بخشی از مقاله
چکیده
مبدل نیرو در کاربرد های متعددی جمله تجهیزات پزشکی، صنایع مخابراتی، استفاده از کانتیلور در حسگر نیرو، کانتیلور با استفاده از نانوتیوب های کربنی تک جداره و غیره هستند. بررسی های انجام شده در این مطالعه بر اساس تغییرات اهمی و فرکانسی است. فرکانس کاری این مطالعه 75/5 هرتز و ابعاد قطعه 21 میلی متر طول و 3 میلی متر ارتفاع دارد. مدل پل وتستون بهترین مدل برای همبندی شبکه ی حاوی سنسور پیزو رزیستور فشار می باشد. با توجه به کاربرد های وسیع Afm و پیاده سازی آسان، روش اندازه گیری پیزو رزیستور پیشرو بسیار مفید و انکار ناپذیر است.
مقدمه:
مبدل نیرو یکی از مهم ترین مبدل هایی بوده که در کاربرد های کنترلی، سرومکانیسم ، تجهیزات آزمایشگاهی و پزشکی، اندازه گیری وزن، اندازه گیری مقدار مواد موجود در مخازن، اندازه گیری فشار و نیروی وارد بر سطح مورد استفاده قرار می گیرد. اندازه گیری دقیق نیرو های اعمالی به قسمت های مختلف یک دستگاه یا یک ابزار، اجازه طراحی ابزار و دستگاه هایی با دقت بالا تر، کارایی بیشتر، وزن سبک تر، ابعاد کوچک تر، راندمان بالا تر و گستردگی عملکرد در موارد خاص را می دهد.
مستقیم استفاده می شود. این کاربرد ها شامل تجهیزات پزشکی، صنایع مخابراتی، اندازه گیری عمق و ارتفاع، استفاده از سنسور مبدل نیرو در کنترل ترافیک، استفاده از کانتیلور در حسگر نیرو، کانتیلور با استفاده از نانوتیوب های کربنی تک جداره و غیره هستند. با توجه به استفاده از نانولوله های کربنی تک جداره در ساختار کانتیلور خصوصیات این نانولوله ها مانند استحکام، ضریب هدایت الکتریکی، پیوندهای کووالانسی اشباع شده، قطر و شکاف انرژی، رسانایی الکتریکی آن ها، ساختار های هادی و نیمه هادی و غیره، مورد بررسی قرار می گیرند.
کانتیلور:
کانتیلور ها سکو های فنری در اندازه های نانو و میکرو می باشند که از یک طرف متصل و از انتهای دیگر آزادند. اتصال یا نیروی وارده بر کانتیلور سبب خمیدگی یا تغییر فرکانس رزونانس در انتهای آزاد کانتیلور می گردد. یک تکنیک بسیار ظریف جهت آشکار سازی، ساختن کانتیلور از یک ماده پیزو مقاومتی است، به گونهای که انحراف را به صورت سیگنال الکتریکی آشکار کند.
در مواد پیزو مقاومتی، تنش ناشی از تغییر فرم مکانیکی باعث تغییر مقاومت الکتریکی ماده میشود. انعطاف پذیری ذاتی همراه با دسترسی به تکنیک های طراحی شده برای نمایش خمیدگی،کانیلور ها را به ابزاری قوی برای اندازه گیری تبدیل کرده است. عامل کلیدی که شیداً در خاصیت فنری و حساسیت کانتیلور موثر است، ضریب یانگ است که مستقیماً با خواص ماده ساخت کانتیلور ارتباط دارد.
کانتیلور های ساخته شده از سیلیکون یا مواد مرتبط ضریب یانگ بالایی دارند. اما کانتیلور هایی که از مواد نرم تر ساخته می شوند برای اندازه گیری انحراف استاتیک بسیار حساس خواهند بود. پلیمر ها با ضریب یانگ خیلی کمتر از سیلیکن به عنوان ماده جایگزین برای ساخت کانتیلور ها استفاده می شوند.
پیشینه تحقیق:
آر بی در سال 2011 سنسور فشار پیزورزیستیو را مورد مطالعه قرار دادند. این سنسور فشار بر پایه پیزو رزیستیو شامل دو جزء یکی غشاء و دیگری المان مبدل طراحی شده است که پاسخ به تغییر کشش از طریق تغییر مقاومت اندازه گیری می شود. نتایج مطالعه به این صورت بود که از swnt با باند گپ کوچک در نواحی دیافراگم با حداکثر فشار استفاده کردند که نانولوله swnt بوسیله SiO2 با ضخامت 70 نانومتر و یک لایه Al2O3 با ضخامت 80 نانومتر محصور کردند. در نتایج خود به فاکتور گیج 40-200 دست یافتند.
ابعاد غشاء ʽm2 250*250 و فاکتور گیج برای المان استرین گیج نیمه هادی در رنج 40؛200 بوده است. - Brian, R. B.; Helbling, Th.; Hierold, Ch.; Poulikako, D.;, 2011 - کی وی مدهوی و همکاران در سال 2013 میکروسنسور فشار با استفاده از آنالیز المان های کوچک را مورد بررسی قرار دادند. در مواد پیزورزیستیو تنش ایجاد شده بر اثر فشار وارده، باعث تغییر مقاومت می شود. این تغییر مقاومت بر اثر تغییرات در موقعیت قرار گیری اتم ها و تغییر این موقعییت ها هنگام فشار می باشد.
