سامانه‌های الکتریکی- مکانیکی در مقیاس میکرو (MEMSs)

[محمــد 4415]

. مقدمه

نخستین بار ریچارد فاینمن، در سال 1959 در سخنرانی معروف خود با عنوان «آن پایین فضاهای بسیاری وجود دارد» ایده‌ی فناوری نانو را مطرح کرد. او در همین سخنرانی جایزه‌ای 1000 دلاری را برای اولین شخصی که یک موتور الکتریکی در مقیاس یک شصت و چهارم (64/1) اینچ بسازد، تعیین کرد. بر همین اساس، می‌توان گفت او اولین فردی است که ایده‌ی طراحی و ساخت یک سامانه‌ی الکتریکی- مکانیکی را در مقیاس میکرو مطرح نموده است. البته، این جایزه‌ی 1000 دلاری در نهایت به شخصی به نام مک لیلان رسید که موفق شد اولین موتور الکتریکی بسیار کوچک را بسازد. ایده‌ی فاینمن اگرچه در ابتدا چندان جدی گرفته نشد، اما به تدریج تحولی عظیم در مهندسی الکترونیک و مهندسی مکانیک ایجاد کرد و موجب شکل‌گیری ایده‌ی سامانه‌های الکتریکی- مکانیکی در مقیاس میکرو گردید.

شکل1- فاینمن در حال مشاهده اولین موتور الکتریکی کوچک‌تر از اینچ

«سامانه‌های الکتریکی- مکانیکی در مقیاس میکرو» یا همان «سیستم‌های میکروالکترومکانیکی» معادل فارسی واژه‌ی Micro ElectroMechanical Systems است، که به اختصار MEMSs نامیده می‌شود. سامانه‌های الکتریکی- مکانیکی در مقیاس میکرو، کاربردهای بسیاری در صنایع گوناگون دارند؛ از صنایع الکترونیک و خودروسازی گرفته تا صنایع دارورسانی هوشمند و حتا پزشکی. اگرچه سامانه‌های الکتریکی- مکانیکی در مقیاس میکرو، همان‌طور که معرفی شد، در محدوده‌ی مقیاس میکرومتر قرار دارند، اما به دلیل گسترش و توسعه‌ی فرآیندهای ساخت و کاربردهای آن، در آستانه‌ی ورود به محدوده‌ی فناوری نانو قرار دارند؛ لذا، بررسی و کنکاش درباره‌ی مکانیسم عملکرد و روش‌های ساخت آن بسیار مورد توجه علاقه‌مندان و پژوهشگران فناوری نانو قرار دارد. ما در این مقاله با بیان یک مثال، به چگونگی عملکرد سامانه‌های الکتریکی- مکانیکی در مقیاس میکرو خواهیم پرداخت.

2. مکانیسم عملکرد سامانه‌های الکتریکی- مکانیکی در مقیاس میکرو

سامانه‌های الکتریکی- مکانیکی در مقیاس میکرو (MEMSs) متشکل از تعدادی ابزارها و قطعات الکتریکی و مکانیکی است که در مقیاس میکرومتر قرار دارد. مکانیسم عملکرد آن بدین ترتیب است که، در مقابل هر سیگنال الکتریکی که از قبل تعریف شده (مثلا جریان الکتریکی مشخص یا ولتاژ الکتریکی معین) یک پاسخ مکانیکی،که این هم از قبل تعریف شده، (مثلا تغییر مکان یک قطعه) روی می‌دهد. گاهی نیز برعکس این اتفاق، رخ می‌دهد؛ یعنی یک پاسخ الکتریکی در مقابل یک تغییر شکل مکانیکی.

مزایای اصلی سامانه‌های الکتریکی- مکانیکی در مقیاس میکرو (MEMSs)، کوچک‌سازی، کاهش هزینه و دقت زیاد از طریق جمع‌آوری مستقیم داده‌ها از مقیاس میکرو است.

شکل2- یک سامانه‌ی الکتریکی- مکانیکی در مقیاس میکرو که به دلیل بسته‌بندی بزرگ‌تر از مقیاس میکرو دیده می‌شود!

