طراحی و شبیه سازی سنسور فشار کره چشم90

فهرست مطالب

فصل اول: کلیات طرح.. 1

1-1 مقدمه. 1

1-2 اهداف تحقیق.. 5

1-3 اهمیت موضوع تحقیق و انگیزه انتخاب آن. 5

1-4 فرضیه های تحقیق.. 6

1-5 محدودیت ها و مشکلات تحقیق.. 7

1-6 ساختار پروژه7

فصل دوم: مروری بر مطالعات انجام شده8

مقدمه. 8

2-1 معرفی MEMS. 9

2-2 مبدل های MEMS. 10

2-3 سنسورهای فشار. 10

2-3-1 سنسورهای فشار پیزوالکتریک... 10

2-3-2 سنسورهای فشار مقاومت پیزویی.. 11

2-3-3 سنسورهای فشار خازنی.. 11

2-3-3-1 علل استفاده از سنسور فشار خازنی.. 12

2-4 ساختمان چشم. 13

2-4-1 پلک... 14

2-4-2 ملتحمه. 14

2-4-3 قرنیه. 14

2-4-4 عنبیه ومردمک... 15

2-4-5 اتاق قدامی.. 16

2-4-6 عدسی.. 16

2-4-7 زجاجیه. 17

2-4-8 شبکیه. 17

2-4-9 صلبیه. 18

2-4-10 عصببینایی.. 18

2-4-11 عضلات چشم. 18

2-5 گلوکوما چیست... 18

2-5-1 گلوکوم زاویه باز اولیه. 19

2-5-2 گلوکوم حاد زاویه بسته. 19

2-6 تکنیک‌های مرسوم برای اندازه‌گیری فشار داخل چشمی.. 21

2-6-1 تونومتر اپلاناسیونگلدمن.. 21

2-6-2 تونومتری غیر تماسی ( NCT: Non Contact Tonometry )23

2-6-3 تونوپن (Tonopen)24

2-6-4 تونومتریDynamic Contour (DCT)24

2-7 نیاز به اندازه‌گیری مداوم فشار داخل چشمی.. 25

2-8 تکنیک‌های اندازه‌گیری مداوم فشار داخل چشمی.. 26

2-8-1 تکنیک‌های اندازه‌گیری توسط حسگرهای سیمی.. 27

2-8-2 دور سنج تزویج القایی.. 29

2-8-2-1 دستگاه غیرفعال. 30

2-8-2-2 دستگاه فعال. 41

2-9 بحث و بررسی.. 42

فصل سوم: روش انجام تحقیق.. 43

مقدمه. 43

3-1 طراحی سنسورهای فشار خازنی MEMS. 43

3-2 مدل سازی دیافراگم مسطح.. 45

3-3 بررسی ساختار سنسور فشار خازنی.. 48

3-3-1 حساسیت مکانیکی دیافراگم. 49

3-3-2 حساسیت سنسور. 50

3-3-3 انتخاب ناحیه کاری برای سنسور فشار چشم. 51

3-4 بررسی ظرفیت خازنی.. 52

3-5 آنالیز خمش یک صفحه نازک.. 53

3-5-1 بررسی معادلات پایه ای صفحات نازک با جابجایی کوچک... 54

3-5-2 بررسی شرایط مرزی.. 56

3-5-3 جابجایی صفحه نازک تحت فشار خارجی یکنواخت... 57

3-6 محاسبه ظرفیت خازنی سنسور فشار خازنی.. 69

3-7 آنالیز المان محدود. 70

3-7-1 دیافراگم مربعی چهار طرف ثابت... 70

3-7-2 دیافراگم مربعی شیاردار. 71

فصل چهارم: نتایج شبیه سازی.. 73

مقدمه. 73

4-1 شبیه سازی دیافراگم. 73

4-1-1 نتایج ریاضی.. 74

4-1-2 اثر استرس دیافراگم. 74

4-1-3 اثر اندازه دیافراگم. 75

4-1-4 اثر ضخامت دیافراگم. 75

4-1-5 حساسیت مکانیکی دیافراگم. 76

4-1-6 نتایج شبیه سازی المان محدود. 78

4-2 شبیه سازی ساختار سنسور فشار چشم. 86

4-2-1 اثر پارامترهای طراحی بر روی رفتار استاتیکی و دینامیکی سنسور فشار چشم. 87

4-2-2 بررسی ولتاژ پولین برای ساختار دیافراگم مربعی.. 87

4-2-3 ظرفیت خازنی سنسور فشار چشم. 90

4-2-4 توزیع استرس بر روی دیافراگم. 92

4-2-5 پاسخ فرکانسی سنسور خازنی فشار چشم. 93

4-3 استفاده از دیافراگم پلی‌سیلیکون جهت افزایش حساسیت سنسور فشار چشم. 95

4-4 بررسی سنسور فشار چشم با دیافراگم پلی‌سیلیکون شیاردار. 99

4-5 مقایسه سنسورهای فشار پلی‌سیلیکون و p++si در حالت clamped. 102

4-6 مقایسه سنسورهای فشار پلی‌سیلیکون و p++si با دیافراگم شیاردار. 111

4-7 مقایسه سنسور فشار خازنی با دیافراگم پلی‌سیلیکون در حالت clamped و شیاردار. 119

فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات... 128

5-1 نتیجه گیری.. 128

5-2 پیشنهادات... 131

مراجع. 132

فهرست شکل ها

شکل 1-1 شماتیک مقطع عرضی سنسور فشار خازنی2

شکل 1-2 چگونگی ارتباط واحد جمع آوری اطلاعات و واحد پایگاه داده مرکزی با سنسور کاشته شده 3

شکل 2-1 ساختار سنسور فشار پیزوالکتریک11

شکل 2-2 ساختار سنسورهای فشار مقاومت پیزویی11

شکل 2-3 ساختار سنسور فشار خازنی12

شکل 2-4 ساختار داخلی چشم انسان13

شکل 2-5 محل تشکیل مایع زلالیه20

شکل 2-6 نوسانات فشار داخل چشمی در بیماران نرمال و بیماران گلوکوما........................... 21

شکل 2-7 روش اندازه‌گیری با تونومتر اپلاناسیون گلدمن..................................................... 23

شکل 2-8 تکنیک‌های اندازه‌گیری فشار داخل چشمی.......................................................... 26

شکل 2-9 محل قرار گیری سنسور فشاردر داخل چشم....................................................... 27

شکل 2-10 لنزهای تماسی نرم با ابزار اندازه‌گیری مقاومتی و ابزار اندازه‌گیری جبران مقاومتی. 28

شکل 2-11لنز تماسی نرم در قالب پل وتسون.................................................................. 28

شکل 2-12 شش نیروی اصلی بر روی لنز کاشته شده در چشم............................................ 29

شکل 2-13 دو سیم پیچ ارشمیدسی متحدالمرکز موازی........................................................ 30

شکل 2-14 ساختار سنسور فشار بعد از اعمال فشار به دیافراگم........................................... 30

شکل 2-15 تونومتری های حبابی در اندازه های mm 5/0، 2، 4، 6.................................... 31

شکل 2-16 مدار معادل المان سنسور................................................................................. 32

شکل 2-17 شماتیک مقطع عرضی ساختار سنسور.............................................................. 32

شکل 2-18 شماتیک مقطع عرضی ساختار سنسور.............................................................. 33

شکل 2-19 مدار سلفی-خازنی- الکترود های خازن به صورت سیم پیچ مسطح طراحی شده اند.34

شکل 2-20 مدار تشدید سنسور فشار داخل چشمی............................................................ 34

شکل 2-21 سنسور فشار داخل چشمی.............................................................................. 35

شکل 2-22تراشه سنسور................................................................................................. 35

شکل 2-23 مدار معادل ساختار سنسور فشار...................................................................... 36

شکل 2-24 ساختار سنسور فشار بی‌سیم............................................................................ 36

شکل 2-25 مقطع عرضی ساختار سنسور فشار خازنی بی‌سیم.............................................. 37

شکل 2-26 شمایتک مقطع عرضی سنسور فشار خازنی....................................................... 38

شکل 2-27 مدار معادل بازخوانی مسافت سنج.................................................................... 39

شکل 2-28 چینش ویفر شیشه.......................................................................................... 40

شکل 3-1 ساختار سنسور فشار خازنی............................................................................... 44

شکل3-2 مقطع عرضی دیافراگم سنسور فشار..................................................................... 45

شکل3-3 شکل های دیافراگم a )دیافراگم دایره ای b )دیافراگم مربعی................................. 47

شکل3-4 منحنی جابجایی دیافراگم بر حسب فشاربرای دیافراگم مربعی و دایروی با مساحت های برابر 48

شکل 3-5 شماتیک مقطع عرضی سنسور فشار خازنی......................................................... 49

شکل 3-6 حساسیت در نقطه کار ، S_w ، و حساسیت متوسط سنسور، S_ave.............................. 51

شکل 3-7 ویژگی های یک سنسور فشار خازنی لمسی a ) ناحیه نرمال b )ناحیه گذرا c )ناحیه لمسی d )ناحیه اشباع....................................................................................................................................... 52

