بهینه سازی ساختارمیکروفن خازنی جدید با دیافراگم قورباغه ای جهت افزایش حساسیت و کاهش ولتاژ تغذیه

نوع مقاله : مقاله برق

نویسندگان

1 دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل

2 دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل،484، بابل، ایران.

10.22075/jme.2019.15787.1565

چکیده

در این مقاله هندسه و ابعاد یک میکروفن خازنی جدید قورباغه‌ای شکل با استفاده از الگوریتم تجمع ذرات (PSO) برای کاهش ولتاژ تغدیه و افزایش حساسیت بهینه‌سازی شده است. الگوریتم تجمع ذرات روش بهینه سازی تصادفی مبتنی بر جمعیت است که از رفتار اجتماعی پرندگان الهام گرفته‌است که برای حل فضاهای طراحی پیچیده و چندجانبه مورد استفاده قرار می‌گیرد. روش پیشنهادی در این مقاله می‌تواند با بسیاری از طراحی‌های قطعات ماشینکاری میکرونی دیگر سازگار باشد.این رویکرد نشان دهنده بهبودهایی نسبت به طرح‌های قبلی است که از شیوه طراحی معمول (روش‌های تقریبی مبتنی بر سعی و خطا) ساخته می‌شدند. باتوجه به‌این‌که عملکرد میکروفن از جهات مختلف مورد مطالعه قرارمی‌گیرد و پارامترهای طراحی مختلف در مصالحه با یکدیگرند، تعریف تابع هدفی چندمنظوره بسیار مهم است. در این کار، ما تابع هدف را به‌گونه‌ای تعریف کرده‌ایم که هر سه فاکتور فرکانس تشدید، ولتاژ کشش و حساسیت مکانیکی به‌طور همزمان در نظرگرفته شوند. نتایج نشان می‌دهد که میکروفن طراحی شده از عملکرد مطلوبی برخوردار است. درواقع تنها با انتخاب ابعاد بهینه برای طول و عرض بازوها، حساسیت مکانیکی ساختار حدود 4 برابر و حساسیت مدارباز به 2 برابرنسبت به طرحهای پیشین افزایش یافته است و مقدار ولتاژ کشش نیزتقریبا به نصف کاهش یافته است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Design of MEMS Frog shape Microphone with High Sensitivity and low voltage using PSO Algorithm

نویسندگان [English]

  • Bahram Azizollah Ganji 1
  • sedighe babaei sedaghat 2
1 Babol noshirvani university of technology
2 Faculty of Electrical and Computer Engineering, Babol Noshirvani University of Technology, 484, Babol, Iran
چکیده [English]

