مدل‌سازی و شبیه‌سازی یک حسگر اندازه‌گیری جریان سیال میکرونی پیزوالکتریکی به‌همراه میکروبازیاب انرژی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

2 دکتری، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

3 استاد، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

چکیده

سیستم‌های میکروالکترومکانیکی به عنوان یکی از فناوری‌های نویدبخش و کارای عصر حاضر می‌تواند انقلاب عظیمی را در محصولات صنعتی و تجاری به‌وجود آورد. پیشرفت روز افزون این فناوری موجب شده‌است تا نیاز به استفاده از حسگرهای خود محرکه (بدون نیاز به منبع تغذیه) روز به روز بیشتر احساس شود. در این مقاله یک حسگر اندازه‌گیری دبی جریان سیال میکرونی متشکل از یک میکروتیر چند لایه متقارن پیزوالکتریکی به همراه میکروبازیاب انرژی مدلسازی و شبیه‌سازی شده‌است. به‌منظور مدل‌سازی این حسگر، کوپل معادلات بین سه محیط مکانیک جامدات، مکانیک سیالات و پیزوالکتریک وجود دارد که در ابتدا معادلات حاکم بر جریان سیال درون میکروکانال به روش حجم محدود حل و نتایج آن در حل المان محدود میکروتیر استفاده شده‌است. برای اطمینان از حل معادلات، مسأله مورد نظر به‌صورت اندرکنش سیال و جامد در نرم‌افزار Com Sol شبیه‌سازی شده‌است. جابجایی سر آزاد میکروتیر در دبی ورودی 60 میکرولیتر بر دقیقه برابر با 5/9 نانومتر بدست آمده‌است که 6/13 درصد با نتایج حاصل از مدل‌سازی اختلاف دارد و ولتاژ تولیدی از هر میکروتیر 30/2 میلی‌ولت می‌باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1]  Dittmann, D., Low-Cost Flow Transducer Fabricated with the AMANDAProcess. Proc. Transducers, Munich, Germany, pp. 1472–1475, 2001.
[2]  R.E. Oosterbroek, T.S.J. Lammerink, J.W. Berenschot, G.J.M. Krijnen, M.C. Elwenspoek, A. van den Berg, A Micromachined Pressure/Flow Sensor. Sensors and Actuators, Vol. A77, pp. 167–177, 1999.
[3]  Gass V., B. H. van der Schoot, N. F. de Rooij, Nanofluid Handling by Microflow Sensor Based on Drag Force Measurement. Proc. IEEE Micro Electro Mechanical Systems, Fort Lauderdale, FL, pp. 167–172, 1993.
[4]  Svedin N, A New Silicon Gas-Flow Sensor Based on Lift Force. Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 7, No. 3, pp. 303–308, 1998.
[5]  Enoksson P., G. Stemme, E. Stemme, A Silicon Resonant Sensor Structure for Coriolis Mass-Flow Measurements. Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 6, No. 2, pp. 119–125, 1997.
[6]  Richter A., The Electrohydrodynamic Micro Flow Meter. Proc. Transducers, San Francisco, CA, pp. 935–938, 1991.
[7]  Merkel, T., L. Pagel, H.-W. Glock, Electric Fields in Fluidic Channels and Sensor Applications with Capacitance. Sensors and Actuators, Vol. A80, pp. 1–7, 2000.
[8]  Gass V., B. H, Nanofluid Handling by Microflow Sensor Based on Drag Force Measurement. IEEE Micro Electro Mechanical Systems, 1993.
[9]  Ozaki Y, O. T., An air flow sensor modeled on wind receptor hairs of insects. Proc. Micro Electro Mechanical Systems, 2000.
[10] Zhifang Fan, J. C., Design and fabrication of artificial lateral line flow sensors. Micromechanics and Microengineering, 2002.
[11] Wen-Yang Chang, C.-H. C.-C., A Flexible Piezoelectric Sensor for Microfluidic Applications Using Polyvinylidene Fluoride.  IEEE sensors journal, 2008.
[12] Qi Zhang, W. R., A self-bended piezoresistive microcantilever flow sensor for low flow rate. Sensors and Actuators, 2010.
[13] Sudeep Joshi, Mitesh Parmar, K. Rajanna, A novel gas flow sensing application using piezoelectric ZnO thin films deposited on Phynox alloy. Sensors and Actuators A 187, pp. 194–200, 2012.
[14] Amir Sanati Nezhad, Mahmood Ghanbari, Carlos G. Agudelo, Muthukumaran Packirisamy ,Rama B. Bhat, Anja Geitmann, PDMS Microcantilever-Based Flow Sensor Integration for Lab-on-a-Chip. IEEE Sensors Journal, Vol. 13, 2013.
