بررسی اثر تحریک الکترواستاتیک بر رفتار الکترومکانیکی میکرو حسگرهای فشار خازنی | ||
مکانیک سازه ها و شاره ها | ||
مقاله 10، دوره 9، شماره 2، تیر 1398، صفحه 141-152 اصل مقاله (437.58 K) | ||
نوع مقاله: مقاله مستقل | ||
شناسه دیجیتال (DOI): 10.22044/jsfm.2019.8120.2845 | ||
نویسنده | ||
مسعود رهایی فرد* | ||
استادیار گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی گلپایگان | ||
چکیده | ||
هدف از این پژوهش، بررسی رفتار الکترومکانیکی میکرو حسگرهای فشار خازنی و بررسی اثر اعمال تحریک الکترواستاتیک بر عملکرد و دقت این سیستمها میباشد. حسگر به صورت یک صفحه دایرهای انعطاف پذیر در نظر گرفته شده است که یک فاصله اولیه از یک صفحه صلب دارد و بین آن دو خلاء است. در اثر فشار محیط و همچنین اعمال ولتاژ بین دو صفحه، ورق انعطاف پذیر خیز برداشته و به پایه ثابت نزدیک میگردد. با نزدیک شدن صفحه به پایه، ظرفیت خازنی بین آنها تغییر میکند که این تغییر وابسته به خیز صفحه انعطاف پذیر و یا به عبارتی وابسته به فشار محیط است. بنابراین در صورت معلوم بودن رابطه میان فشار و ظرفیت خازنی، میتوان با اندازه گیری ظرفیت خازنی فشار محیط را محاسبه نمود. از این رو در کار حاضر، رابطه میان ظرفیت خازنی و فشار خارجی مطالعه گردیده است. در این راستا، نخست معادله حاکم بر خیز میکرو ورق تحت بار الکترواستاتیک و همچنین فشار خارجی استخراج شده است. این معادله با استفاده از روش گلرکین به یک معادله جبری تبدیل شده و با بکارگیری یک روش مبتنی بر تکرار حل شده است. در بخش نتایج، اثر پارامترهای مختلف مانند ولتاژ اعمالی و همچنین فشار محیط بر روی ظرفیت خازنی و حساسیت دستگاه مطالعه شده و همگرایی و دقت الگوریتم مبتنی بر تکرار نیز بررسی شده است. | ||
کلیدواژهها | ||
حسگر فشار؛ میکرو صفحه؛ روش گلرکین؛ ظرفیت خازنی. | ||
مراجع | ||
[1] قادری ش، طهماسبی پور م، عباسپور ثانی ا، مدرس م (1397) طراحی و شبیه سازی شتاب سنج حرارتی MEMS با حساسیت بهینه شده و قابلیت اندازه گیری شتاب در دو محور. مکانیک سازهها و شارهها 24-13 : (2)8. [2] Sateesh J, Sravani KG, Kumar RA, Guha K, Rao KS (2018) Design and flow analysis of MEMS based piezo-electric micro pump. Microsyst Technol 24(3): 1609-1614.
[3] Wood GS, Zhao C, Pu SH, Boden SA, Sari I, Kraft M (2016) Mass sensor utilising the mode-localisation effect in an electrostatically-coupled MEMS resonator pair fabricated using an SOI process. Microelectron Eng 159: 169-173.
[4] مجاهدی م، بینا ر (1397) بررسی ناپایداری و رفتار ارتعاشی میکروتیرژیروسکوپی با در نظر گرفتن گستردگی جرم گواه. مکانیک سازهها و شارهها 106-93 :(2)8. [5] سماعی فر ف، عفیفی ا، عبداللهی ح (1395) طراحی و ساخت میکروهیتر بهبود یافته با الکترودهایی از جنس طلا و مقایسه عملکرد آن با میکروهیتر پلاتینی. مکانیک سازهها و شارهها 272-259 :(1)6. [6] موسی پور م، حاج عباسی م ع (1395) تحلیل اثر میرایی ترموالاستیک بر ارتعاشات خمشی میکرو-نانو تشدیدگرها. مهندسی مکانیک امیرکبیر 136-125 :(2)48. [7] GHorbanpour Arani A, Soleimani Jafari G, Kolahchi R (2018) Vibration analysis of nanocomposite microplates integrated with sensor and actuator layers using surface SSDPT. Polymer Composites 39(6): 1936-1949.
[8] اندخشیده ع، مالکی س، مرعشی س ص (1397) بررسی پدیدهی غیرخطی ولتاژ کشیدگی در میکروتیرهای هدفمند تحت بارگذاری الکترواستاتیک. مکانیک سازهها و شارهها 151-137: (3)8 [9] ویسی گرگ آباد ا، رضازاده ق، شعبانی ر (1396) بررسی ارتعاشات غیر خطی میکرو تیر تحت تحریک نیروی الکترواستاتیک با رفتار تنش-کرنش انالاستیک. مهندسی مکانیک مدرس 206-197: (7)17. [10] Lee C-Y, Chang H-T, Wen C-Y (2008) A MEMS-based valveless impedance pump utilizing electromagnetic actuation. J Micromech Microeng 18(3): 035044.
[11] عطار ع، طهماسبی پور م، دهقان م (1397) بررسی تاثیر پارامترهای هندسی بر جابهجایی خارج از صفحه میکروتیر پیزوالکتریکی با سطح مقطع T شکل. مکانیک سازهها و شارهها 9-1: (4)8. [12] Ghorbanpour Arani A, Mosayyebi M, Kolahdouzan F, Kolahchi R, Jamali M (2017) Refined zigzag theory for vibration analysis of viscoelastic functionally graded carbon nanotube reinforced composite microplates integrated with piezoelectric layers. IMechE Part G: J Aerospace Eng 231(13): 2464-2478.
