Моделювання електромеханічних характеристик п’єзорезонансних сенсорів надлишкового тиску з мембранним керуванням міжелектродним зазором п’єзоелемента

  • A. A. Taranchuk Хмельницький національний університет http://orcid.org/0000-0001-9686-8784
  • S. K. Pidchenko Хмельницький національний університет
  • A. I. Zhyznevskyi Хмельницький національний університет
Ключові слова: сенсор надлишкового тиску, п’єзоелемент, збудження в зазорі, пружний елемент, мембрана, 3D – модель, чисельне моделювання, медичні застосування, сфігмографічні дослідження, пульсова хвиля

Анотація

У роботі розглядаються питання підвищення точності моделювання перспективних п’єзорезонансних сенсорів надлишкового тиску з мембранним керуванням міжелектродним зазором п’єзоелемента. Проведений порівняльний аналіз характеристик пружних мембранних елементів, виготовлених зі сплавів двох різних типів, які розраховані за існуючими методами для плоских і гофрованих мембран, та отриманих шляхом імітаційного моделювання в системі COMSOL Multiphysics. Показано, що існуючі аналітичні методи розрахунку мембранних елементів носять наближений характер і дозволяють отримати тільки достатньо грубі оцінки, оскільки не враховують усі конструктивні особливості пружних елементів та адаптовані під експериментальні конструкції сенсорів з конкретною геометрією. Розроблена тривимірна модель сенсора надлишкового тиску для медичних застосувань дозволяє істотно підвищити точність розрахунків характеристик напружено-деформованого стану елементів при їхніх мікропереміщеннях, зняти обмеження на конструктивні особливості мембрани та способи її кріплення, суттєво скоротити терміни й витрати на розробку вимірювальних перетворювачів. Отримані результати надають широкі можливості щодо оптимізації конструкції сенсора, підвищення його точностних характеристик та зменшення на нього впливів дестабілізуючих факторів зовнішнього середовища.

Біографії авторів

A. A. Taranchuk, Хмельницький національний університет
Таранчук А. А., к.т.н., доцент кафедри радіоелектронних апаратів і телекомунікацій
S. K. Pidchenko, Хмельницький національний університет
Підченко С. К., к.т.н., доцент кафедри радіоелектронних апаратів і телекомунікацій
A. I. Zhyznevskyi, Хмельницький національний університет

Жизневський А. І., кафедра телекомунікацій та комп’ютерно-інтегрованих технологій

Посилання

Перелік посилань

Шарапов В.М. Пьезоэлектрические датчики / Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапова Е.В. – М.: Техносфера, 2006 – 628 с.

Джексон, Р.Г. Новейшие датчики. Справочник пер. с англ. – М.: Техносфера, 2007. – 380 с.

Патент RU2430344 МПК G01L9/08 Датчик давления / Хильченко Г.Л., Таранчук А.А, Пидченко С.К. - 2011. – Бюл № 27.

A. Taranchuk Applied Measurement System. Design Methodology to Construct Information Measuring Systems Built on Piezoresonant Mechanotrons with a Modulated Interelectrode Gap/ A. Taranchuk, S. Pidchenko // Published by InTech, Janeza Trdine 9, 51000 Rijeka, Croatia, 2012, Сhapter 12, PP. 229-258. - ISBN: 978-953-51-0103-1.13.

Davies JM, Bailey MA, Griffin KJ, Scott DJ: Pulse wave velocity and the non-invasive methods used to assess it: Complior, SphygmoCor, Arteriograph and Vicorder. Vascular 2012, Vol. 20. – Pp. 342–349.

Андреева Л.Е. Упругие элементы приборов. – М.: Машиностроение, I981. – 392 с.

Renу de Borst. Nonlinear Finite Element Analysis of Solids and Structures / Renу de Borst, Mike A. Crisfield, Joris J. C. Remmers, Clemens V. Verhoosel // John Wiley & Sons, 2012. – 544 р.

COMSOL Multiphysics User’s Guide, 2012 COMSOL. – 1234 р.

P.M. Kurowski. Engineering analysis with solidworks simulation / SDC Publications, 2018. – 596 p.

N. Marsi. The mechanical and electrical effects of MEMS capacitive pressure sensor based 3C-SiC for extreme temperature / Marsi, N.; Majlis, B.Y.; Hamzah, A.A.; Mohd-Yasin, F. // Hindawi publishing corporation, 2014, Eng. 2014, 2014, 715167. – 8 p.

References

Sharapov V.M., Musienko M.P. and Sharapova E.V. (2006) Pezoelektricheskie datchiki [Piezoelectric sensors]. Moskov, Tehnosfera, 628 p.

Dzhekson R.G. (2007) Noveyshie datchiki [The newest sensors], Moskov, Tehnosfera, 380 p.

Hilchenko G., Pidchenko S. and Taranchuk A. (2011) Pressure sensor, Patent RU2430344.

Taranchuk A. and Pidchenko S. (2012) Design Methodology to Construct Information Measuring Systems Built on Piezoresonant Mechanotrons with a Modulated Interelectrode Gap. Applied Measurement Systems. DOI: 10.5772/35746

Davies J.M., Bailey M.A., Griffin K.J. and (2012) Pulse wave velocity and the non-invasive methods used to assess it: Complior, SphygmoCor, Arteriograph and Vicorder. Vascular, Vol. 20, Iss. 6, pp. 342-349. DOI: 10.1258/vasc.2011.ra0054

Andreeva L.E. (1981) Uprugie elementyi priborov [Elastic elements of devices]. Moskov, Mashinostroenie, 392 p.

Borst R.d., Crisfield M.A., and Verhoosel C.V. (2012) Non-Linear Finite Element Analysis of Solids and Structures. DOI: 10.1002/9781118375938

COMSOL Multiphysics User’s Guide, 1234 р.

Kurowski P.M. (2018) Engineering analysis with solidworks simulation, SDC Publications, 596 p.

Marsi N., Majlis B.Y., Hamzah A.A. and Mohd-Yasin F. (2014) The Mechanical and Electrical Effects of MEMS Capacitive Pressure Sensor Based 3C-SiC for Extreme Temperature. Journal of Engineering, Vol. 2014, pp. 1-8. DOI: 10.1155/2014/715167

Опубліковано
2018-09-30
Як цитувати
Taranchuk, A., Pidchenko, S. і Zhyznevskyi, A. (2018) Моделювання електромеханічних характеристик п’єзорезонансних сенсорів надлишкового тиску з мембранним керуванням міжелектродним зазором п’єзоелемента, Вісник НТУУ "КПІ". Серія Радіотехніка, Радіоапаратобудування, (74), pp 51-59. doi: 10.20535/RADAP.2018.74.51-59.
Номер
Розділ
Радіоелектроніка біомедичних технологій