در فصل ۱ این تحقیق به معرفی کلی تکنولوژی سیستمهای میکروالکترومکانیکی پرداخته شده، پیش زمینه ای از آن ارائه گردیده و در خصوص مواد مورد استفاده در اینگونه سیستمها و روش های تحریک در آن پرداخته شده است. در ادامه ی همین فصل مواد FG معرفی و تاریخچه ی مختصری در مورد آنها و همچنین تئوری تنش کوپل آورده شده است. در فصل ۲، تاریچه کوتاهی از سیستمهای میکروالکترومکانیکی ذکر گردیده و به مروری اجمالی بر تحقیقات انجام گرفته در رابطه با اثر تغییر دما، نیروهای الکترواستاتیکی در سیستمهای میکروالکترومکانیکی پرداخته شده. علاوه بر این مطالعات قبلی صورت گرفته شده در مورد مواد مواد FG و تئوری کوپل تنش ذکر گردیده و در نهایت اهمیت و گستردگی موضوع روشن تر شده و مدل ارائه شده در این پایان نامه تبیین گردیده است. در فصل ۳، مدل مورد مطالعه با جزئیات کامل آن توصیف گردیده و معادلات حاکم بر آن بر مبنای تئوری تنش کوپل اصلاح شده استخراج شده است. در فصل ۴، معادلات غیرخطی به دست آمده در فصل ۳ تحت بارگذاریهای مختلف استاتیکی و دینامیکی با اعمال شرایط مرزی هندسی و نیروئی و شرایط اولیه با بهره گرفتن از روش های عددی حل شده اند. در فصل ۵، نتایج عددی حاصل از حل عددی معادلات به صورت نمودارهای مختلف ارائه گردیده و با نتایج موجود در حالات مقایسه شده است. و در فصل ۶ به جمع بندی و نتیجه گیری کلی پرداخته شده و در پایان پشنهاداتی برای کارهای آتی ارائه شده است.