همچنین بایستی اشاره کرد که سیلیکن p-type ماکزیمم حساسیت نسبت به تنش را دارا می باشد. به طور کلی از چهار پیزورزیستور جهت آماده کردن پل وتستون استفاده شده است. - Madhavi, K. Y.; Krishna, M.; Chandrasekhara, C. S.;, 2013 - در سال 2014 نیز آقای آ.ان ایبانجرا و همکاران مدلینگ و آنالیز سنسور فشار با نانولوله های کربنی بر پایه مبدل مقاومتی را بررسی کردند.
در این مطالعه خواص پیزورزیستیو نانو لوله های کربنی تک جداره از نوع کایرال با قطر 3/2 نانو متر، ضخامت نانولوله 0/2 نانو متر و به طول 20 نانومتر جهت المان حسگر اقدام به ساخت دیافراگم مربعی با ابعاد 100*200 نانومتر و ضخامت 10 نانومتر نموده و در نتیجه مقاومت های متفاومتی را با اعمال فشار های گوناگون به دیافراگم با نرم افزار کامسول اندازه گیری نمودند. - , Bangera A. E.; Kulkarni, S. M.;, 2014 -
در سال 2015 شابی طراحی وآنالیز دیافراگم سنسور فشار میکرو الکترومکانیکی را انجام داد. در این مطالعه از روش اجزا محدود برای طراحی و نشان دادن خاصیت الاستیسیته دیافراگم استفاده کردند. تنش وارد شده بر دیافراگم دایره ای باعث انحراف محیطی و شعاعی دیافراگم شده و رابطه بین ابعاد دیافراگم با تنش شعاعی و محیطی ایجاد شده و تغییرات در نرخ پووآسون و مدول یانگ ماده بررسی کردند. درنتیجه رنج فشار اندازه گیری شده MP35-0 با دیافراگم مربعی و مستطیلی، با اندازه های ذکر شده فشار را اندازه گیری و در نهایت با دیافراگم دایره ای فشار 2 MP را اندازه گیری کردند. Shaby, 2015 - -
روش:
ساختار شبیه سازی شده از سه قسمت تشکیل شده است. قسمت اول صفحه ی اعمال فشار است. در واقع فشار وارده بر ساختار بیش ترین توان خود را به این نقطه وارد می کند. این قسمت بایستی از نظر جنس، سخت و خشک بوده تا بتواند فشار را به کلی منتقل کند. مکان قرار گیری این قسمت درست در ابتدای قسمت دوم واقع شده است.
قسمت دوم کانتیلیور است که ساختاری فنری شکل دارد و می تواند پس از اعمال فشار شروع به ارتعاش کند. کانتیلیور که ارتباط بین قسمت اول و سوم می باشد، ارتعاش ناشی از فشار وارده به خود را که باعث ایجاد تغییرات مهمی در پارامتر های الکتریکی نظیر فرکانس، ولتاژ و میزان اهمی ساختار می شود به قسمت خروجی منتقل می کند. کلیه ی این تغییرات در قسمت سوم ساختار خود را به شکل بیشینه نشان می دهند. به عبارت دیگر کلیه ی تغییرات کانتیلیور بیشینه ی مقدار خود را در قسمت خروجی نشان می دهند.
یافتن خروجی:
پروب Afm که خروجی را اندازه گیری می نماید، می تواند اندازه های مختلف و شکل های مختلفی داشته باشد ولی دو نکته در طراحی آن بسیار حائز اهمیت است. نکته ی اول این است که بایستی کوچک تر از صفحه ی اعمال فشار باشد چرا که در این صورت می تواند کلیه ی اتفاقات ممکن را انتقال دهد.
دوم این که از نظر جنس، دارای ساختاری سخت و خشک باشد تا بتواند ارتعاشات کانتلیور را به بهترین شکل انتقال دهد و چیزی را در خود دمپ نکند. این مطالعه با استفاده از نرم افزار کامسول مولتی فیزیکس شبیه سازی شده و در نهایت برای بررسی صحت موضوع مداری با استفاده از نرم افزار پرتئوس رسم شده و با یکدیگر مقایسه شده اند.
مقادیر پارامتر های مورد بررسی در این شبیه سازی مقدار شتاب دهنده یک انتخاب شده است چرا که شتاب اولیه ساختار به اندازه ی واحد شتاب می باشد، مقدار مقاومت بار را با چندین مقدار مختلف بررسی کرده این مقادیر شامل 1، 10، 12، 100 کیلو اهم در نظر گرفته و بهترین مقدار به دست آمده 10 کیلو اهم است. چرا که بهترین مقدار خروجی در همین بازه به دست خواهد آمد. مقدار عرض ناحیه ی مجاز تحرک 14 میلی متر تعریف شده است تا بتوان تمام منطقه ی مجاز حرکتی را مورد بررسی قرار داد. ابعاد قطعه 21 میلی متر طول و 3 میلی متر ارتفاع دارد.