شکل 3-8 نمایش صفحه در مختصات کارتزین................................................................... 53

شکل 3-9 صفحه نازک مستطیلی تحت فشار یکنواخت با لبه های simply supported............ 58

شکل3-10 جابجایی صفحه با شرایط مرزی مشخص شده در شکل 3-9.............................. 61

شکل3-11 صفحه نازک مستطیلی تحت فشار یکنواخت با لبه های clamped........................ 61

شکل3-12 توزیع گشتاور خمشی در طول لبه های y=b/2 و y=-b/2..................................... 62

شکل 3-13 جابجایی صفحه با شرایط مرزی مشخص شده در شکل 3-11.......................... 69

شکل 3-14 ساختار شبیه سازی شده سنسور فشار خازنی..................................................... 70

شکل 3-15 سنسور فشار خازنی شیاردار a) مقطع بالایی دیافراگم سنسور فشار b) مقطع عرضی سنسور فشار 71

شکل 3-16 ساختار شبیه سازی شده سنسور فشار خازنی شیاردار......................................... 72

شکل 4-1 منحنی جابجایی برحسب فشار به ازای استرس های 0، MPa 40، MPa 100....... 74

شکل 4-2 منحنی جابجایی برحسب فشار به ازای اندازه هایμm 550، μm 650، μm 750. 75

شکل 4-3 منحنی جابجایی برحسب فشار به ازای ضخامت های μm 2، μm 4 و μm 7........ 76

شکل 4-4 منحنی حساسیت مکانیکی برحسب ضخامت دیافراگم به ازای استرس های 0، MPa 40، MPa 100 77

شکل4-5 منحنی حساسیت مکانیکی برحسب اندازه دیافراگم به ازای استرس های 0، MPa 40، MPa 10077

شکل 4-6 منحنی جابجایی بر حسب فشار......................................................................... 79

شکل 4-7 منحنی جابجایی بر حسب استرس در دیافراگم p++si.......................................... 79

شکل 4-8 منحنی جابجایی بر حسب فشار به ازای ضخامت های μm 2، μm 4 و μm 7....... 80

شکل 4-9 منحنی فشار بر حسب جابجایی به ازای اندازه هایμm 550، μm 650، μm 75080

شکل 4-10 منحنی جابجایی مرکز دیافراگم بر حسب ضخامت دیافراگم............................... 81

شکل 4-11 منحنی جابجایی مرکز دیافراگم بر حسب اندازه دیافراگم.................................... 82

شکل 4- 12 منحنی جابجایی مرکز دیافراگم بر حسب فاصله از مرکز دیافراگم...................... 82

شکل 4-13 منحنی حساسیت مکانیکی دیافراگم بر حسب ضخامت دیافراگم......................... 83

شکل 4-14 منحنی حساسیت مکانیکی دیافراگم بر حسب اندازه دیافراگم............................. 84

شکل 4-15 منحنی حساسیت مکانیکی دیافراگم بر حسب استرس دیافراگم........................... 84

شکل 4-16 جابجایی دیافراگم a) با استرس و فشار صفر b) بدون استرس با اعمال فشار یکنواخت MPa 8/0 c) با استرس MPa 40 با اعمال فشار یکنواخت MPa 8/0....................................................................... 85

شکل 4-17 ساختار شبیه سازی شده سنسور فشار............................................................... 86

شکل 4-18 منحنی جابجایی بر حسب ولتاژ بایاس............................................................. 88

شکل 4-19 سقوط دیافراگم p++siدر اثر پدیده پولین......................................................... 88

شکل 4-20 جابجایی دیافراگم در محور راستای z.............................................................. 89

شکل 4-21 منحنی جابجایی بر حسب فشار....................................................................... 90

شکل 4-22 منحنی ظرفیت خازنی بر حسب فشار.............................................................. 91

شکل 4-23 ساختار خازنی سنسور فشار............................................................................ 91

شکل 4-24 ساختار شبیه سازی توزیع استرس دیافراگم....................................................... 93

شکل 4-25 نمودار جابجایی برحسب فرکانس برای دیافراگم p++si..................................... 93

شکل 4-26 منحنی جابجایی بر حسب ولتاژ بایاس برای دیافراگم پلی‌سیلیکون...................... 96

شکل 4-27 منحنی جابجایی بر حسب فشار....................................................................... 96

شکل 4-28 منحنی ظرفیت خازنی بر حسب فشار.............................................................. 97

شکل 4-29 نمودار جابجایی برحسب فرکانس برای دیافراگم پلی‌سیلیکون............................ 98

شکل 4-30شبیه سازی آنالیز المان محدود برای ساختار سنسور فشار چشم........................... 99

شکل 4-31 منحنی جابجایی بر حسب ولتاژ بایاس........................................................... 100

شکل 4-32 منحنی جابجایی مرکز دیافراگم بر حسب فشار............................................... 101

شکل 4-33 منحنی ظرفیت خازنی بر حسب فشار............................................................ 101

شکل 4-34 جابجایی مرکز دیافراگم بر حسب ولتاژ بایاس................................................ 103

شکل 4-35 شبیه سازی آنالیز المان محدود برای ساختار سنسور فشار با دیافراگم p++si...... 103

شکل 4-36 شبیه سازی آنالیز المان محدود برای ساختار سنسور فشار با دیافراگم پلی‌سیلیکون104

شکل 4-37 منحنی جابجایی بر حسب فشار.................................................................... 105

شکل 4-38 منحنی جابجایی بر حسب استرس دیافراگم.................................................... 105

شکل 4-39 منحنی جابجایی بر حسب اندازه شکاف هوایی............................................... 106

شکل 4-40 منحنی جابجایی بر حسب ضخامت دیافراگم.................................................. 107

شکل 4-41 منحنی جابجایی بر حسب اندازه دیافراگم...................................................... 108

شکل 4-42 منحنی ظرفیت خازنی بر حسب فشار............................................................ 109

شکل 4-43 منحنی ظرفیت خازنی بر حسب استرس دیافراگم........................................... 110

شکل 4-44 منحنی ظرفیت خازنی بر حسب ضخامت دیافراگم......................................... 110

شکل 4-45 منحنی جابجایی بر حسب ولتاژ بایاس........................................................... 112

شکل4-46 شبیه سازی آنالیز المان محدود برای ساختار سنسور فشار با دیافراگم شیاردار p++si113

شکل4-47شبیه سازی آنالیز المان محدود برای ساختار سنسور فشار با دیافراگم شیاردار پلی‌سیلیکون 113

شکل4-48 منحنی جابجایی بر حسب فشار..................................................................... 114

شکل4-49 منحنی ظرفیت خازنی بر حسب فشار............................................................. 115

شکل4-50 منحنی جابجایی بر حسب ضخامت دیافراگم................................................... 116

شکل4-51 منحنی جابجایی بر حسب اندازه شکاف هوایی................................................ 116

شکل4-52 منحنی ظرفیت خازنی بر حسب ضخامت دیافراگم........................................... 117

شکل4-53 منحنی ظرفیت خازنی بر حسب اندازه شکاف هوایی........................................ 118

شکل 4-54 منحنی جابجایی بر حسب ولتاژ بایاس........................................................... 120

شکل 4-55 منحنی جابجایی بر حسب فشار.................................................................... 121

شکل 4-56 منحنی جابجایی دیافراگم بر حسب استرس دیافراگم...................................... 121

شکل 4-57 منحنی جابجایی دیافراگم بر حسب ضخامت شکاف هوایی............................. 122

شکل 4-58 منحنی جابجایی بر حسب ضخامت دیافراگم.................................................. 123

شکل 4-59 منحنی جابجایی بر حسب اندازه دیافراگم...................................................... 124

شکل 4-60 منحنی ظرفیت خازنی بر حسب فشار............................................................ 124

شکل 4-61 منحنی ظرفیت خازنی بر حسب استرس دیافراگم........................................... 125

شکل 4-62 منحنی ظرفیت خازنی بر حسب ضخامت شکاف هوایی.................................. 126

شکل 4-63 منحنی ظرفیت خازنی بر حسب ضخامت دیافراگم......................................... 126

فهرست جداول

جدول 2-1 مشخصات سنسور فشار خازنی........................................................................ 37

جدول 2-2مشخصات سنسور فشار خازنی......................................................................... 41

جدول 4-1 پارامترهای فیزیکی ساختار ممزی سنسور خازنی فشار چشم............................... 86

جدول 4-2 پارامترهای فیزیکی سنسور فشار....................................................................... 92

جدول 4-3مقایسهنتایج حاصل از محاسبات ریاضی و شبیه ساز.......................................... 92

جدول 4-4 پارامترهای طراحی ساختار سنسور خازنی فشار چشم با دیافراگم p++si............... 94

جدول 4-5 نتایج شبیه سازی ساختار سنسور خازنی فشار چشم با دیافراگم p++si.................. 94

جدول 4-6 پارامترهای طراحی ساختار سنسور خازنی فشار چشم با دیافراگم پلی‌سیلیکون...... 98

جدول 4-7 نتایج شبیه سازی ساختار سنسور خازنی فشار چشم با دیافراگم پلی‌سیلیکون......... 98

جدول 4-8 پارامترهای طراحی ساختار سنسور خازنی فشار چشم با دیافراگم شیاردار پلی‌سیلیکون. 102

جدول 4-9 نتایج شبیه سازی ساختار سنسور خازنی فشار چشم با دیافراگم شیاردار پلی‌سیلیکون102

جدول 4-10 مقایسه سنسورهای فشار خازنی در حالت clamped...................................... 111

جدول 4-11 مقایسه نتایج شبیه سازی سنسور فشار چشم................................................ 111

جدول 4-12 پارامترهای طراحی ساختار سنسور فشار خازنی چشم با دیافراگم پلی‌سیلیکون و p++si در حالت slotted..................................................................................................................................... 118

جدول 4-13 نتایج شبیه سازی ساختار سنسور فشار خازنی چشم با دیافراگم پلی‌سیلیکون و p++si در حالت slotted..................................................................................................................................... 119

جدول 4-14 مقایسه پارامترهای فیزیکی دو ساختار سنسور فشار خازنی چشم با دیافراگم پلی‌سیلیکون در حالت slotted و clamped........................................................................................................................ 127

جدول 4-15 مقایسه نتایج شبیه سازی سنسور فشار چشم با دیافراگم پلی‌سیلیکون در حالت slotted و clamped 127

جدول 5-1 مقایسه نتایج130

فصل اول: کلیات طرح

1-1 مقدمه

مسئله اصلی تحقیق عبارت است از طراحی و تحلیل سنسور فشار خازنی بر پایه تکنولوژی MEMS و بررسی این مسئله که به چه میزان می‌توان حساسیت سنسور را جهت اندازه‌گیری فشار کره چشم افزایش داد؟

در این تحقیق سنسور فشار خازنی بر پایه تکنولوژی MEMS جهت اندازه‌گیری فشار داخل چشمی بررسی می‌شود. این سنسور در داخل چشم بیماران آب سیاه کاشته می‌شود تا بتوان فشار داخل چشمی[1]را به صورت مداوم و پیوسته مشاهده کرد.

MEMS مخفف Micro Electro Mechanical Systems می‌باشد. تکنولوژی MEMS برای ایجاد قطعات مجتمع شده کوچک مانند میکروسنسورها و یا سیستم هایی که مولفه های مکانیکی و الکتریکی را با یکدیگر تر کیب می‌کنند، به کار می روند. سنسورهای فشار که با استفاده از تکنولوژی MEMS ساخته می‌شود، دارای اندازه کوچک، هزینه کم و عملکرد بسیار خوبی هستند. اندازه اجزاء ساخته شده از چند میکرومتر شروع شده و تا چند میلیمتر گسترش می‌یابد[1].

سنسور فشار خازنی[2] یک مکانیزم معمول برای سنسور فشار می‌باشد. این نوع سنسورها از دو صفحه الکترود موازی تشکیل می‌شوند. صفحه الکترود بالایی خازن، دیافراگم نام دارد و حساسیت زیادی به فشار خارجی از خود نشان می‌دهد. با اعمال فشار خارجی دیافراگم تغییر شکل داده ، فاصله بین دو الکترود کم می‌شود و در نتیجه ظرفیت خازن زیاد می‌شود.

صفحات خازن بگونه ایست که یک صفحه الکترود به صورت ثابت قرار دارد (الکترود زیرین[3]) در حالیکه دیافراگم نسبت به آن حرکت می‌کند. طبق فرمول (1-1) کم و یا زیاد شدن فضای بین دو صفحه به تغییر ظرفیت خازنی می انجامد. شکل 1-1 شماتیک مقطع عرضی سنسور فشار خازنی را نشان می‌دهد.

(1-1)

ε ثابت دی الکتریک ماده بین دیافراگم و صفحه پایین، A مساحت موثر الکترود های خازن و d فاصله بین آن دو می‌باشد

شکل 1-1 شماتیک مقطع عرضی سنسور فشار خازنی

در این تحقیق به بررسی سنسور فشار خازنی قابل کاشت در چشم با استفاده از تکنولوژی MEMS می‌پردازیم. این سنسور داخل چشم بیماران گلوکوما جهت مانیتور کردن فشار چشم کاشته می‌شود و به پزشکان کمک می‌کند تا بیماری گلوکوما را بهتر درمان کنند و پیشینه کامل تری از فشار داخل چشمی ( IOP ) در اختیار داشته باشند. در سنسورهای فشار چشم، فشار اعمال شده به دیافراگم سنسور، از طریق مایع چشم (زلالیه) صورت می‌گیرد و جابجایی چند میکرونی در دیافراگم ایجاد می‌کند. اندازه‌گیری فشار کره چشم اصولا برای بیمارانی که از بیماری آب سیاه (گلوکوما) رنج می‌برند، اهمیت زیادی دارد. معمولا گلوکوما ناشی از بالا رفتن فشار داخل چشمی و بد عمل کردن چشم اتفاق می‌افتد. بیماری آب سیاه معمولا بدون علائم است و ممکن است بیمار تا مرز نابینایی برود. این در حالیست که بیمار درد و یا نشانه قابل ملاحظه ای را تجربه نمی‌کند[2].