[15] Dutoit N.E, Wardle B.L, Kim S.G., Design Considerations for MEMS-Scale Piezoelectric Mechanical Vibration Energy Harvesters. Integrated Ferroelectrics, Vol. 71, pp 121–160, 2005.
[16] Lin J.H, Wu X.M, Ren T.L, Liu L.T, Modeling and Simulation of Piezoelectric MEMS Energy Harvesting Device. Integrated Ferroelectrics, Vol. 95, pp 128-141, 2010.
[17] Sari I, Balkan T, Kulah H, An electromagnetic  micro energy harvester based on an array of parylene cantilevers. Journal of Micromechanics and Microengineering, Institute of Physics, 2009.
[18] Hendricks T, Choate W.T, Engineering Scoping Study of Thermoelectric Generator Systems for Industrial Waste Heat Recovery. U.S. Department of Energy, November 2006.
[19] Roundy S, Wright P, Pister K, Micro-electrostatic Vibration-to-electricity Converters. Proc. IMECE, pp 1-10, 2002.
[20] Roundy S, Wright P.K, Rabaey J., A Study of Low Level Vibrations as a Power Source for Wireless Sensor Nodes. Computer Communications, Vol. 26, pp 1131-1144, 2003.
[21] Eggborn T, Analytical Models to Predict Power Harvesting With Piezoelectric Materials. Virginia Polytechnic Institute and State University, 2003.
[22] Roundy, S.Wright, P.K., A piezoelectric vibration based generator for wireless electronics. Smart Materials and Structures, 13, 1131–1144, 2004.
[23] Dutoit N.E, Wardle B.L, Kim S.G, Design Considerations for MEMS-Scale Piezoelectric Mechanical Vibration Energy Harvesters. Integrated Ferroelectrics, Vol. 71, pp 121–160, 2006.
[24] Ajitsaria J, Choe S.Y, Shen D, Kim D.J, Modeling and Analysis of a Bimorph Piezoelectric Cantilever Beam for Voltage Generation. Smart Material and Structures, Vol. 16, pp 447-454, 2007.
[25] Erturk, A., Inman, D.J., An experimentally validated bimorph cantilever model for piezoelectric energy harvesting from base excitations”, Smart Materials and Structures, 18, 2009.
[26] Huseyin D. Akaydin, Niell Elvin, Yiannis Andreopoulos, Energy Harvesting from Highly Unsteady Fluid Flows using Piezoelectric Materials. J. of Intelligent Material Systems and Structures, pp. 1263-1278, 2010.
[27] D-A Wang, H-H Ko, Piezoelectric energy harvesting from flow-induced vibration, J. Micromech. Microeng. 20, 2010.
[28] Huicong Liu, Songsong Zhang, Ramprakash Kathiresan, Takeshi Kobayashi, Chengkuo Lee, Development of piezoelectric microcantilever flow sensor with wind-driven energy harvesting capability. Appl. Phys. Lett. 100, 223905, 2012.
[29] Krit Koyvanich, Pruittikorn Smithmaitrie, Nantankan Muensit, Perspective microscale piezoelectric harvester for converting flow energy. Adv. Mater. Lett. 6, pp. 538-543, 2015.
[30] Li. Dongqing, Electrokinetics in Microfluidics. Elsevier, First Edition, 2004.
[31] Versteeg and Malalasekera, An Introduction to Computational Fluid Dynamics. Pearson Education, 2011.
[32] Suhas V. Patankar, Numerical Heat Transfer and Fluid Flow. CRC Press, 1980.
[33] Erturk A., Inman D.J., On mechanical modeling of cantilevered piezoelectric vibration energy harvesters. J. Intell. Mater. Syst. Struct. 19 at press, 2008.
[34] A. Armin, B. Behjat, M. Abbasi, M.R. Eslami, Finite Element Analysis of Functionally Graded Piezoelectric Beams. Iran J Mech Eng (English), 2010.
[35] Jiang, J.P., Li, D.X., A New Finite Element Model for Piezothermoelastic Composite Beam. J. Sound Vibr., Vol. 306, pp. 849-864, 2007.
[36] Chen S-N, Wang G-J, Chien M-C, Analytical modeling of piezoelectric vibration-induced micro power generator. Mechatronics (16), pp. 397–387, 2006.