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

عنوان مقاله [English]

Design and Simulatuion of a Hybrid Nano Piezoelectric Resistive-Capacitive Accelerometer Sensor

نویسنده [English]

  • ahmad mamandi
azad parand
چکیده [English]

In this paper, design and mathematical simulation of a hybrid piezoelectric capacitive-resistive nano accelerometer sensor has been investigated using Comsol multiphysics finite element software. The governing equation of motion in the transverse direction for a cantilever Euler-Bernoulli beam has been used considering electrostatic and van der Waals-Casimir forces. The effect of existence of piezoelectric layer, piezoresistive and capacitive patches in the bending behavior of the sensor is considered applying the physical properties of piezopatches and then simulated and solved using mathematical modules of the Comsol software. The obtained results are included the values of ∆R/R, ∆V/V and ∆C/C for piezo patches with respect to the variation of applied acceleration of the sensor, stress distribution along the length of the beam and maximum value of von Mises stress to compare with the yield stress of the sensor, deflction of the beam with respect to the variation of applied acceleration of the sensor, fatigue analysis for the sensor and the sensor’s mode shapes and natural frequencies to determine the performance of the sensor. The effects of changes of different values including nano g acceleration and material properties of piezoresistive patch on the behavior of the sensor are also considered in the analyses. It can be observed that nansensor has been satisfctory well designed from measuring sensitivity, stress level and fatigue life point of views.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Nano accelelermeter sensor
  • Nanocantilever beam
  • Piezoelectric capacitive-resistive nano sensor
  • Finite Element analysis
  • Comsol multyphysics software
  • Fatigue analysis

مراجع

  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.##

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 01 خرداد 1397
  • تاریخ پذیرش: 16 دی 1397
  • تاریخ انتشار: 01 دی 1398

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار