بررسی تاثیر پارامترهای هندسی بر جابه جایی خارج از صفحه میکروتیر پیزوالکتریکی با سطح مقطع T شکل

نوع مقاله: مقاله مستقل

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد سیستم های میکرو و نانوالکترومکانیک، دانشکده علوم و فنون نوین، دانشگاه تهران

2 استادیار، سیستمهای میکرو و نانوالکترومکانیک، دانشکده علوم و فنون نوین، دانشگاه تهران

3 دانشجوی کارشناسی ارشد سیستم‌های میکرو و نانوالکترومکانیک، دانشکده علوم و فنون نوین، دانشگاه تهران

10.22044/jsfm.2019.6942.2602

چکیده

دستیابی به جابه جایی خارج از صفحه بالاتر در میکروتیرها موجب افزایش حساسیت و دقت میکرو سنسورها و افزایش دامنه جابه‌جایی و کارآیی میکرومحرک‌های مبتنی بر این میکروتیرها می شود. در این مقاله، جابه جایی خارج از صفحه یک میکروتیر پیزوالکتریک با سطح مقطع T شکل به روش المان محدود مدلسازی شده است. به‌منظور افزایش جابه جایی خارج از صفحه این میکروتیر، تاثیر پارامترهای هندسی بر جابه‌جایی خارج از صفحه میکروتیر مذکور به روش تاگوچی بررسی شده است. سطح بهینه متغیرهای هندسی میکروتیر برای دستیابی به بیشترین جابه‌جایی خارج از صفحه میکروتیر، با تحلیل ضرایب سیگنال به نویز و ترتیب اهمیت تاثیر متغیرهای هندسی بر جابه‌جایی خارج از صفحه با تحلیل واریانس تعیین شده است. در بین مشخصات هندسی تحلیل شده، طول میکرو کانتیلور (L) بیشترین تاثیر را بر روی میزان جابه جایی خارج از صفحه دارد. با افزایش طول میکرو کانتیلور جابه‌جایی خارج از صفحه آن بیشتر می شود. پس از طول، عمق جان تیر (h)، بیشترین تاثیر را بر جابه جایی نوک میکرو کانتیلور دارد. هر چه اندازه عمق جان تیر کمتر باشد، میزان جابه جایی میکرو کانتیلور بیشتر است. با استفاده از سطوح بهینه متغیرهای هندسی، مقدار جابه جایی خارج از صفحه 3/296 میکرومتر بدست آمد که حدود 3/2 برابر نتیجه آخرین تحقیق انجام شده در این زمینه است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Castille C, Dufour I, Lucat C (2010) Longitudinal vibration mode of piezoelectric thick-film cantilever-based sensors in liquid media. Appl Phys Lett 96(15): 154102.

[2]  Lee JH, et al. (2005) Immunoassay of prostate-specific antigen (PSA) using resonant frequency shift of piezoelectric nanomechanical microcantilever. Biosens Bioelectron 20(10): 2157-2162.

[3]  Lee C, Itoh T, Suga T (1996) Micromachined piezoelectric force sensors based on PZT thin films. IEEE T Ultrason Ferr 43(4): 553-559.

[4]  Mahameed R, et al. (2008) Dual-beam actuation of piezoelectric AlN RF MEMS switches monolithically integrated with AlN contour-mode resonators. J Micromech Microeng 18(10): 105011.

[5] طهماسبی پور م، سنگ چاپ م، طوفان م (1395) شبیه سازی یک سوئیچ میکروالکترومکانیکی بر پایه کانتیلور پیزوالکتریکی. کنفرانس بین المللی تحقیقات بنیادین در مهندسی برق، تهران.

[6] طهماسبی پور م، وفایی ع (1395) مدلسازی شتاب سنج پیزوالکتریکی MEMS به روش المان محدود. بیست و چهارمین کنفرانس مهندسی برق ایران، شیراز.