سنسور فشار معرفی شده یکی از سه مولفه بکار گرفته شده در سیستم اندازه‌گیری فشار چشم می‌باشد. مولفه دوم واحد جمع آوری و پردازش اطلاعات می‌باشد و مولفه سوم پایگاه داده مرکزی که کلیه اطلاعات ضبط شده را نگهداری می‌کند (شکل 1-2). مدار اولیه (واحد پردازش اطلاعات) و مدار ثانویه (سنسور) از طریق کوپلینگ سلفی به یکدیگر ارتباط برقرار می کنند. مدار اولیه مرتبا سیگنال پریودیک تولید کرده و آن را به مدار ثانویه ارسال می کند. سیگنال ارسال شده مدار ثانویه را تحریک کرده و نتیجه این تحریک به مدار اولیه باز می گردد و خصوصیات مدار اولیه را تغییر می‌دهد. اندازه‌گیری پاسخ فرکانسی سیگنال پریودیک در مدار اولیه اطلاعاتی را در رابطه با ظرفیت خازنی سنسور و در نهایت فشار اعمال شده به دیافراگم می‌دهد. (ظرفیت خازنی سنسور ارتباط مستقیم با فشار اعمال شده به سنسور دارد.)

شکل 1-2 چگونگی ارتباط واحد جمع آوری اطلاعات و واحد پایگاه داده مرکزی با سنسور کاشته شده

در این پروژه به فاز اول طراحی سنسور خازنی فشار چشم می‌پردازیم. فاز دوم شامل ساخت قطعه و فاز سوم شامل طراحی واحد DAP و پایگاه داده می‌باشد که جزء برنامه های آینده است.

مهمترین مسئله که از اهمیت زیادی برخوردار است حساسیت سنسور است. در صورتی که دیافراگم از حساسیت قابل قبولی برخوردار نباشد به خوبی نمی‌تواند جابجا شود و در نتیجه ظرفیت خازن به میزان کمی تغییر خواهد کرد.

پارامترهای مهم برای طراحی سنسور فشار عبارتند از:

- میزان ظرفیت خازن

- شکل دیافراگم

- میزان انحراف دیافراگم

- 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.

1-2 اهداف تحقیق

این پروژه به طراحی و شبیه سازی سنسور فشار خازنی چشم با استفاده 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.

1-3 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 استفاده 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[3].

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.

1-4 فرضیه های تحقیق

فرضیاتی که جهت افزایش حساسیت سنسور در نظر گرفته می‌شود عبارتند از:

1- 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.

2- 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 استفاده 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 استفاده از نتایج بدست آمده، می‌توان سنسور های با حساسیت بالاتری را طراحی نمود.

1-5 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.

1-6 ساختار پروژه

این پروژه در 5 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 2 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 3 بیان می‌شود. در فصل 4 نتایج حاصل از شبیه سازی با استفاده 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 5 بیان می‌گردد.

فصل دوم: مروری بر مطالعات انجام شده

مقدمه

امروزه سیستم های با مقیاس میکرو[4] 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[5] ( MST ) در اروپا، ریز ماشین ها[6] در ژاپن و ممز[7] در ایالات متحده [1].

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[8] 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.

2-1 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 1980 آغاز شد و بر پایه شناخت ویژگی های ماده سیلیکون برای میکروماشین کاری سطحی و عمقی[9] 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.

2-2 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.

2-3 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[10] ،مقاومت پیزویی[11] و خازنی
می‌باشد.

2-3-1 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 2-1 ساختار سنسور فشار پیزوالکتریک را نشان می‌دهد. عیب اصلی این سنسورهای فشار، سطح بالای نویز می‌باشد[4].

شکل 2-1 ساختار سنسور فشار پیزوالکتریک

2-3-2 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[5] (شکل2-2).

شکل 2-2 ساختار سنسورهای فشار مقاومت پیزویی

2-3-3 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 2-3 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.

