بررسی حساسیت فشار سنج دیافراگمی مبتنی بر فناوری مایکروالکترومکانیک با استفاده از تحلیل المان محدود

نوع مقاله : علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد دانشکده فناوری های نوین، گروه سیستم های انرژی، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران

2 استادیار،دانشکده فناوری های نوین، گروه سیستم های انرژی، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران

چکیده

سنسورهای فشار دیافراگمی در صنایع مختلفی مورد استفاده قرار میگیرند. پژوهش های زیادی برای
بهینه سازی و ارتقای کیفی این سنسورها انجام گرفته است. در این مقاله، "حساسیت" به عنوان یک متغیر کلیدی
در طراحی سنسور فشار دیافراگمی مبتنی بر فناوری میکروالکترومکانیک مورد بررسی قرار گرفته است. هندسه
دیافراگم یکی از تاثیر گذارترین متغیرها در حساسیت یک فشار سنج دیافراگمی است که می تواند علاوه بر
حساسیت، محدوده عملکردی، دقت سنسور، ابعاد و حتی قیمت آن را تحت تاثیر قرار دهد. لذا با هدف افزایش
عملکرد و حساسیت سنسور های فشار، نسبت به شبیه سازی دیافراگم سنسور در نرم افزار تجاری آباکوس اقدام
گردید و ضمن اعتبار سنجی حلگر محاسباتی، هندسه های مختلف دیافراگم مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج بدست
آمده گواه آن بود که دیافراگم دایره ای دارای بهترین علمکرد است. در اثر موج دار کردن سطح دیافراگم بررسی
شد و شکل های مختلفی از موج های ایجادی در بستر دیافراگم، شبیه سازی گردید. نتایج بدست آمده حاکی از
آن بود که ایجاد موج دایره ای با شعاع 51 میکرومتر در انتهای سطح دیافراگم، موجب افزایش 51 درصدی
حساسیت سنسور می گردد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Jena, S., Pandey, C., Gupta, A., "Mathematical
modeling of different diaphragm geometries in
MEMS pressure sensor", Materials Today:
Proceedings, Vol. 44, No., pp. 1243-1248, (2021).
[2] Li, R., Zhou, Q., Bi, Y., Cao, S., Xia, X., Yang, A.,
Li, S., Xiao, X., "Research progress of flexible
capacitive pressure sensor for sensitivity
enhancement approaches", Sensors and Actuators A:
Physical, Vol. 321, No., pp. 112425, (2021).
[3] Cao, M., Su, J., Fan, S., Qiu, H., Su, D., Li, L.,
Wearable, "piezoresistive pressure sensors based on
3D graphene", Chemical Engineering Journal, Vol.
406, No., pp. 126777, (2021).
[4] Kumar, S., Kumar, R.R., Pandey, S.K., "Performance
Analysis of MEMS Capacitive Pressure Sensor with
Different Dielectrics, in: Computational
Mathematics, Nanoelectronics, and Astrophysics:
CMNA 2018, Indore", India, November 1–3,
Springer, pp. 97-105, (2021).
[5] Aravamudhan, S., Bhansali, S., Reinforced,
"piezoresistive pressure sensor for ocean depth
measurements, Sensors and Actuators A: Physical",
Vol. 142, No. 1, pp. 111-117, (2008).
[6] Sathishkumar, R., Vimalajuliet, A., Prasath, J.,
Selvakumar, K., Reddy, V.V., "Micro size ultrasonic
transducer for marine applications", Indian Journal of
Science and Technology, Vol. 4, No. 1, pp. 8-11,
(2011).
[7] dos Santos, A., Fortunato, E., Martins, R., Águas, H.,
Igreja, R., E‐Skin, "Piezoresistive Pressure Sensor
Combining Laser Engraving and Shrinking
Polymeric Films for Health Monitoring
Applications", Advanced Materials Interfaces, Vol.
8, No. 21, pp. 2100877, (2021).
[8] Farajollahi, M., Goharzay, M., Borzuei, D.,
Moosavian, S.F., "Stress, sensitivity and frequency
analysis of the corrugated diaphragm for different
corrugation structures", Smart Structures and
Systems, Vol. 27, No. 5, pp. 837, (2021).
[9] Zheng, Y., Yin, R., Zhao, Y., Liu, H., Zhang, D., Shi,
X., Zhang, B., Liu, C., Shen, C., "Conductive
MXene/cotton fabric based pressure sensor with both
high sensitivity and wide sensing range for human
motion detection and E-skin", Chemical Engineering
Journal, Vol. 420, No., pp. 127720, (2021).
[10] Song, J.W., Lee, J.-S., An, J.-E., Park, C.G., "Design
of a MEMS piezoresistive differential pressure sensor
with small thermal hysteresis for air data modules",
Review of Scientific Instruments, Vol. 86, No. 6, pp.
