عنوان پایان‌نامه
مدلسازی رفتار مکانیکی میکروحسگر دی اکسید کربن مبتنی بر میکروکانتیلور
- رشته تحصیلی
- مهندسی سیستم های میکرو و نانو الکترومکانیک
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 73335
- تاریخ دفاع
- ۱۱ بهمن ۱۳۹۴
- دانشجو
- حسین سالارپور
- استاد راهنما
- محمد طهماسبی پور, رقیه قاسم پور
- چکیده
- حسگرهای مبتنی بر میکروکانتیلور بخش عمده و مهمی از حسگرهای میکروالکترومکانیکی را به خود اختصاص دادهاند و در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می گیرند. به دلیل افزایش حساسیت این حسگرها در مدهای فرکانسی بالا و امکان تحریک میکروکانتیلور در مدهای مختلف فرکانسی برای کاربرد حسگری، مطالعه رفتار این سیستمها در مدهای رزونانسی بالاتر دارای اهمیت زیادی است. لذا در این پایانامه به بررسی و امکانسنجی قرارگیری یک میکروحسگر گاز دیاکسیدکربن مبتنی بر میکروکانتیلور در مدهای رزونانسی بالا پرداخته شد. ساختار مدلسازی شده متشکل از یک میکروکانتیلور از جنس سیلیکن یا پلیسیلیکن بوده که روی آن یک لایه پلیمر پلی آلی لامین، جهت شناسایی گاز دیاکسیدکربن قرار می گیرد. یکی از مهمترین پارامترهای مطرح در طراحی حسگرهای میکرومکانیکی، تحلیل تنش ایجاد شده در این حسگرها تحت شرایط عملکردی میباشد. لذا مقدار تنش ون مایزز ایجاد شده در میکروسازه مورد مطالعه، برای اجتناب از ورود سازه به محدوده تغییر فرم پلاستیک بسیار حائز اهمیت است. بنابراین مقادیر تنش ون مایزز ایجاد شده در میکروحسگر مذکور مورد مطالعه قرار گرفت و مقدار ماکزیمم آن با مقدار تنش تسلیم سیلیکن و پلیسیلیکن مقایسه شد تا بتوان به این وسیله، مد فرکانسی مناسب جهت کاربرد حسگری را انتخاب نمود. نتایج تحلیل المان محدود نشان از آن داشت که در بین ساختارهای مورد مطالعه، میکروکانتیلورهای با ضخامت 5/13، 9 و 5/4 میکرومتر، قابلیت تحمل تنش در مدهای بالاتر رزونانسی را دارند. رفتار این حسگر جهت کارکرد در مدهای رزونانسی قابل قبول و قرارگیری در معرض غلظتهای متفاوت از گاز دیاکسیدکربن نیز مدلسازی شد. بنابراین تاثیر مد رزونانس، ضخامت میکروکانتیلور، ضخامت لایه گزینشگر و غلظت گاز روی شیفت فرکانس رزونانس و حساسیت میکروحسگر مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج نشان داد که با بالا رفتن غلظت گاز موجود در محیط، شیفت فرکانس رزونانس افزایش می یابد که در بین غلظتهای مورد بررسی، بیشترین شیفت فرکانس در غلظت ppm105×5 از گاز اتفاق افتاد. همچنین افزایش ضخامت میکروکانتیلور و لایه گزینشگر و عملکرد میکروحسگر در مدهای بالاتر رزونانسی، سبب بالا رفتن مقادیر شیفت فرکانس رزونانس میشود. بررسی حساسیت این میکروحسگرها نشان داد که افزایش مد رزونانسی، ضخامت میکروکانتیلور و ضخامت لایه گزینشگر به ترتیب بیشترین تاثیر را در افزایش حساسیت حسگر دارند.
- Abstract
- Microcantelever-based sensors are the major type of microelectromechanical sensors and have widespread applications in different industries. sensitivity of microcantilever-based sensors is increased at higher resonance frequency modes. Therefore, modeling of the mechanical behavior of microcantilever under different resonance modes is of particular significance. In this thesis, vibrational behavior of micro cantilever based carbon dioxide (CO2) sensor in high frequency modes is investigated using the finite element method. The modeled structure consist of a silicon or poly silicon microcantilever coated with a polyallylamine layer for sensing CO2 gas. To assess integrity of the sensor structure, Von-Mises stress analysis is performed for the microcantilever. To select the appropriate frequency modes for sensing applications, maximum Von-Mises stress that created in this micro-structure is compared with yield stress of silicon or poly silicon. The finite element analysis results show that micro-cantilever with 13.5 ?m, 9 ?m and 4.5 ?m thickness are resistant to high frequency modes. The effect of resonance mode, microcantilever thickness, thickness of sensing coating and CO2 concentration on the resonance frequency shift and sensitivity of microsensor is investigated. The results indicate that increase in the concentration of CO2 causes increase of resonance frequency shift. The maximum resonance frequency shift occurs at 5×105 ppm. In addition, increase in the microcantilever thickness, sensing coating thickness and frequency mode increase the resonance frequency shift. The studied parameters in terms of their impact on the sensitivity of this micro-sensor are resonance mode, microcantilever thickness and sensing coating thickness, respectively. Keywords: Micro-sensor, Micro-cantilever, Mechanical behavior, Modeling, Finite element method, Carbon dioxide (CO2), Sensitivity, Shift in resonance frequency.