فصل اول

مفاهیم و کلیات

۱-۱ سیستمهای میکروالکترومکانیکی

۱-۱-۱ مقدمه

استفاده از سیستم های میکرو الکترونیک به سال ۱۹۵۸ یعنی توسعه اولین مدار مجتمع یکپارچه در شرکت Texas Instrument برمیگردد. در سال ۱۹۶۷ ناتنسون^[۱۲] و همکارانش [] اولین دستگاه میکرومکانیکی سیلیکونی را ارائه نمودند که ترانزیستور دروازه ای مرتعش^[۱۳] نامیده می شد. متأسفانه این دستگاه هرگز تجاری نگردید. در پایان دهه هفتاد بود که چند مورد از این ادوات، تجاری گشته و کم کم مورد استفاده قرار گرفتند. خلاصه ای از اولین دستگاه های میکروالکترومکانیکی ساخته شده توسط پترسن^[۱۴] معرفی شده است. هد پرینترهای جوهر افشان (۱۹۹۷) و هد مربوط به خواندن و نوشتن روی هارد دیسکها برخی از این وسایل هستند. سیستم های میکروالکترومکانیکی معمولاً از دو بخش مکانیکی و الکتریکی تشکیل می شوند. بخش مکانیکی برای حس کردن یک کمیت از محیط اطراف (فشار، شتاب، تغییر سرعت زاویه ای و…) یا برای تحریک مثلاً بستن یا باز کردن یک میکروشیر به کار می رود. بخش الکتریکی برای تبدیل سیگنال مکانیکی به الکتریکی و پردازش آن مورد استفاده قرار می گیرد. اخیرا این تکنولوژی نوظهور به پیشرفت های عظیمی در زمینه ساخت وسایل جدید با کاربردهای نوین رسیده است. این واقعیت که سیستم های الکترومکانیکی می توانند با بهره گرفتن از تکنیک های ساخت موجود در صنعت نیمه هادی ها ساخته شوند به این معنی خواهد بود که آنها می توانند با قیمت پایین و حجم تجاری زیاد تولید گردند،که این باعث جذابیت تجاری این سیستم ها می شود.
از اوایل دهه هشتاد که بتدریج کاربرد سیستم های میکروالکترومکانیکی رونق پیداکرد، شبیه سازی، طراحی و ساخت آنها همواره بعنوان زمینه هایی نوین در علوم مهندسی مطرح بوده است. امروزه حسگرها و عملگرهایی که با بهره گرفتن از تکنولوژی سیستم های میکروالکترومکانیکی ساخته می شوند، به عنوان دستگاه هایی با کیفیت بالا و قیمت کم مورد توجه قرار می گیرند . البته برخی از این
سیستم ها مانند میکرو عملگرهای خازنی دارای مشکلاتی مانند ناپایداری هستند که بدلیل وجود تحریک الکتروستاتیک در آنها ایجاد می شود. اولین مورد تجاری شده سیستم های میکروالکترومکانیکی در سال ۱۹۹۱ به بازار آمد که یک شتاب سنج میکرو الکترومکانیکی بود. ژیروسکوپ های میکروالکترومکانیکی نمونه های دیگری بودند که کاربری آنها به عنوان حسگرهای لختی بود. مزیت این ژیروسکوپ ها در قابلیت استفاده آنها در کاربردهای جدیدی مانند هدایت دستی و میکروماهواره ها می باشد، جایی که ژیروسکوپ های معمولی مناسب نیستند. در زمینه ارتباطات از راه دور، سیستم های میکروالکترومکانیکی دستگاه های متنوعی را برای جایگزینی اجزای نیمه هادی قدیمی فراهم نموده اند. میکروسوییچها و میکرو نوسانگرها امروزه در مجموعه کاربردهای وسیعی از تلفن همراه و شبکه های بی سیم گرفته تا ارتباطات فیبر نوری و شبکه های مخابراتی ترکیبی مورد استفاده قرار می گیرند. وظایف اصلی این سیستم ها عبارتند از: سوییچینگ، فیلترینگ و میزان سازی.
در دهه اخیر فناوری ساخت ابزار دقیق در ابعاد بسیار ریز رشد فزاینده ای پیدا کرده و استفاده از حسگرها و عملگرهای میکرو و نانومتری در حوزه های فراوانی گسترش یافته است. از جهت رشد و موفقیت در بازار، موفقترین سنسورها در این حوزه فشارسنج ها و پس از آنها، شتاب سنج ها می باشند.
سیستم های میکرو الکترومکانیکی اپتیکی^[۱۵] گروهی دیگر از سیستمهای میکروالکترومکانیکی هستند که در کنترل امواج نور استفاده می شوند. کاربردهای این سیستم ها شامل مواردی چون سوییچ های فیبر نوری، دستگاه های میزان ساز طول موج و حسگرهای اپتومکانیکی است [] و []. پردازنده نوری دیجیتالی که در تلویزیونها و پروژکتورها استفاده می گردد یک نمونه معروف از کاربرد سیستم های میکرو الکترومکانیکی اپتیکی است. این پردازنده ی نور که از میلیون ها میکرو آینه با تحریک الکتریکی ساخته شده است، تصاویر دیجیتالی با کیفیت بالا را بر روی صفحه ایجاد می کند. دستگاه هایی مثل پرینتر های جوهر افشان که با جریانهای سیال در ابعاد میکرو سروکار دارند. و شامل میکروپمپ ها و میکروسوپاپ ها هستند، امروزه جزو سیستم های میکروالکترومکانیکی رایج و تجاری محسوب می شوند. دیگر نمونه های رایج این دستگاه ها را در کاربرد های پزشکی و بیولوژیک مانند ادوات جراحی، ترمیم بافت، اعضای مصنوعی و ابزار تشخیصی میتوان یافت.
توانایی ساخت میکروسازه های قابل حرکت و قابل کنترل، جایگزینی دستگاه های بزرگ قدیمی را با دستگاه های کوچک مناسب، ارزان و بیشمار فراهم می سازد. مزیت این فنآوری را می توان بصورت زیر خلاصه نمود: