طراحي، تحليل و شبيه سازي ميكروسنسور شيب خازني با رنج ديناميكي پيوسته

Design, analysis and simulation of a capacitive tilt micro-sensor with continuous dynamic range

در اين مقاله يك ميكروسنسور شيب خازني جديد مبتني بر مايعات، طراحي، تحليل و شبيه سازي شده است. ميكروسنسور طراحي شده، شيب را حول يك محور (X-axis) اندازه گيري مي كند. ساختار اصلي اين سنسور استوانه اي شكل بوده و داراي سه خازن با صفحات موازي مي باشد. صفحات خازن هاي ساختار بر روي قاعده هاي استوانه قرار دارند و فاصله ي بين آنها به نسبت مساوي، با روغن سيليكون و هوا پر شده است. اين خازن ها داراي يك صفحه مشترك هستند كه بر روي يكي از قاعده هاي استوانه قرار دارد. صفحات ديگر و فواصل بين آنها، قطاع هايي 60 درجه از دايره اند كه بصورت يك در ميان درون يك دايره و بر روي قاعده ديگر قرار گرفته اند. خروجي اين سنسور (out) بصورت تابعي از خازن هاي ساختار تعريف شده است. با چرخش استوانه حول محور X و بدليل افقي ماندن سطح روغن درون محفظه، موقعيت صفحات نسبت به روغن، تغيير كرده و منجر به تغيير خازن هاي ساختار و در نتيجه تغيير out مي شود. با يك تحليل دقيق، تاثير تغييرات زاويه بر خازن هاي ساختار و خروجي، بدست آمده و با استفاده از نرم افزار MATLAB، بر حسب زاويه ترسيم شدند. اين ساختار با كمك نرم افزار Multiphysics COMSOL نيز شبيه سازي شده است، كه نتايج حاصل از شبيه سازي و تحليل مويد يكديگرمي باشند. ميكروسنسور خازني طرح شده شيب را در بازه ي (°0 تا °360) با حساسيت 8.011fF/deg اندازه گيري مي كند.

In this paper, a new capacitive tilt micro-sensor based on the liquid is designed, analyzed and simulated. This sensor has a cylindrical structure and parallel plates of its capacitors are formed on the two ends of cylinder. Distance between plates is filled equally with the Silicone oil and air. Proposed micro-sensor measures the slope around x-axis. There are three capacitors in the structure of the sensor which have a common plate while other three plates are 60ᵒ sectors of a circle which lie in 60ᵒ apart in a circle. Output of this sensor (out) is defined as a special function of structural capacitors. When cylinder rotates around x-axis, the Silicone oil level remains horizontally while position of the plates with respect to the oil varies. Meanwhile this occurrence changes structural capacitors and consequently (out). In this paper, with a detailed analysis, effect of tilt application to the sensor and its capacitances is drawn using MATLAB. Moreover this structure has been simulated using COMSOL Multiphysics. Obtained simulation and analytical results are in good agreement with each other. Proposed tilt micro-sensor measures the deflection between 0 ° to 360 ° with the sensitivity of 8.011 fF/deg.