[7]  Tahmasebipour M, Vafaei A (2017) A highly sensitive three axis piezoelectric microaccelerometer for high bandwidth applications. Micro Nano 9(2): 111-120.

[8]  Tani M, et al. (2007) A two-axis piezoelectric tilting micromirror with a newly developed PZT-meandering actuator. in Micro Electro Mechanical Systems,. MEMS. IEEE 20th International Conference on. 2007. IEEE.

[9]  Li Y, et al. (2006) Track-following control with active vibration damping of a PZT-actuated suspension dual-stage servo system. J Dyn Syst-T ASME 128(3): 568-576.

[10] Erturk A, Inman DJ (2009) An experimentally validated bimorph cantilever model for piezoelectric energy harvesting from base excitations. Smart Mater Struct 18(2): 025009.

[11] طهماسبی پور م، سنگ چاپ م (1395) بهینه سازی یک سیستم الکترومکانیکی ذخیره انرژی بر پایه کانتیلور پیزوالکتریکی. کنفرانس بین المللی تحقیقات بنیادین در مهندسی برق، تهران.

[12] حسینی ر و فاتحی ناراب ه (1396) برداشت انرژی ارتعاشی با استفاده از تیر یکسر درگیر با دو لایه پیزوالکتریک. مجله علمی پژوهشی مکانیک سازه­ها و شاره­ها 9-1 :(1)7.

[13] Furukawa T, Ishida K, Fukada E (1979) Piezoelectric properties in the composite systems of polymers and PZT ceramics. J Appl Phys 50(7): 4904-4912.

[14] Ajitsaria J, et al. (2007) Modeling and analysis of a bimorph piezoelectric cantilever beam for voltage generation. Smart Mater Struct 16(2):  447.

[15] Suo Z, et al. (1992) Fracture mechanics for piezoelectric ceramics. J Mech Phys Solids 40(4): 739-765.

[16] Kogan L, Hui CY, Molkov V (1996) Stress and induction field of a spheroidal inclusion or a penny-shaped crack in a transversely isotropic piezoelectric material. Int J Solids Struct 33(19):2719-2737.

[17] Minne S, Manalis S, Quate C (1995) Parallel atomic force microscopy using cantilevers with integrated piezoresistive sensors and integrated piezoelectric actuators. Appl Phys Lett 67(26): 3918-3920.

[18] Itoh T, Lee C, Suga T (1996) Deflection detection and feedback actuation using a self‐excited piezoelectric Pb (Zr, Ti) O3 microcantilever for dynamic scanning force microscopy. Appl Phys Lett 69(14): 2036-2038.

[19] Wang QM, Cross LE (1999) Tip deflection and blocking force of soft PZT‐based cantilever RAINBOW actuators. J Am Ceram Soc 82(1): 103-110.

[20] Shi Z, Xiang H, Spencer Jr B (2006) Exact analysis of multi-layer piezoelectric/composite cantilevers. Smart Mater Struct 15(5): 1447.

[21] Heinonen E, Juuti J, Jantunen H (2007) Characteristics of piezoelectric cantilevers embedded in LTCC. J Eur Ceram Soc 27(13): 4135-4138.

[22] Palosaari J, et al. (2009) Electromechanical performance of structurally graded monolithic piezoelectric actuator. J Electroceram 22(1-3): 156-162.

[23] Mateti K, et al. (2013) Fabrication and characterization of micromachined piezoelectric T-beam actuators. J Microelectromech S 22(1): 163-169.

[24] Kommepalli H, et al. (2011) Piezoelectric T-beam actuators. J Mech Design 133(6): 061003.

[25] Roy RK (2010) A primer on the Taguchi method. Society of Manufacturing Engineers.

[26] Thomas A, Antony J (2005) A comparative analysis of the Taguchi and Shainin DOE techniques in an aerospace environment. Int J Prod Perform Manag 54(8): 658-678.

[27] Antony J, Jiju Antony F (2001) Teaching the Taguchi method to industrial engineers. Work Stud 50(4): 141-149.