طراحی و شبیه‌سازی نانوحسگر شتاب‌سنج چندگانه پیزوالکتریک مقاومتی- خازنی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشگاه آزاد اسلامی، واحد پرند،پرند، ایران

چکیده

در این مقاله، طراحی و شبیه‌سازی ریاضی یک نانوحسگر شتاب‌سنج ترکیبی پیزوالکتریک خازنی- مقاومتی با استفاده از نرم‌افزار مالتی فیزیک Comsol مورد بررسی قرار گرفته است. معادله حاکم بر جابه­جایی عرضی حسگر با فرض تیر اولر- برنولی یکسر گیردار یکسر آزاد با در نظر گرفتن نیروهای الکترواستاتیک و واندروالس- کازیمیر ارائه شده‌‌است. اثر در نظر گرفتن لایه پیزوالکتریک، پیزومقاومت و صفحه خازنی در رفتار خمشی نانوحسگر با اعمال خواص فیزیکی لایه‌ها به کمک واسط‌های ریاضی در محیط نرم‌افزار Comsol شبیه‌سازی­شده و سپس تحلیل شده‌است. تحلیل نتایج شامل محاسبه مقدار تغییرات مقاومت /RR∆،تغییرات پتانسیل الکتریکی V/V∆ لایه پیزوالکتریک و تغییرات ظرفیت خازنی C/C∆برحسب شتاب، توزیع تنش فون مایزز به­ازای شتاب‌های مختلف و مقایسه بیشینه مقدار تنش با تنش تسلیم حسگر، توزیع خیز بر اساس شتاب وارد­شده به نانوحسگر، تحلیل خستگی و تعیین شکل مودها و فرکانس‌های طبیعی حسگر برای حصول اطمینان از کارکرد آن ارائه شده‌اند. همچنین، تاثیر تغییر پارامترهای مختلف شامل شتاب اعمالی نانو g و تغییر ماده پیزومقاومت بر رفتار حسگر بررسی شده‌‌است. از نتایج به‌دست آمده مشاهده می‌گردد که نانوحسگر از نظر حساسیت اندازه‌گیری، سطح تنشی و عمر خستگی به­طور مناسبی طراحی شده‌‌است

کلیدواژه‌ها


  1. Ramezani, A., Alasty, A., and Akbari, J. “Closed-Form Solutions of the Pull-in Instability in Nano-Cantilevers under Electrostatic and Intermolecular Surface Forces”, International Journal of Solids and Structures, Vol. 44, No. 14–15, pp. 4925-4941, 2007.##
  2. Tadi Beni, Y., Koochi, A., and Abadyan, M. “Theoretical Study of the Effect of Casimir Force, Elastic Boundary Conditions and Size Dependency on the Pull-in Instability of Beam-type NEMS”, Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, Vol. 43, No. 4, pp. 979-988, 2011.##
  3. Koka, A. and Sodano, H. A. “High-sensitivity Accelerometer Composed of Ultra-long Vertically Aligned Barium Titanate Nanowire Arrays”, Nature Communications, Vol. 4, 2682, 2013.##
  4. Mehran, M., and Mohajerzadeh, S. “High Sensitivity Nanostructure Incorporated Interdigital Silicon Based Capacitive Accelerometer”, Microelectronics Journal, Vol. 46, No. 2, pp. 166-173, 2015.##
  5.  Keivani, M., Khorsandi, J., Mokhtari, J., Kanani, A., Abadian, N., and Abadyan, M. “Pull-in Instability of Paddle-type and Double-sided NEMS Sensors under the Accelerating Force”, Acta Astronautica, Vol. 119, No. 1, pp. 196-206, 2016.##
  6. Batra, R.C., Porfiri, M. and Spinello, D. “Effects of Casimir Force on Pull-in Instability in Micromembranes”, EPL (Europhysics Letters), Vol. 77, No. 2, pp. 200-210, 2007.##
  7. Buks, E. and Roukes, M.L. “Stiction, Adhesion energy and the Casimir Effect in Micromechanical Systems”, Physical Review B, Vol. 63, No. 3, pp. 330-402. 2001.##
  8. Koochi, A., Kazemi, A.S., Beni, Y.T., Yekrangi, A., and Abadyan, M. “Theoretical Study of the Effect of Casimir Attraction on the Pull-in Behavior of Beam-type NEMS using Modified Adomian Method”, Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, Vol. 43, No. 2, pp. 625-632, 2010.##
  9. Liu, C.-C. “Dynamic Behavior Analysis of Cantilever-type Nano-mechanical Electrostatic Actuator”, International Journal of Non-Linear Mechanics, Vol. 82, No. 1, pp. 124-130, 2016.##

10. Shaat, M. and Mohamed, S. A. “Nonlinear-Electrostatic Analysis of Micro-actuated Beams Based on Couple Stress and Surface Elasticity Theories”, International Journal of Mechanical Sciences, Vol. 84, No. 1, pp. 208-217, 2014.##

11. Ouali, A. M. “Finite Element Formulation of a Beam with Piezoelectric Patch”, Journal of Engineering and Applied Sciences, Vol. 3, No. 10, pp. 803-807, 2008.##

12. Swami, A. and Agarwal, P. “Design and Analysis of Microcantilevers Type Sensor with Different Shape of Piezoresistive Patch”, International Journal of Emerging Trends in Electrical and Electronics, Vol. 11, No. 2, pp. 45-50, 2015.##

13. Zhang, W.-M., Meng, G. and Chen, D. “Stability, Nonlinearity and Reliability of Electrostatically Actuated MEMS Devices”, Sensors, Vol. 7, No. 5, pp. 760-796, 2007.##

14. Hidetoshi, T., Nguyen, M.D., Matsumoto, K. and Shimoyamaet, I. “Differential Pressure Sensor using a Piezoresistive Cantilever, Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol. 22, No. 5, 055015, 2012.##