سیستم‌های میکرو الکترومکانیکی - بخش 2: اصول طراحی

آنچه یاد خواهید گرفت:

• مدل‌های المان متمرکز را بسازید تا فیزیک پیچیده‌ی چنددامنه را به سیستم‌های مکانیکی معادلِ جرم-فنر-دمپر ساده‌سازی کنید.
• مبادلات طراحی در حسگری خازنی را میان حساسیت و خطی‌بودن ارزیابی کنید و هم‌زمان محدودیت‌های فیزیکی ناشی از ناپایداری pull-in را در نظر بگیرید.
• پاسخ فرکانسی و ضریب Q ریزساختارهای تشدیدی را درک کنید تا اتلاف انرژی و پایداری فرکانس را بهینه کنید.
• حالت‌های خرابی مکانیکی مانند کمانش و خستگی را که بر اثر تنش حرارتی چرخه‌ای و گرمایش ژولی درون ریزساختارها ایجاد می‌شوند، تحلیل کنید.

پیش نیازهای دوره

• دانشجویان کارشناسی یا تحصیلات تکمیلی، مهندسی مکانیک، مهندسی ساخت و تولید، مهندسی هوافضا، مهندسی الکترونیک، فیزیک، و تکنسین‌های دارای تجربه صنعتی

توضیحات دوره

این دوره از اصول اساسی فیزیکی به‌سوی مدل‌سازی نظام‌مند و طراحی سیستم‌های میکروالکترومکانیکی (MEMS) کاربردی حرکت می‌کند. این دوره که به 5 بخش تقسیم شده است، ابزارهای تحلیلی لازم را برای تبدیل ریزفیزیک نظری به حسگرها و عملگرهای پربازده مورد استفاده در صنعت جهانی فراهم می‌کند.

بخش نخست، متدولوژی مدل‌سازی المان متمرکز را معرفی می‌کند و به دانشجویان می‌آموزد چگونه سیستم‌های پیچیده‌ی چندفیزیکی را به مدارهای معادل جرم-فنر-دمپر ساده کنند. این بخش زیربنای تحلیل رفتار ایستا و دینامیکی MEMS را فراهم می‌کند و بر پیش‌بینی پاسخ فرکانسی و اهمیت تشدید مکانیکی تمرکز دارد.

بخش دوم بر ادوات MEMS الکترواستاتیکی تمرکز دارد که رایج‌ترین معماری در این حوزه هستند. دانشجویان اصول حسگری خازنی و مبادلات میان حساسیت و خطی‌بودن را بررسی خواهند کرد. همچنین محدودیت‌های طراحی حیاتی، به‌ویژه حد ناپایداری "pull-in" و منابع مختلف نویز که بر تفکیک‌پذیری ریزحسگرهای خازنی اثر می‌گذارند، بررسی می‌شوند.

بخش سوم به MEMS تشدیدی می‌پردازد و توضیح می‌دهد که ریزساختارها چگونه برای زمان‌سنجی و کنترل فرکانس مهندسی می‌شوند. موضوعات این بخش شامل تحلیل شکل‌مدها، تشدیدگرهای جانبی، و "ضریب کیفیت" (Q-factor) است. دانشجویان یاد می‌گیرند چگونه سازوکارهای میرایی و اتلاف انرژی را مدیریت کنند تا پایداری فرکانس تضمین شود و رانش در کاربردهای دقیق به حداقل برسد.

بخش چهارم به ادوات MEMS اینرسیایی، به‌ویژه شتاب‌سنج‌ها و ژیروسکوپ‌ها، می‌پردازد. این بخش توضیحی دقیق از اثر کوریولیس و چگونگی استفاده از آن برای حسگری نرخ زاویه‌ای ارائه می‌دهد. دانشجویان مبادلات طراحی مکانیکی را تحلیل خواهند کرد و بر این موضوع تمرکز می‌کنند که چگونه بایاس، نویز و اثرات دما بر عملکرد واحدهای اینرسیایی در سطح ناوبری اثر می‌گذارند.

بخش پایانی به MEMS حرارتی و ویژه، همراه با انتخاب مواد و قابلیت اطمینان، اختصاص دارد. این بخش کاربرد گرمایش ژولی را به‌عنوان یک ابزار طراحی عمدی پوشش می‌دهد و حالت‌های خرابی رایج مانند کمانش حرارتی و خستگی را شناسایی می‌کند. دانشجویان یاد می‌گیرند چگونه از دام‌های طراحی عبور کنند تا قابلیت اطمینان بلندمدت میکروسیستم‌ها در محیط‌های سخت تضمین شود.

در پایان این دوره، دانشجویان قادر خواهند بود نیازهای فیزیکی را به مدل‌های ریاضی و طرح‌های مهندسی تبدیل کنند. با مطالعه‌ی سیستم‌های اینرسیایی و تشدیدی، آن‌ها تخصص لازم برای طراحی "مغز و حواس" سامانه‌های خودران مدرن، پوشیدنی‌ها و فناوری هوافضا را به دست خواهند آورد.

این دوره برای چه کسانی مناسب است؟

• مهندسان، دانشجویان سال آخر یا تحصیلات تکمیلی. کارآفرینان و نوآوران، طراحان، متخصصان تولید (با یا بدون مدرک دانشگاهی). به‌طور کلی، متخصصانی که به‌دنبال رشد شغلی هستند.