• ضخامت دیافراگم

• اندازه شکاف هوایی

• • مواد مورد استفاده برای دیافراگم

در نهایت هدف بالابردن حساسیت سنسور فشار می‌باشد تا با اعمال کمترین فشار، بیشترین تغییرات را در دیافراگم سنسور داشته باشیم.
۱-۲ اهداف تحقیق
این پروژه به طراحی و شبیه سازی سنسور فشار خازنی چشم با بهره گرفتن از تکنولوژی MEMS می‌پردازد که در مقایسه با نمونه های مشابه خود، از حساسیت بالاتری برخوردار است. با توجه به معرفی پارامترهای مهم برای طراحی سنسور فشار و از آنجا که ویژگی های جابجایی دیافراگم بیشترین تاثیر بر رفتار سنسور دارد، لذا ضروری است که تحلیل دقیقی از جابجایی و عوامل موثر بر دیافراگم را داشته باشیم. بنابراین می‌توان اهداف تحقیق را در جهت بهبود این پارامترها از جمله ضخامت دیافراگم، ماده دیافراگم و حساسیت دیافراگم قرار داد. در این تحقیق مهمترین هدف بالا بردن حساسیت سنسور فشار می‌باشد. تا با اعمال کمترین فشار، جابجایی زیادی در دیافراگم سنسور داشته باشیم.
این مسئله می‌تواند با کاهش استرس و سختی دیافراگم انجام گیرد. کاهش استرس با محدودیت ها و مشکلاتی در حین ساخت همراه می‌باشد. به منظور افزایش حساسیت سعی می کنیم تا وابستگی دیافراگم را به بدنه کم کنیم تا بدین ترتیب اثر استرس بر روی دیافراگم را کاهش دهیم و در نهایت دیافراگم بتواند نسبت به فشار حساسیت بیشتری داشته باشد. طراحی قطعه با شبیه سازی و بهینه سازی مواد همراه می‌باشد.
۱-۳ اهمیت موضوع تحقیق و انگیزه انتخاب آن
در این تحقیق سعی بر این است که با طراحی یک میکروسنسور، فشار کره چشم بیمارانی که از بیماری گلوکوما رنج می برند اندازه‌گیری شود. از آنجا که بیماری گلوکوما معمولا بدون علائم است لذا این روش به پزشکان کمک می‌کند تا اطلاعات بهتری از وضعیت فشار کره چشم پیدا کنند.
سطح طبیعی فشار داخل چشمی در حدود mmHg 16 می‌باشد. فشار بیش از mmHg 22 به طور طبیعی بالاست و فشار بین mmHg 50-45 بسیار خطرناک خواهد بود. تکنیک‌های مختلفی جهت اندازه‌گیری فشار داخل چشمی وجود دارد. اندازه‌گیری فشار چشم با بهره گرفتن از تکنیک‌های مرسوم مانند تونومتر گولدمن امکان پذیر است. استفاده از این تکنیک هنوز هم در مطب های چشم پزشکان مورد استفاده قرار می‌گیرد ولی این تکنیک شدیدا به ضخامت قرنیه وابسته است. از طرف دیگر فشار داخل چشمی در طی روز مرتبا در حال تغییر است. این مسئله موجب می‌شود که بسیاری از بیماران گلوکوما، با وجود اینکه بطور کنترل شده تحت نظر هستند، ولی به تدریج بینایی خود را از دست می‌دهند. لذا نیاز به اندازه‌گیری پیوسته فشار داخل چشمی امری ضروری به نظر می‌رسد[۳].
سنسور مورد بررسی در این پروژه بخشی از سنسور فشار خازنی غیرفعال برای اندازه‌گیری فشار داخل چشمی است. لذا با طراحی بهینه سنسور فشار خازنی و افزایش حساسیت آن، می‌توان اندازه‌گیری دقیق تری از فشار چشم را برای پزشکان فراهم نمود.
۱-۴ فرضیه های تحقیق
فرضیاتی که جهت افزایش حساسیت سنسور در نظر گرفته می‌شود عبارتند از:

• تغییر ماده دیافراگم و استفاده از یک ماده با استرس پایین تر سختی دیافراگم را کاهش داده و در نتیجه تحت فشار خارجی بیشتر جابجا می‌شود.

• ایجاد شیار در دیافراگم که این نیز به منظور پایین آوردن سختی دیافراگم صورت می‌گیرد.

طراحی پارامترها با معادلات کلاسیک الکترومکانیکی آغاز شده است و شبیه سازی و بهینه سازی پارامترها با بهره گرفتن از نرم افزار شبیه ساز MEMS و روش آنالیز المان محدود انجام می پذیرد. طراحی سنسور فشار چشم گامی موثر در طراحی بهینه سنسورهای فشار خازنی خواهد بود لذا با بهره گرفتن از نتایج بدست آمده، می‌توان سنسور های با حساسیت بالاتری را طراحی نمود.
۱-۵ محدودیت ها و مشکلات تحقیق
یکی از محدودیت های طراحی سنسور فشار چشم، اندازه سنسور است. از آنجا که سنسور مورد بررسی جهت کاشت در داخل چشم بیمار طراحی می‌شود، لذا ممکن است در بعضی مواقع اندازه سنسور منجر به اختلال در بینایی فرد بیمار گردد. مسئله بعدی ماده مورد استفاده برای ساخت سنسور است. از آنجا که سنسور در داخل چشم کاشته می‌شود، با ید از مواد زیست سازگار برای ماده دیافراگم استفاده گردد.
۱-۶ ساختار پروژه
این پروژه در ۵ فصل سازمان دهی شده است. فصل های مختلف پروژه به ترتیب شامل کلیات طرح، مروری بر مطالعات نظری، روش انجام تحقیق (متدولوژی)، نتایج شبیه سازی و نتیجه گیری و پیشنهادات می‌باشد. در فصل ۲ پس از بررسی عملکرد چشم و بیماری گلوکوما، مروری بر پژوهش های پیشین و روش‌های مختلف اندازه‌گیری فشار داخل چشمی ارائه می‌شود. روش انجام تحقیق و آنالیز ریاضی سنسور فشار خازنی، در فصل ۳ بیان می‌شود. در فصل ۴ نتایج حاصل از شبیه سازی با بهره گرفتن از روش آنالیز المان محدود ارائه شده و در نهایت نتایج حاصل از شبیه سازی با نتایج ریاضی مقایسه می‌شود. در پایان نتیجه گیری و پیشنهادات در فصل ۵ بیان می‌گردد.
فصل دوم: مروری بر مطالعات انجام شده
مقدمه
امروزه سیستم های با مقیاس میکرو^[۴] بیشترین توجه را به خود جلب کرده اند. این نوع سیستم ها در سرتاسر دنیا نام های مختلفی را به خود اختصاص داده اند. تکنولوژی ریز سیستم ها^[۵] ( MST ) در اروپا، ریز ماشین ها^[۶] در ژاپن و ممز^[۷] در ایالات متحده [۱].
در تعریف لغوی MEMS ، Micro معرف ابعاد کوچک، Electro به معنی الکتریسیته یا الکترونیک و یا هر دو و Mechanical معرف قسمت در حال حرکت می‌باشد. تکنولوژی MEMS برای ایجاد قطعات کوچک مجتمع‌شده مانند میکروسنسورها و میکرو الکترونیک‌ها که مولفه‌های مکانیکی و الکتریکی را با یکدیگر ترکیب می‌کنند، به کار می‌رود. قطعات ساخته شده در تکنولوژی MEMS از چند میکرومتر شروع شده و تا چند میلیمتر گسترش می‌یابد. این قطعات طوری ساخته می‌شوند که می‌توانند به دو صورت مستقل و همچنین بصورت آرایه ای کار کنند. تکنولوژی MEMS از میکرو ساخت^[۸] استفاده می‌کند. پروسه ساخت MEMS تا حد زیادی از صنعت مدارهای مجتمع گرفته شده است.
در این فصل پس از معرفی تکنولوژی MEMS و انواع سنسورهای فشار MEMS، به معرفی سنسور فشار خازنی می‌پردازیم. پس از آن جهت درک بهتر سنسور فشار خازنی چشم، به معرفی عملکرد چشم پرداخته و در آخر به بررسی مطالعات گذشته که تاکنون در رابطه با سنسوهای فشار چشم صورت گرفته می‌پردازیم.
۲-۱ معرفی MEMS
ممز ها قطعات بسیار کوچکی هستند و اندازه آنها بصورت میکروسکوپی می‌باشد. اهرم ها، چرخ دنده ها، پیستون ها و موتورها نمونه ای از این قطعات میکروسکوپی هستند که با تکنولوژی MEMS ساخته می‌شوند. مثال هایی از کاربرد های MEMS در زمینه های فیزیک نوری، بیو تکنولوژی، حمل و نقل، فضای ماوراء جو، رباتیک، پزشکی، تجزیه های شیمیایی و … می‌باشد.
سیر تکاملی MEMS از اوایل سال ۱۹۸۰ آغاز شد و بر پایه شناخت ویژگی های ماده سیلیکون برای میکروماشین کاری سطحی و عمقی^[۹] استوار گردید. ساختار اولیه MEMS شامل سنسورهای ساده فشار، حرارت و شتاب بود. از آن زمان به بعد، کاربردهای MEMS تقریبا به تمامی زمینه های مهندسی مانند زمینه های نوری، بیولوژیکی و مایکروویو گسترش یافت. طراحی و ساخت محصولات MEMS، کاربردها و اصول مهندسی مختلف از جمله مهندسی مکانیک، الکترونیک، شیمی، مواد و مهندسی صنایع را در بر می‌گیرد.
۲-۲ مبدل های MEMS
مبدل ها اساسا قطعاتی هستند که یک صورت انرژی را به صورت دیگر انرژی تبدیل می‌کنند. سنسورها و محرک ها دو نوع اصلی از مبدل ها هستند.
محرک ها صورت های مختلف انرژی از جمله انرژی الکتریکی، گرمایی و … را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کنند. پمپ ها و موتورها نمونه هایی از محرک ها هستند. سنسورها صورت های مختلف انرژی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. نمونه هایی از این سنسورها، سنسورهای شتاب، فشار و گرمایی می‌باشند.
۲-۳ سنسورهای فشار
سنسورهای فشار یکی از انواع سنسورهای مکانیکی هستند. این سنسورها اصولا از یک غشاء نازک تشکیل می‌شوند که فشار به یک سمت از این غشاء وارد می‌شود. این غشاء نازک اصطلاحا دیافراگم نام دارد. نمونه های معمول سنسورهای فشار پیزوالکتریک^[۱۰] ،مقاومت پیزویی^[۱۱] و خازنی
می‌باشد.
۲-۳-۱ سنسورهای فشار پیزوالکتریک
سنسورهای فشار پیزوالکتریک مبدل های تک تراشه ای هستند که شکاف هوایی ندارند. این سنسورهای فشار از ماده پیزوالکتریک برای حس کردن تغییر در دیافراگم استفاده می‌کنند. این ماده به صورت مکانیکی به دیافراگم کوپل می‌شود و تغییرات غشاء نازک (دیافراگم) را حس می‌کند. این حرکت باعث تغییر استرس در ماده پیزوالکتریک می‌شود و ولتاژ الکتریکی تولید می‌کند. شکل ۲-۱ ساختار سنسور فشار پیزوالکتریک را نشان می‌دهد. عیب اصلی این سنسورهای فشار، سطح بالای نویز می‌باشد[۴].