شکل 2-3 ساختار سنسور فشار خازنی

2-3-3-1 علل استفاده از سنسور فشار خازنی

هدف از طراحی سنسور فشار خازنی بدست آوردن حساسیت زیاد، اندازه کوچک و هزینه ساخت کم می‌باشد. پارامترهای زیر سنسور فشار خازنی را نسبت به دیگر سنسورها متمایز می‌کند.

- وابستگی کم به دما

- مصرف توان DC صفر

- پاسخ فرکانسی زیاد در پهنای باند وسیع

- سطح پایین نویز

سنسور فشار خازنی مورد استفاده در این پروژه جهت اندازه‌گیری فشار داخل چشمی بکار می‌رود. لذا ابتدا به بررسی ساختمان چشم می‌پردازیم.

2-4 ساختمان چشم

جهت شناخت بهتر عملکرد سنسور فشار خازنی و بیماری گلوکوما، ضروری است ابتدا درک درستی از ساختمان چشم و چگونگی عملکرد آن داشته باشیم. لذا به معرفی بخش های مختلف چشم می‌پردازیم.

ساختمان چشم شبیه به یک کره است. کار اصلی چشم آن است که نورهایی را که ازخارج دریافت می کند طوری روی پرده شبکیه متمرکز کند که تصویر دقیقی از شیء مورد نظرروی پرده شبکیه ایجاد شود. شبکیه این تصاویر را به صورت پیام های عصبی به مغز ارسالمی کند و این پیام ها در مغز تفسیر می‌شوند. بنابراین برای واضح دیدن، قبل از هرچیزلازم است که نور به طور دقیق روی پرده شبکیه متمرکز شود. ساختمان چشم شبیه یککره است. در قسمت جلوی این کره یک پنجره شفاف به نام قرنیه وجود دارد. نور از محیطخارج وارد قرنیه شده پس از عبور از مردمک به عدسی می‌رسد. عدسی نور را به صورت دقیقروی شبکیه متمرکز می کند تا تصویر واضحی بر روی شبکیه ایجاد شود. برای آنکهاشیاء به صورت دقیق و واضح دیده شوند لازم است مسیری که نور در چشم طی می کند شفافباشد و قرنیه و عدسی نور را درست روی شبکیه متمرکز کنند. شکل 2-4 ساختمان داخلی چشم انسان را نشان می‌دهد.

شکل 2-4 ساختار داخلی چشم انسان

2-4-1 پلک

وقتی جسمنوک تیزی به چشم ما نزدیک می‌شود ما بی اختیار پلک ها را می بندیم. پلک ها در حقیقتساختمان های تمایز یافته ای از جنس پوست و عضلات زیر پوستی هستند که وظیفه محافظتاز چشم ها را بر عهده دارند. مژه ها مثل یک صافی از ورود گرد و غبار و ذرات مختلفبه داخل چشم جلوگیری می کنند. خود پلک ها دو وظیفه مهم دارند: اول آنکه مثل یکدیوار دفاعی جلوی قسمت عمده ای از کره چشم را می گیرند و از کره چشم محافظت میکنند، دوم آنکه پلک ها هر ۵ تا ۱۰ ثانیه یک بار باز و بسته می‌شوند که این امر بهشسته شدن میکروب ها و ذرات خارجی از سطح چشم کمک می کنند و در حقیقت سطح چشم راجارو می کند. به علاوه باز و بسته شدن پلک ها به توزیع یکنواخت اشک بر روی کره چشمکمک می کند.

2-4-2 ملتحمه

ملتحمه یک لایه شفاف محافظ است که سطح داخلی پلک ها وروی سفیدی کره چشم را می‌پوشاند. در ملتحمه رگ های خونی و گلبول های سفید به مقدارزیادی وجود دارد. این رگ ها و سلول های دفاعی تا حد زیادی از ورود میکروب ها وعوامل بیماری زا به قسمت های عمقی چشم جلوگیری می کند. به علاوه ترشحات ملتحمه سطحچشم را نرم و مرطوب نگه می دارد و در حقیقت سطح چشم را روغنکاری می کند که این امرباعث آسان تر شدن حرکات چشم در جهات مختلف می‌شود.

2-4-3 قرنیه

قرنیه قسمت شفافجلوی کره چشم است که از پشت آن ساختمان های داخلی تر کره چشم مثل عنبیه و مردمکدیده می‌شود. قرنیه چشم را می‌توان به شیشه پنجره تشبیه کرد. همانطور که اگر شیشهپنجره کثیف باشد اشیاء بیرون تار دیده می‌شوند، اگر بر روی قرنیه کسی لکه یا کدورتیوجود داشته باشد فرد اشیاء را تار می‌بیند. به علاوه همانطور که از پشت یک شیشهموجدار یا مشجر اشیاء کج و کوله و ناصاف دیده می‌شوند. در صورتی که سطح قرنیهناهموار باشد اشیاء ناصاف و تار دیده می‌شوند.