[13] Rahimipour H, Ghorbanpour Arani A, Sheikhzadeh G (2014) Nonlocal vibration behaviour of a pasternak bonded double-piezoelectric-DWBNNT-reinforced microplate-system. International conference on machine learning, electrical and mechanical engineering (ICMLEME’2014) Dubai UAE.
[14] عبداللهی ح، سمائی فر ف، حق نگهدار ا (2015) بررسی اثر بهکارگیری SiO2/Al در بالا بردن حساسیت آشکارسازهای مادونقرمز بر پایه میکروکانتیلیور و مقایسه آن با Si3N4/Au. مکانیک سازهها و شارهها 163-151: (3)5. [15] Ge Y, Cai K, Wang T, Zhang J (2018) MEMS pressure sensor based on optical Fabry–Perot interference. Optik 165: 35-40.
[16] Liang B, Chen W, He Z, Yang R, Lin Z, Du H, Shang Y, Cao A, Tang Z, Gui X (2017) Highly sensitive, flexible MEMS based pressure sensor with photoresist insulation layer. Small 13(44): 1702422.
[17] Mohan A, Malshe AP, Aravamudhan S, Bhansali S (2004) Piezoresistive MEMS pressure sensor and packaging for harsh oceanic environment. Proc. IEEE 54th conference on Electronic components and Technology, Las Vegas.
[18]Jang M, Yun K-S (2017) MEMS capacitive pressure sensor monolithically integrated with CMOS readout circuit by using post CMOS processes. Micro Nano Sys Lett 5(1): 4.
[19] Banerji S, Michalik P, Fernández D, Madrenas J, Mola A, Montanyà J (2017) CMOS-MEMS resonant pressure sensors: optimization and validation through comparative analysis. Microsys Technol 23(9): 3909-3925.
[20] Zhang Y, Howver R, Gogoi B, Yazdi N (2011) A high-sensitive ultra-thin MEMS capacitive pressure sensor. in Solid-State Sensors, Proc. IEEE 16th International Actuators and Microsystems Conference (TRANSDUCERS 2011), Beijing.
[21] Marsi N, Majlis BY, Hamzah AA, Mohd-Yasin F (2015) Development of high temperature resistant of 500o C employing silicon carbide (3C-SiC) based MEMS pressure sensor. Microsys Technol 21(2): 319-330.
[22] Lin W-C, Cheng C-L, Wu C-L, Fang W (2017) Sensitivity improvement for CMOS-MEMS capacitive pressure sensor using double deformarle diaphragms with trenches. Proc. IEEE 19th International Actuators and Microsystems Conference (TRANSDUCERS 2017), Kaohsiung.
[23] Shettar V, Kotin SB, Kirankumar B, Sheeparamatti B Simulation of Different MEMS Pressure Sensors. Int J Multi Dis Res Advcs Eng 6: 77-81.
[24] Munas F, Amarasinghe Y, Kumarage P, Dao D, Dau V (2018) Design and Simulation of MEMS Based Piezoresitive Pressure Sensor for Microfluidic Applications. 4th International Multidisciplinary Engineering Research Conference (MERCon), Sri Lanka.
[25] Banerji S, Fernández D, Madrenas J (2017) Characterization of CMOS-MEMS resonant pressure sensors. IEEE Sens J 17(20): 6653-6661.
[26] Hasan MH, Alsaleem FM, Ouakad HM (2018) Novel threshold pressure sensors based on nonlinear dynamics of MEMS resonators. J Micromech Microeng 28(6): 065007.
[27] Yu L, Kim BJ, Meng E (2014) Chronically implanted pressure sensors: challenges and state of the field. Sens 14(11): 20620-20644.
[28] Xue N, Chang S-P, Lee J-B (2012) A SU-8-based microfabricated implantable inductively coupled passive RF wireless intraocular pressure sensor. J Microelectromech Sys 21(6): 1338-1346.
[29] Reddy JN (2006) Theory and analysis of elastic plates and shells. 2nd edn. CRC press.
[30] Timoshenko SP, Woinowsky-Krieger S (1959) Theory of plates and shells. 2nd edn. McGraw-hill, London.
[31] Lai WM, Rubin DH, Rubin D, Krempl E (2009) Introduction to continuum mechanics. 4th edn. Butterworth-Heinemann, London.
[32] Reddy JN (2013) An introduction to continuum mechanics. Cambridge university press, New York.
[33] Talebian S, Rezazadeh G, Fathalilou M, Toosi B (2010) Effect of temperature on pull-in voltage and natural frequency of an electrostatically actuated microplate. Mechatron 20(6): 666-673.
[34] Rao SS (2007) Vibration of continuous systems. John Wiley & Sons, New Jersey .
[35] Nishiyama H, Nakamura M (1994) Form and capacitance of parallel-plate capacitors. IEEE Trans. Compon Packag Manuf Technol Part A 17(3): 477-484.
[36] Ahmad B, Pratap R (2010) Elasto-electrostatic analysis of circular microplates used in capacitive micromachined ultrasonic transducers. IEEE Sens J 10(11): 1767-1773. | ||
آمار تعداد مشاهده مقاله: 1,365 تعداد دریافت فایل اصل مقاله: 1,032 |