شکل ۲-۱ ساختار سنسور فشار پیزوالکتریک
۲-۳-۲ سنسورهای فشار مقاومت پیزویی
این نوع از سنسورهای فشار از ماده مقاومت پیزویی ساخته می‌شوند و بر پایه اثر مقاومت پیزویی عمل می‌کنند. در این نوع سنسورها وقتی دیافراگم جابجا می‌شود، میزان مقاومت ماده مقاومت پیزویی تغییر می‌کند. این نوع سنسورهای فشار شکاف هوایی ندارند. سنسورهای فشار مقاومت پیزویی به علت وابستگی شدید حرارتی، در حرارت های بالا عملکرد ضعیفی را از خود نشان می‌دهند. بسیاری از سنسورهای فشار بر پایه اثر مقاومت پیزویی ساخته می‌شوند[۵] (شکل۲-۲).

شکل ۲-۲ ساختار سنسورهای فشار مقاومت پیزویی
۲-۳-۳ سنسورهای فشار خازنی
آخرین نوع سنسورهای فشار MEMS، سنسورهای فشار خازنی می‌باشد. این نوع سنسورها برای کار کردن باید با ولتاژ DC بایاس شوند. سنسورهای فشار خازنی عموما از دو صفحه رسانا تشکیل می‌شوند که الکترود متحرک خازن دیافراگم نام دارد و فشار به آن اعمال می‌شود. بین دو صفحه رسانا شکاف هوایی وجود دارد. شکل ۲-۳ ساختار پایه ای یک سنسور فشار خازنی را نشان می‌دهد. فشار اعمال شده به دیافراگم می‌تواند از نوع فشار صوتی، فشار خون، فشار انگشت و … باشد.
این نوع سنسورهای فشار بر پایه اصل ظرفیت خازنی متغیر عمل می‌کنند. در اثر اعمال فشار به دیافراگم، این صفحه به سمت داخل یا خارج جابجا می‌شود. فشار اعمال شده به دیافراگم باعث جابجایی دیافراگم شده و این جابجایی تبدیل به تغییر ظرفیت خازنی می‌شود. سپس این تغییر ظرفیت به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌شود. ولتاژ خروجی ارتباط مستقیم با جابجایی دیافراگم دارد.