In this paper, the geometry of a frog- shape MEMS microphone is optimized using a particle swarm optimization technique to reduce bias voltage and to increase sensitivity. The PSO algorithm is a population based stochastic optimization technique that inspired by social behavior of bird flocking, which is used to solve complicated design spaces and multi physical problems. The proposed method in this paper can be adapted to a variety of MEMS device designs. This approach shows improvements over previous designs that were generated from the conventional design approach (approximate methods based on trial and error). Considering that the performance of the microphone is studied in different directions, and various design parameters are in a trade off with each other, the definition of a multi-purpose target function is very important. In this work, we define the target function such that all three factors of resonance frequency, mechanical sensitivity and pull-in voltage should be considered, simultaneously. The results show that the designed microphone has a good performance. Actually, only by choosing optimal dimensions for length and width of frog-shape diaphragm arms, the mechanical sensitivity and open circuit sensitivity of the microphone increased approximately 4 and 2 times respectively, and the pull-in voltage decreased to half approximately.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Frog-shape Capacitive Microphone
  • Micro Electro Mechanical System (MEMS)
  • Spring Constant
  • Particle Swarm Optimization Algorithm(PSO)
[1] W. Kronast, B. Muller, W. Siedel, A. Stoffel, "Single-chip condenser microphone using porous silicon as sacrificial layer for the air gap", Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 87, No. 3, 2001, pp. 188–193.
[2] S. Horowitz, T. Nishida, L. Cattafesta, M. Sheplak, "Development of a micro machined piezoelectric microphone for aeroacoustics applications", the journal of the acoustical society of America, Vol. 122, No. 6, 2007, pp. 3428–3436.
[3] W.S. Lee, S.S. Lee, "Piezoelectric microphone built on circular diaphragm", Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 144, No. 2, 2008, pp. 367–373.
[4] G. Li, Y. Zohar, and M. Wong, "Piezoresistive microphone with integrated amplifier realized using metal-induced laterally crystallized polycrystalline silicon", Journal of Micromechanics and Micro engineering, Vol. 14, No. 10, 2004, pp. 1352–1358.
[5] J. Bay, O. Hansen, S. Bouwstra, "Micromachined double backplate differential capacitive microphone", Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol. 9, No. 1, 1999, pp. 30–33.
[6] Z.Z. Shu, M.L. Ke, G.W. Chen, R.H. Horng, et al., "Design And Fabrication of Condenser Microphone Using Wafer Transfer And Micro-electroplating Technique", Design, Test, Integration and Packaging of MEMS/MOEMS Symposium, 2008, pp. 386–390.
[7] M.D. Williams, "Development of A MEMS Piezoelectric Microphone for Aero acoustic Applications", Ph.D. dissertation, University of Florida, 2011.
[8] G. Li, Y. Zohar, and M. Wong, "Piezoresistive microphone with integrated amplifier realized using metal-induced laterally crystallized polycrystalline silicon", Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol. 14, No. 10, 2004, pp. 1352–1358.
[9] J. Bergqvist, J. Gobet, "Capacitive microphone with a surface micromachinedbackplate using electroplating technology", Journal of Micro electro mechanical Systems, Vol. 3, No. 2, 1994, pp. 69–75.
[10] A. Torkkeli, O. Rusanen, J. Saarilahti, H. Seppa, H. Sipola, J. Hietanen, "Capacitive microphone with low-stress polysilicon membrane and high-stress polysilicon backplate", Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 85, Nos. 1–3, 2000, pp. 116–123.
[11] A.E. Kabir, R. Bashir, J. Bernstein, J.D. Santis, R. Mathews, J.O. O’Boyle, C. Bracken; "High sensitivity acoustic transducers with thin p+ membrane and gold backplate", Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 78, Nos. 2–3, 1999, pp. 138–142.
[12] T. Tajima, T. Nishiguchi, S. Chiba, A. Morita, M. Abe, "High-performance ultra-small single crystalline silicon microphone of an integrated structure", Microelectronic Engineering, Vols. 67–68, 2003, pp. 508–519.
[13] W. Kronast, B. Muller, W. Siedel, and A. Stoffel, "Single-Chip Condenser Microphone Using Porous Silicon as Sacrificial Layer for the Airgap", The 11th Annual International Workshop on Micro Electro Mechanical Systems 98, 1998, pp. 591–596.
150 بهینه سازی ساختارمیکروفن خازنی جدید با دیافراگم قورباغه ای جهت افزایش حساسیت و کاهش ولتاژ تغذیه
مجله مدل سازی در مهندسی سال هفدهم، شماره 59 ، زمستان 1398