البته قرنیه انسان یک تفاوت مهمبا شیشه پنجره دارد و آن هم اینکه شیشه پنجره یک سطح صاف است در حالیکه قرنیه بخشیاز یک کره است. این ساختمان کروی باعث می‌شود که قرنیه چشم مثل یک ذره بین عمل کندو نورهایی را که از محیط خارج وارد کره چشم می‌شوند به صورت پرتوهای همگرا درآوردکه تصویر واضحی روی شبکیه ایجاد کنند. البته در همه افراد این امر به صورت دقیقاتفاقی نمی‌افتد. مثلاً اگر انحنای قرنیه کسی بیشتر از حد طبیعی باشد تصاویر به جایآنکه روی پرده شبکیه بیفتد در جلوی پرده شبکیه تشکیل می‌شود. چنین فردی نزدیک بیناست. همچنین اگر انحنای قرنیه کسی کمتر از حد طبیعی باشد تصاویر به جای آنکهروی پرده شبکیه بیفتند در پشت آن تشکیل می‌شوند. چنین فردی دوربین (هیپروپ) است. بهطوری که می بینیم قرنیه افراد نقش مهمی در تعیین دوربینی یا نزدیک بینی یا شمارهچشم افراد دارد. به همین علت اکثر روش‌های جراحی برای اصلاح دید و شماره عینک رویاین بخش از چشم انجام می‌گیرد. مثلاً در روش‌های لیزر[12]، لیزیک[13]،لازک[14]و جراحی با تیغه الماسمقدار انحنای قرنیه تغییر می کند و شمارهچشم فرد اصلاح می‌شود. همچنین استفاده از لنز تماسی (کنتاکت لنز) کمک می کند کهانحنای قرنیه فرد موقتاً به اندازه مطلوب برسد و دید فرد اصلاح شود.

2-4-4 عنبیه ومردمک

عنبیه بخش رنگی پشت قرنیه است که رنگ چشم افراد را تعیین می کند. رنگ اینبخش در چشم افراد مختلف متفاوت است و از آبی و سبز تا عسلی و قهوه ای تغییر می کند. در وسط عنبیه سوراخی به نام مردمک وجود دارد که مقدار نور وارد شده به چشم را تنظیممی کند. کار مردمک مثل پرده ای است که پشت پنجره آویزان شده و نور ورودی به اتاق راکم و زیاد می کند. همانطور که وقتی نور خارج شدید و زیاد باشد، پرده را می بندیم تانور کمتری به اتاق وارد شود، وقتی چشم در محیط پر نور قرار می‌گیرد مردمک تنگ می‌شود تا مقدار نور کمتری وارد چشم شود. به همین صورت وقتی چشم در محیط کم نور قرارمی‌گیرد مردمک گشاد می‌شود تا نور بیشتری وارد چشم شود.

2-4-5 اتاق قدامی

اتاققدامی فضای کوچکی است که بین قرنیه و عنبیه قرار دارد. در این فضا مایعی به نامزلالیه جریان دارد که به شستشو و تغذیه بافت های داخل چشم کمک می کند. همانطور کهدر یک استخر برای پاک ماندن استخر مرتباً مقداری آب خارج می‌شود و به جای آن آبتصفیه شده وارد می‌شود، در چشم هم مرتباً مقداری از مایع زلالیه خارج می‌شود و مایعزلالیه جدیدی که در چشم تولید شده است جایگزین آن می‌شود. اگر به هر دلیلی تعادلبین تولید و خروج این مایع به هم بخورد مقدار مایع زلالیه در چشم افزایش پیدا میکند و فشار داخل کره چشم از حد طبیعی بیشتر می‌شود. (مقدار طبیعی فشار چشم در افرادبالغ بین ۱۰ تا ۲۱ میلی متر جیوه است). بالا رفتن فشار چشم به پرده شبکیه و عصببینایی آسیب می زند و باعث بیماری آب سیاه یا گلوکوم می‌شود.

[1]Intra Ocular Pressure

[2]Capacitive Pressure Sensor

[3]Backplate

[4]Micro-scale

[5]Microsystems

[6]Micromachining

[7]MEMS

[8]Micro fabrication

[9]Surface and bulk micromachining

[10]Piezoelectric

[11]Piezoresistive

[12]PRK

[13]LASIK

[14]LASEK