3. یک مثال معروف

ابداع شتاب‌سنج‌ها در ابعاد میکرومتر، برای فعال کردن کیسه‌های هوا در خودروها، یکی از معروف‌ترین مثال‌های سامانه‌های الکتریکی- مکانیکی در مقیاس میکرو است. قبل از ابداع و استفاده از این شتاب‌سنج‌های میکرومتری، از ابزار دیگری که در ابعاد یک جعبه‌ی دستمال کاغذی و به جرم چند کیلوگرم بود، استفاده می‌شد. در این بخش می‌خواهیم به شرح چگونگی عملکرد شتاب‌سنج‌های میکرومتری، به عنوان یک سامانه‌ی الکتریکی- مکانیکی در مقیاس میکرو بپردازیم. شکل3 یک شتاب‌سنج MEMS را که برای فعال کردن کیسه‌های هوا در خودروها به کار می‌رود، به صورت شماتیک نشان می‌دهد.

شکل 3-الف ابزاری را نشان می‌دهد که شامل یک میله‌ی افقی از جنس سیلیکون با طول چند میکرومتر است، و به دو میله‌ی میان تهی با سطوح داخلی قابل‌انعطاف متصل شده است. با فرض این که خودرو از سمت چپ به سمت راست در حال حرکت است، هنگامی که خودرو در اثر تصادف به طور ناگهانی متوقف می‌شود، میله‌ی افقی به سمت راست شتاب می‌گیرد و این امر موجب تغییر در فاصله‌ی صفحات خازن می‌شود (شکل 3-ب را ملاحظه کنید).

 

شکل3- ساختار شتاب‌سنج میکرو متری

علت این شتاب گرفتن میله‌ی افقی به سمت راست در هنگام توقف خوردو، بر مبنای اصل اینرسی یا لَختی در فیزیک قابل‌توجیه است. بر اساس اصل لَختی، اجسام همواره تمایل دارند حالت سکون یا حرکت با سرعت ثابت بر مسیر مستقیم را حفظ کنند. لذا میله‌ی افقیِ در حال حرکت نیز، تمایل دارد با همان سرعت به سمت جلو حرکت کند.

خازن یک ابزار الکتریکی است و از دو صفحه‌ی رسانای الکتریکی تشکیل شده که بین آن یک نارسانا، مثلا هوا، قرار دارد. خازن ابزاری است که برای ذخیره‌ی بار الکتریکی درون مدار الکتریکی مورد استفاده قرار می‌گیرد. ظرفیت الکتریکی خازن یک کمیت مربوط به خازن است و مفهوم آن این است که به ازای یک ولتاژ معین که بر روی صفحات خازن اعمال می‌شود، خازن چه مقدار بار الکتریکی را می‌تواند بر روی صفحات خود تحمل کند.

تغییر در فاصله‌ی صفحات خازن موجب تغییر در ظرفیت الکتریکی خازن می‌شود، چرا که ظرفیت الکتریکی خازن با فاصله‌ی صفحات آن از یکدیگر، رابطه‌ی معکوس دارد. این تغییر در ظرفیت الکتریکی خازن موجب شارش یک جریان الکتریکی درون سیم‌پیچ حرارتی متصل به آن می‌شود. این سیم‌پیچ حرارتی، از درون ماده‌ای به نام سدیم آزید (NaN3) می‌گذرد. گرم شدن آنی سیم‌پیچ، موجب تجزیه‌ی سریع سدیم آزید و انتشار گاز نیتروژن (N2)، از طریق واکنش (1) خواهد شد. در نهایت؛ گاز نیتروژن تولید شده، کیسه‌های هوای خودرو را پُر می‌کند، و کیسه‌های هوا باز می‌شود. البته باید توجه کنیم که همه‌ی این ماجرا در کسری از ثانیه اتفاق می‌افتد.

4. نتیجه

سامانه‌های الکتریکی- مکانیکی در مقیاس میکرو (MEMSs)، که حدود 30 سال است به صورت جدی مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است، علاوه بر کوچک سازی ابعاد و صرفه‌جویی در هزینه‌های ساخت، موجب افزایش دقت و کارآیی محصولات تولید شده نیز می‌شود. اگر چه MEMSs در محدوده‌ی فناوری نانو قرار نمی‌گیرد، اما مطالعه‌ی مختصری از آن ذهن ما را برای آشنایی با سامانه‌های الکتریکی- مکانیکی در مقیاس نانو (NEMSs) آماده می‌کند.

ویراستار: مریم ملک‌دار

 

 

منبع: باشگاه نانو