طراحی، بهینه سازی و تحلیل دینامیکی حسگر فشار میکرو الکترومکانیکی

حسگرهای فشار پیزوالکتریکی امروزه کاربرد گسترده ای در صنایع مختلف پیدا کرده اند. اندازه، هزینه تمام شده، حساسیت و دقت این حسگرها، آنها را به محصولی مطلوب برای اهداف محققان و صنعتگران تبدیل کرده است. همچنین توسعه این حسگرها این امکان فراهم کرده است تا به دلیل اندازه کوچک کاربردهایی برای آنها تعریف شود که قبلاً ابزارهای مشابه قابلیت این کاربردها را نداشتند. در این پایان نامه به طراحی حسگر فشار، تحلیل دینامیکی رفتار ارتعاشی حسگر فشار تحت استهلاک خارجی و بهینه سازی آن برای افزایش حساسیت حسگر نسبت به تغییرات فشار می پردازیم. در فصل اول به مطالعه پیشینه تحقیقات پرداخته ایم. تحقیقات انجام شده در زمینه حسگرهای فشار پیزوالکتریکی به چند دسته کلی تقسیم می شوند: دسته اول شامل تحقیقاتی می شود که کاربرد این حسگرها را برای تحقیقات در سایر شاخه های علمی نشان می دهد. دسته دوم شامل تحقیقاتی می شود که طراحی و ساختار حسگرهای فشار را مورد بررسی قرار داده اند. دسته سوم شامل تحقیقاتی می شود که در زمینه مدلسازی رفتار ارتعاشی دیافراگمها انجام گرفته اند. تحقیقات انجام شده در این زمینه خود شامل مدلسازی خطی ارتعاش دیافراگمها، مدلسازی غیر خطی ارتعاش دیافراگمها و مدلسازی مکانیزمهای استهلاکی در سیستمهای میکروالکترومکانیکی می شود. دسته چهارم شامل تحقیقاتی می شود که در زمینه استخراج مشخصه های فیزیکی سیستمهای میکروالکترومکانیکی انجام گرفته اند. در فصل دوم به تشریح تحقیقات جدید انجام شده در راستای تعهدات پایان نامه و بر اساس پیشینه تحقیقات پرداخته ایم. در راستای طراحی حسگر فشار یک ساختار 5 لایه برای دیافراگم حسگر فشار پیشنهاد شده است. در راستای مدلسازی رفتار ارتعاشی دیافراگم حسگر فشار میکروالکترومکانیکی ابتدا رفتار ارتعاشی در غیاب استهلاک خارجی و سپس در حضور استهلاک خارجی بررسی شده اند. نتایج به دست آمده نشان می دهند که مدلسازی های انجام گرفته می توانند رفتار ارتعاشی دیافراگم حسگر فشار را با دقت بیشتری پیش بینی کنند. اثر فیلم فشرده در رفتار ارتعاشی دیافراگم دایره ای بررسی شده است. مطالعات نشان می دهد که برای حسگر فشار طراحی شده نیروی استهلاک بسیار کمتر از نیروی سختی می باشد و تغییرات نیروی سختی نسبت به فرکانس تحریک ناچیز است. در نهایت بهینه سازی حسگر فشار با استفاده از الگوریتم های ژنتیک و کلونی مورچگان مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان می دهد که هر چند ضخامت دیافراگم طراحی شده با استفاده از الگوریتم ژنتیک نسبت به تحقیقات قبلی بیشتر است است ولی به دلیل دور بودن لایه پیزوالکتریکی از تار خنثی خروجی بیشتری تولید می کند.