میکروسیستم‌های الکترومکانیکی - بخش 1: اصول MEMS

آنچه یاد خواهید گرفت:

• MEMS را تعریف کنید و مقیاس منحصربه‌فرد آن‌ها را در مقایسه با مدارهای مجتمع سنتی و ماشین‌آلات در مقیاس ماکرو تشخیص دهید.
• نقش دوگانه سیلیکون را هم به‌عنوان یک نیمه‌رسانای الکتریکی پربازده و هم به‌عنوان یک ماده‌ی سازه‌ای مکانیکی مستحکم ارزیابی کنید.
• قوانین مقیاس‌پذیری را درک کنید تا پیش‌بینی کنید چگونه نیروهای سطحی، الکترواستاتیک و ثابت‌های زمانی حرارتی در مقیاس میکرو به رفتار سیستم مسلط می‌شوند.
• اجزای مکانیکی پایه مانند تیرها، صفحات و تکیه‌گاه‌ها را مدل‌سازی کنید و هم‌زمان اثر جهت‌گیری بلور سیلیکون و ناهمسانگردی را در نظر بگیرید.
• محدودیت‌های چندفیزیکی، از جمله مرز ناپایداری کشش الکترواستاتیکی و تأثیر گرمایش ژولی بر پایداری دستگاه را تحلیل کنید.

پیش نیازهای دوره

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

توضیحات دوره

این دوره اصول فیزیکی اساسی سامانه‌های میکرو الکترومکانیکی (MEMS) و نقش حیاتی آن‌ها را در پر کردن شکاف میان دنیای دیجیتال و دنیای فیزیکی بررسی می‌کند. این دوره که به پنج بخش تقسیم شده است، درکی اساسی از فیزیک در مقیاس میکرو، قوانین مقیاس‌پذیری، و رفتار مکانیکی ساختارهایی ارائه می‌دهد که حسگری و عملگرسازی مدرن را ممکن می‌کنند.

بخش اول، تعریف‌های اصلی و مقیاس MEMS را معرفی می‌کند و این سیستم‌های مجتمع را به‌دلیل حرکت مکانیکیِ عمدی‌شان از مدارهای مجتمع سنتی متمایز می‌سازد. دانشجویان با نگاهی تاریخی، از چشم‌انداز فاینمن آغاز می‌کنند و مروری بر کاربردهای فراگیر، از جمله حسگرهای اینرسی، میکرومیرورها و میکروفلوئیدیک، به دست می‌آورند.

بخش دوم، الزامات نیمه‌رسانا را که برای مهندسی MEMS لازم است، بیان می‌کند. این ماژول به‌جای تمرکز بر طراحی پیچیده‌ی مدار، بر نقش دوگانه‌ی سیلیکون به‌عنوان یک ماده‌ی الکتریکی و سازه‌ای تأکید دارد. موضوعات این بخش شامل درک شهودی از دوپینگ، تشکیل پیوندهای PN برای ایزولاسیون الکتریکی، و این نکته است که چرا ماهیت خازنی MOSFET آن را به پایه‌ای ایده‌آل برای حسگری در مقیاس میکرو تبدیل می‌کند.

بخش سوم به بررسی «قوانین مقیاس‌پذیری» حیاتی می‌پردازد که توضیح می‌دهند چرا دنیای میکرو با تجربه‌ی روزمره‌ی ما تا این اندازه متفاوت رفتار می‌کند. دانشجویان تحلیل خواهند کرد که چگونه مقیاس‌گذاری هندسی باعث می‌شود نیروهای سطحی، مانند الکترواستاتیک و اصطکاک، بر نیروهای حجمی مانند گرانش و مغناطیس غلبه کنند. این ماژول نشان می‌دهد چرا عملگرسازی الکترواستاتیکی ابزار اصلی صنعت است و چگونه ساختارهای کوچک به فرکانس‌های تشدید بالا و پاسخ حرارتی سریع دست پیدا می‌کنند.

بخش چهارم و پنجم بر مکانیک و چندفیزیک ساختارهای MEMS تمرکز دارند. دانشجویان یاد می‌گیرند چگونه میکروتیرها و صفحات را مدل‌سازی کنند و ناهمسانگردی مکانیکی منحصربه‌فرد سیلیکون بلوری را در نظر بگیرند. دوره با تحلیلی از عملگرسازی الکترواستاتیکی و حرارتی به پایان می‌رسد و مرز بنیادی ناپایداری «pull-in» و تأثیر گرمایش ژولی بر قابلیت اطمینان و طراحی دستگاه را پوشش می‌دهد.

در پایان این دوره، دانشجویان درکی قوی و شهودی از مقیاس میکرو به دست می‌آورند و فراتر از شهود الکتریکی رایج، به محدودیت‌های مکانیکی و حرارتی MEMS مسلط می‌شوند. آن‌ها از طریق مدل‌سازی مفهومی، مهارت لازم برای تحلیل و طراحی نسل بعدی سیستم‌های هوشمند و مینیاتوری را کسب خواهند کرد.

این دوره برای چه کسانی مناسب است؟

• مهندسان، دانشجویان سال‌های آخر یا تحصیلات تکمیلی. کارآفرینان و نوآوران، طراحان، متخصصان تولید (چه دارای مدرک دانشگاهی باشند چه نباشند). در مجموع، متخصصانی که به‌دنبال پیشرفت شغلی هستند.