممزی حساسیت سنسور ۶٫۲ برابر شده است
 

فهرست مطالب

فصل اول: کلیات طرح    1
1-1 مقدمه    1
1-2 اهداف تحقیق    5
1-3 اهمیت موضوع تحقیق و انگیزه انتخاب آن    5
1-4 فرضیه های تحقیق    6
1-5 محدودیت ها و مشکلات تحقیق    7
1-6 ساختار پروژه    7
فصل دوم: مروری بر مطالعات انجام شده    8
مقدمه    8
2-1 معرفی MEMS    9
2-2 مبدل های MEMS    10
2-3 سنسورهای فشار    10
2-3-1 سنسورهای فشار پیزوالکتریک    10
2-3-2 سنسورهای فشار مقاومت پیزویی    11
2-3-3 سنسورهای فشار خازنی    11
2-3-3-1 علل استفاده از سنسور فشار خازنی    12
2-4 ساختمان چشم    13
2-4-1 پلک    14
2-4-2 ملتحمه    14
2-4-3 قرنیه    14
2-4-4 عنبیه و مردمک    15
2-4-5 اتاق قدامی    16
2-4-6 عدسی    16
2-4-7 زجاجیه    17
2-4-8 شبکیه    17
2-4-9 صلبیه    18
2-4-10 عصب بینایی    18
2-4-11 عضلات چشم    18
2-5 گلوکوما چیست    18
2-5-1 گلوکوم زاویه باز اولیه    19
2-5-2 گلوکوم حاد زاویه بسته    19
2-6 تکنیک‌های مرسوم برای اندازه‌گیری فشار داخل چشمی    21
2-6-1 تونومتر اپلاناسیون گلدمن    21
2-6-2 تونومتری غیر تماسی ( NCT: Non Contact Tonometry )    23
2-6-3 تونوپن (Tonopen)    24
2-6-4 تونومتریDynamic Contour  (DCT)    24
2-7 نیاز به اندازه‌گیری مداوم فشار داخل چشمی    25
2-8 تکنیک‌های اندازه‌گیری مداوم فشار داخل چشمی    26
2-8-1 تکنیک‌های اندازه‌گیری توسط حسگرهای سیمی    27
2-8-2 دور سنج تزویج القایی    29
2-8-2-1 دستگاه غیرفعال    30
2-8-2-2 دستگاه فعال    41
2-9 بحث و بررسی    42
فصل سوم: روش انجام تحقیق    43
مقدمه    43
3-1 طراحی سنسورهای فشار خازنی MEMS    43
3-2 مدل سازی دیافراگم مسطح    45
3-3 بررسی ساختار سنسور فشار خازنی    48
3-3-1 حساسیت مکانیکی دیافراگم    49
3-3-2 حساسیت سنسور    50
3-3-3 انتخاب ناحیه کاری برای سنسور فشار چشم    51
3-4 بررسی ظرفیت خازنی    52
3-5 آنالیز خمش یک صفحه نازک    53
3-5-1 بررسی معادلات پایه ای صفحات نازک با جابجایی کوچک    54
3-5-2 بررسی شرایط مرزی    56
3-5-3 جابجایی صفحه نازک تحت فشار خارجی یکنواخت    57
3-6 محاسبه ظرفیت خازنی سنسور فشار خازنی    69
3-7 آنالیز المان محدود    70
3-7-1 دیافراگم مربعی چهار طرف ثابت    70
3-7-2 دیافراگم مربعی شیاردار    71
فصل چهارم: نتایج شبیه سازی    73
مقدمه    73
4-1 شبیه سازی دیافراگم    73
4-1-1 نتایج ریاضی    74
4-1-2 اثر استرس دیافراگم    74
4-1-3 اثر اندازه دیافراگم    75
4-1-4 اثر ضخامت دیافراگم    75
4-1-5 حساسیت مکانیکی دیافراگم    76
4-1-6 نتایج شبیه سازی المان محدود    78
4-2 شبیه سازی ساختار سنسور فشار چشم    86
4-2-1 اثر پارامترهای طراحی بر روی رفتار استاتیکی و دینامیکی سنسور فشار چشم    87
4-2-2 بررسی ولتاژ پولین برای ساختار دیافراگم مربعی    87
4-2-3 ظرفیت خازنی سنسور فشار چشم    90
4-2-4 توزیع استرس بر روی دیافراگم    92
4-2-5 پاسخ فرکانسی سنسور خازنی فشار چشم    93
4-3 استفاده از دیافراگم پلی‌سیلیکون جهت افزایش حساسیت سنسور فشار چشم    95
4-4 بررسی سنسور فشار چشم با دیافراگم پلی‌سیلیکون شیاردار    99
4-5 مقایسه سنسورهای فشار پلی‌سیلیکون و p++si در حالت clamped    102
4-6 مقایسه سنسورهای فشار پلی‌سیلیکون و p++si با دیافراگم شیاردار    111
4-7 مقایسه سنسور فشار خازنی با دیافراگم پلی‌سیلیکون در حالت clamped و شیاردار    119
فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات    128
5-1 نتیجه گیری    128
5-2 پیشنهادات    131
مراجع    132