عنوان پایان‌نامه
طراحی و مشخصه یابی میکروفون خازنی ریزمقیاس بر پایه تکنولوژی MEMS
- رشته تحصیلی
- مهندسی مکاترونیک
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 62414;کتابخانه دانشکده علوم و فنون نوین شماره ثبت: 60
- تاریخ دفاع
- ۱۳ بهمن ۱۳۹۲
- دانشجو
- حسن قرائی
- استاد راهنما
- جواد کوهسرخی, علیرضا نیک فرجام
- چکیده
- میکروفون‌ها وسایلی هستند که برای تشخیص صوت می‌توان از آنها استفاده کرد. صوت در فضا توسط یک موج فشاری منتشر می‌شود که مکانیزم‌های مختلفی برای تشخیص این موج و تبدیل آن به یک خروجی قابل سنجش، ترجیحا الکتریکی، بکار گرفته می‌شود. در این پایان‌نامه، انواع مکانیزم‌هایی که در میکروفون‌های MEMS کاربرد داشته و مورد استفاده قرار می‌گیرند، معرفی می‌شوند. سپس میکروفون‌های خازنی جهت طراحی مد نظر قرار گرفته و با جزئیات بیشتر بررسی می‌شوند. میکروفون‌های خازنی دارای چندین قسمت مختلف است که دیافراگم یکی از مهمترین آنها محسوب می‌شود که دو وظیفه‌ی اصلی بر عهده دارد: یکی این که بر اثر موج فشاری حاصل از صوت خیز بردارد و دیگر آن که نقش یکی از صفحات خازنی را ایفا کند. در دیافراگم‌های معمول یک تکّه، بر اثر خیز ایجاد شده در دیافراگم سطح موثر خازنی کاهش پیدا می‌کند که این امر بر روی مقدار ظرفیت خازنی اثر منفی می‌گذارد. در دیافراگم دو تکّه‌ی پیشنهاد شده در این پایان‌نامه، دو وظیفه‌ی ذکر شده برای دیافراگم، توسط دو قسمت جداگانه انجام می‌پذیرد که این دو قسمت از وسط به یکدیگر متصل شده‌اند. قسمت بالایی که از اطراف به بدنه اتصال دارد و وظیفه‌ی اول یعنی خیز برداشتن بر اثر موج فشاری حاصل از صوت را بر عهده دارد و قسمت دوم ،که تنها از وسط به قسمت اول متصل است، نقش صفحه‌ی خازنی را بر عهده خواهد داشت. از آنجا که تکّه‌ی دوم دیافرگم، همواره موازی صفحه‌ی پشتی باقی می‌ماند، فرض خازن با صفحات موازی ،که در بخش‌های مختلف برای ساده‌سازی مورد استفاده قرار گرفته، فرض نزدیک به واقعیتی است. در این پایان‌نامه، یک مدل الکترواستاتیکی با استفاده از دیافراگم دو تکّه به دست می‌آید و میزان پایداری فرض مذکور، خازن با صفحات موازی، در شرایط مختلف توسط آن سنجیده می‌شود. در این بخش مسائلی نظیر ولتاژ pull-in، تغییرات ظرفیت خازنی در مقادیر مختلف ولتاژ بایاس و حساسیت مدار باز میکروفون بررسی می‌شود و سپس مقادیر عنوان شده برای میکروفون در حالات مختلف به دست می‌آیند. در بخش‌های دیگر مسائل مربوط به دمپینگ در ساختار میکروفون به صورت مقدماتی مورد بررسی قرار گرفته و همچنین مقادیر خیزهای کوچک و بزرگ برای دیافراگم دو تکّه به دست می‌آیند. در پایان پاسخ فرکانسی میکروفون با استفاده از روش مدل‌سازی Lumped Element Model محاسبه می‌شود. در این روش مدل‌سازی، مدلی مداری برای میکروفون به دست می‌آید و این مدل برای محاسبه‌ی پاسخ فرکانسی مورد استفاده قرار می‌گیرد. کلمات کلیدی میکروفون خازنی، دیافراگم دو تکّه‌ی اصلاح شده، ولتاژ pull-in، حساسیت مدار باز، مدل‌سازیLumped Element Model، پاسخ فرکانسی.
- Abstract
- Microphones are components which can be used to detect sound. Sound propagates in the space using acoustic waves, which can be detected and transformed to an easily detectable output, preferably electric signals, using different methods. In this thesis, different kind of mechanisms which can be used in MEMS microphones are introduced. Then among them, capacitive microphones are selected for designing and they are explained in more details. One of the key parts in all capacitive microphones is diaphragm which usually has two significant roles. First, it deflects due to the acoustic waves and second, it, with another plate, builds the capacitor, used for detection. In normal diaphragms, due to the deflection, the effective surface of the capacitor decreases which negatively effects the capacity. In the proposed coupled double part diaphragm, these roles are separately fulfilled using different parts, attached to each other in the center. The upper part, surrounded by body, deflects due to the acoustic waves. The lower part can be considered as a plate of the capacitor. The later plate always remains parallel to the back plate of the capacitor, hence, the capacitor can be assumed to be a parallel plate capacitor. This assumption, significantly simplifies the complicated calculations, is used in different parts of this thesis. In this thesis an electrostatic model for coupled two part diaphragm is obtained and used to check the stability of the proposed parallel plate capacitor assumption in different conditions. Parameters such as pull-in voltage, capacitance changes due to the bias voltage and open circuit sensitivity are discussed in this section. In other sections damping in the structure of the microphone is primarily discussed and small and large deflections are calculated. Finally, frequency response of the microphone is calculated using a modeling method, called lumped element model. Mentioned model provides us with a model circuit, which can be used to find the frequency response. Keywords: capacitive microphone, coupled two part diaphragm, pull-in voltage, open circuit sensitivity, lumped element model, frequency response.