065003, (2015).
[11] Suja, K., Raveendran, E.S., Komaragiri, R.,
"Investigation on better sensitive silicon based
MEMS pressure sensor for high pressure
measurement", International Journal of Computer
Applications, Vol. 72, No. 8, pp., (2013).
[12] Devi, R., Gill, S.S., "A squared bossed diaphragm
piezoresistive pressure sensor based on CNTs for low
pressure range with enhanced sensitivity",
Microsystem Technologies, Vol., No., pp. 1-9,
(2021).
[13] Yashaswini, P., Mamatha, N., Srikanth, P., "Circular
diaphragm-based MOEMS pressure sensor using ring
resonator", International Journal of Information
Technology, Vol. 13, No. 1, pp. 213-220, (2021).
[14] Mohammadi, N., Mohammadzadeh, A., Tafti, F.F.,
"Design and Optimization of Piezoresistive MEMS
Pressure Sensors Using ABAQUS", International
Journal of Engineering & Technology Sciences, Vol.
2, No. 6, pp. 461-473, (2014).
[15] Nallathambi, A., Shanmuganantham, T., "Design of
Diaphragm Based MEMS Pressure Sensor with
Sensitivity Analysis for Environmental
Applications", Sensors & Transducers, Vol. 188, No.
5, pp. 48, (2015).
[16] Rahman, S.H.A., Soin, N., Ibrahim, F., Load,
"deflection analysis of rectangular graphene
diaphragm for MEMS intracranial pressure sensor
applications", Microsystem Technologies, Vol. 24,
No. 2, pp. 1147-1152, (2018).
[17] Shaklya, M., Pratyusha, S., Jindal, S., Design,
Modelling and Simulation of MEMS Piezo-Resistive
Pressure Sensor with Clamped Edge Silicon Carbide
Circular Diaphragm, (2018).
[18] Mosser, V., Suski, J., Goss, J., Obermeier, E.,
"Piezoresistive pressure sensors based on
polycrystalline silicon", Sensors and Actuators A:
Physical, Vol. 28, No. 2, pp. 113-132, (1991).
[19] Zhu, S.-E., Krishna Ghatkesar, M., Zhang, C.,
Janssen, G., Graphene, "based piezoresistive pressure
sensor", Applied Physics Letters, Vol. 102, No. 16,
pp. 161904, (2013).
[20] Gui, Y., Zhang, Y., Liu, G., Hao, Y., Gao, C.,
"Design and simulation of corrugated diaphragm
applied to the MEMS fiber optic pressure sensor", in:
2016 IEEE 11th Annual International Conference on
Nano/Micro Engineered and Molecular Systems
(NEMS), pp. 152-155, (2016).
[21] Li, H., Deng, H., Zheng, G., Shan, M., Zhong, Z.,
Liu, B., "Reviews on Corrugated Diaphragms in
Miniature Fiber-Optic Pressure Sensors", Applied
Sciences, Vol. 9, No. 11, pp. 2241, (2019).
[22] Djurić, Z., Matić, M., Matović, J., Petrovic, R.,
Simičić, N., "Experimental determination of silicon
pressure sensor diaphragm deflection", Sensors and
Actuators A: Physical, Vol. 24, No. 3, pp. 175-179,
(1990).
[23] SeyedKazem Viliani, N., Hashemi, M., Vadizadeh,
H., Pourrostami, H., Mostafavi, S.M., Hashemizadeh,
F., "Modelling and empirical investigation of microelectro-
mechanical piezo-resisitive pressure sensor
based on the requirements of petrochemical
industry", Modares Mechanical Engineering, Vol.
14, No. 16, pp. 349-357, (2015).
[24] Zhou, G., Zhao, Y., Guo, F., Xu, W., "A smart high
accuracy silicon piezoresistive pressure sensor
temperature compensation system", Sensors, Vol. 14,
No. 7, pp. 12174-12190, (2014).
[25] Hsu, T.-R., "MEMS and microsystems: design,
manufacture, and nanoscale engineering", John
Wiley & Sons, (2008).
[26] Niu, Z., Liu, K., Wang, H., "A new method for the
design of pressure sensor in hyperbaric environment",
Sensor Review, Vol. 37, No. 1, pp. 110-116, (2017).
[27] Eaton, W.P., Bitsie, F., Smith, J.H., Plummer, D.W.,
"A new analytical solution for diaphragm deflection
and its application to a surface-micromachined
pressure sensor", in: International Conference on
Modeling and Simulation, MSM, pp., (1999).
[28] Hamilton, K.A., "Improvements to the Design of a
Flexible Diaphragm for use in Pressure Wave
Generators for Cryogenic Refrigeration Systems",
Vol., No., pp., (2013).