[14] N. Kimori, Y. Kumai, Sh. Hishinuma, T. Ikehara, "Ten-micrometer-thick Silicon Diaphragm Used in Condenser Microphone", Key Engineering Materials, Trans Tech Publications, Vol. 538, 2013, pp. 277–280.
[15] J. Bay, O. Hansen, and S. Bouwstra, "Design of a silicon microphone with differential read-out of a sealed double parallel-plate capacitor", Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 53, Nos. 1–3, 1996, pp. 232–236.
[16] D.T. Martin, J. Liu, K. Kadirvel, R.M. Fox, M. Sheplak, T. Nishida, "A Micromachined Dual-Backplate Capacitive Microphone for Aeroacoustic Measurements", Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 16, No. 6, 2007, pp. 1289–1302.
[17] P. R. Scheeper, B. Nordstrand, J. O. Gullov, B. Liu, T. Clausen, L. Midjord, "A New Measurement Microphone Based on MEMS Technology", Journal of Microelectromechanical Systems Vol. 12, No. 6, 2003, pp. 880–891.
[18] B.A. Ganji, B.Y. Majlis, "Design and fabrication of a new MEMS capacitive microphone using a perforated aluminum diaphragm", Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 149, No. 1, 2009, pp. 29–37.
[19] C.H. Huang, C.H. Lee, T.M. Hsieh, L.Ch. Tsao, Sh. Wu, et al., "Implementation of the CMOS MEMS Condenser Microphonewith Corrugated Metal Diaphragm and Silicon Back-Plate", Sensors, Vol. 11, No. 6, 2011, pp.6257–6269.
[20] B.A. Ganji, S. Babaei Sedaghat, A. Roncaglia, L. Belsito, "Design and fabrication of high performance condenser microphone using C-slotted diaphragm", Microsystem Technologies, Vol. 24, 2018, pp. 3133–3140.
[21] N. Mohamad, P. Iovenitti, T. Vinay, "High sensitivity capacitive MEMS microphone with spring supported diaphragm – art. no. 68001T", In: Proceedings of SPIE—the international society for optical engineering, Vol. 6800, 2008.
[22] B.A. Ganji, B.Y. Majlis, "Slotted capacitive microphone with sputtered aluminum diaphragm and photo resist sacrificial layer", Micro System Technologies, Vol. 16, 2010, pp. 1803–1809.
[23] S.B. Sedaghat, B.A. Ganji, and R. Ansari, "Design and modeling of a frog-shape MEMS capacitive microphone using SOI technology", Microsystem Technologies, Vol. 24, 2018, pp. 1061–1070.
]24 [ سید مرتضی جوادپور، سعید فراهت و حسام الدین ابن الدین، "بهینه سازی یک دیفیوزر تونل باد مافوق صوت با دیواره های انعطاف
پذیر با کمک الگوریتم ژنتیک"، مجله مدل سازی در مهندسی دانشگاه سمنان، دوره 10 ، شماره 28 ، بهار 1391 ، صفحه 19 - 29.
]25 [ صابر ارمغانی، نیما امجدی، "توزیع بار اقتصادی با در نظر گرفتن آلودگی در سیستم های قدرت چندناحیه ای با استفاده از الگوریتم
بهینه سازی فاخته"، مجله مدل سازی در مهندسی دانشگاه سمنان، دوره 12 ، شماره 37 ، زمستان 1393 ، صفحه 89 - 104.
]26 [ روح الله مقصودی، یعقوب حیدری، بهزاد مشیری، " یک تحلیل مقایسهای از الگوریتمهای هوش جمعی کلونی زنبور مصنوعی و
بهینه سازی گروهی ذرات در طراحی یک کنترلکننده PID فازی کسری و پیادهسازی آن بر روی موتور DC "، مجله مدل سازی در
مهندسی دانشگاه سمنان، دوره 11 ، شماره 35 ، زمستان 1392 ، صفحه 11 - 23.
]27 [ حسین شریف زاده، نیما امجدی، " توزیع بهینه توان راکتیو با استفاده از الگوریتم بهینه سازی دسته ذرات"، مجله مدل سازی در
مهندسی دانشگاه سمنان، دوره 7، شماره 18 ، پاییز 1388 ، صفحه 67 - 73.
[28] J. Miao, R. Lin, L. Chen, Q. Zou, S.Y. Lim, S.H. Seah, "Design considerations in micromachined silicon microphones", Microelectronic Journal, Vol. 33, Nos. 1–2, 2002, pp. 21–28.
[29] P.R. Scheeper, A.G.H. Vanderdonk, W. Olthuis, P. Bergveld, "Fabrication of Silicon Condenser Microphones Using Single Wafer Technology", journal of microelectromechanical systems, Vol. 1, No. 3, 1992, pp. 147–154.
[30] P.R. Scheeper, W. Olthuls and P. Bergveld, "Improvement of the performance of microphones with a silicon nitride diaphragm and backplate", Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 40, No. 3, 1994, pp. 179–186.
[31] A. Arora, A. Arora, V.K. Dwivedi, et al., "Zinc oxide thin film-based MEMS acoustic sensor with tunnel for pressure compensation", Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 141, No. 2, 2008, pp. 256–261.
[32] P.C. Hsu, C.H. Mastrangelo, K.D. Wise, "A high density poly-silicon diaphragm condenser microphone", Conference Record IEEE 11th International Workshop on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), IEEE, 1998, pp. 580–585.
بابایی صداقت و عزیزالله گنجی 151
مجله مدل سازی در مهندسی سال هفدهم، شماره 59 ، زمستان 1398
[33] B.A. Ganjia, S. Babaei Sedaghat, Alberto Roncaglia, etc, “Design, modeling, and fabrication of crab-shape capacitive microphone using silicon-on-isolator wafer,” Journal of Micro/Nanolithography MEMS, and MOEMS, Vol. 17, No. 1, 2018, pp. 015002-9.
[34] B.A. Ganjia, S. Babaei Sedaghat, A. Roncaglia, et al., "Design and fabrication of very small MEMS microphone with silicon diaphragm supported by Z-shape arms using SOI wafer", Solid-State Electronics, Vol. 148, 2018, pp. 27–34.