بررسی اثر تغییر پارامترهای طراحی در شبیه‌سازی نانوحس‌گر شتاب‌سنج چندگانه پیزوالکتریک خازنی-مقاومتی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشیار، گروه مهندسی مکانیک، واحد پرند، دانشگاه آزاد اسلامی، پرند، ایران

2 کارشناس ارشد، گروه مهندسی مکانیک، واحد پرند، دانشگاه آزاد اسلامی، پرند، ایران

چکیده

در این مقاله، طراحی و شبیه‌سازی نانوحس‌گر شتاب‌سنج ترکیبی پیزوالکتریک خازنی-مقاومتی با استفاده از نرم‌افزار مالتی‌فیزیک Comsol مورد بررسی قرار گرفته‌است. معادله حاکم بر خیز نانوحس‌گر یکسر درگیر 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 ویژگی‌های فیزیکی لایه‌ها به کمک واسط‌های ریاضی در محیط نرم‌افزار شبیه‌سازی شده و سپس تحلیل شده‌است. برای چهار مدل شبیه‌سازی شده، نتایج به‌دست آمده از تحلیل شامل محاسبه مقدار تغییرات مقاومت /RR∆، تغییرات پتانسیل الکتریکی V/V∆ پچ پیزوالکتریک و تغییرات ظرفیت خازنی C/C∆ برحسب شتاب، توزیع تنش فون مایزز به ازای شتاب‌های مختلف و مقایسه بیشینه مقدار تنش با تنش تسلیم حس‌گر، توزیع خیز بر اساس شتاب وارد شده به نانوحس‌گر، تحلیل خستگی و تعیین شکل مودها و فرکانس‌های طبیعی نانوحس‌گر برای حصول اطمینان از کارکرد مناسب آن ارائه شده‌اند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Study on effects of variation of different design parameters in simulation of multifunctional Nano piezoelectric resistive-capacitive accelerometer sensor

نویسندگان [English]

  • Ahmad Mamandi 1
  • Masoomeh Asadi 2
1 Associate professor, Department of Mechanical Engineering, Parand Branch, Islamic Azad University, Parand, Iran
2 M.Sc. of Mechanical Engineering, Department of Mechanical Engineering, Parand Branch, Islamic Azad University, Parand, Iran
چکیده [English]

In this paper, design and mathematical simulation of a multifunctional piezoelectric capacitive-resistive Nano accelerometer sensor has been investigated using Comsol multiphisics finite element software. The governing equation of motion in thetransverse direction for a cantilever Euler-Bernoulli beam is derived 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. For four simulated modes of Nano sensors the obtained results are included to 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, deflection 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.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Nano accelelermeter sensor
  • Piezoelectric capacitive-resistive Nano sensor
  • Comsol multyphisics software
[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, No.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., “Pull-in Instability of Paddle-Type and Double-Sided NEMS Sensors under the Accelerating Force”, Acta Astronautica. Vol.119, 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 Micro-Mechanical 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, pp.124-130, 2016.

[10] 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, 2012.

[11] Haq, M., “Application of Piezo Transducers in Biomedical Science for Health Monitoring and Energy Harvesting Problems”, Materials Research Express, Vol.6, No.2, pp.1-8, 2018.

[12] Song, J., Yamada, T., Yoshino, M. and Nagasaki, T., “Theoretical Analysis of Nanogenerators with aligned nanorods for Piezoelectricenergy Harvesting”, Sensors and Materials, Vol.31, No.11, pp.3669-3679, 2019.

[13] Yeong Park, J., Salauddin Md., and Salauddin Rasel , M., “Nanogenerator for Scavenging Low Frequency Vibrations”, Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol.25, No.5, pp.1-10, 2019.