طراحي و تحليل عملكرد يك نانو شتاب‌سنج باز آوايشي (رزونانسي) با كاربرد پايش امواج زمين‌صوتي

Design and performance analysis of a seismic grade resonance nano accelerometer

در اين مقاله، طراحي و تحليل عملكردي يك نانوحسگر بازآوايشي براي رصد زمين‌لرزه با كاربرد اندازه‌گيري امواج بسامد پايين زمين صوتي پيشنهاد شده است. الگوي ارائه شده از يك جرم معيار كه توسط تكيه‌گاه به زيرلايه متصل شده و يك نانوتير كه در نزديكي محل اتصال تكيه‌گاه قرار دارد، تشكيل شده است. اين نانوتير را مي‌توان يك نوسانگر دوسردرگير در نظر گرفت كه با نيروي برقي‌ايستايي (الكترو­استاتيك) تحريك مي‌شود. وارد شدن شتاب به جرم معيار موجب ايجاد نيروي كششي يا فشاري به صورت محوري در نوسانگر مي‌شود. نيروي محوري وارد شده بر تير منجر به تغيير انرژي پتانسيل ذخيره شده در تير و در نتيجه تغيير بسامد طبيعي سامانه مي‌شود. بنابراين، با اندازه‌گيري مقدار تغيير در بسامد طبيعي مي‌توان شتاب وارده به جرم معيار را اندازه گرفت. به علاوه، بر روي دو طرف نوسانگر، لايه‌اي از ماده‌ي پيزوالكتريك قرار گرفته است كه با اعمال ولتاژ به آن مي‌توان عملكرد حسگر را بهبود بخشيد. در ابتدا، معادلات حاكم بر نانوحسگر با استفاده از اصل هميلتون به دست مي‌آيند كه شامل نيروهاي برقي‌ايستايي (الكترو­استاتيك) با اثر ميدان فرينج، ميرايي، پيزوالكتريك، كزيمير و غيرخطي ناشي از اثرات كششي است. در ادامه، معادلات با روش­ عددي انتگرال‌گيري مستقيم حل شده‌اند. عملكرد نانوحسگر از طريق نتايج شبيه‌سازي بررسي شده كه شامل عملكرد ديناميكي ابزار، حساسيت، تفكيك‌پذيري، پهناي باند، برد ديناميك و مقاومت سازه‌اي مي­شود. نتايج به‌دست‌آمده نشان مي‌دهند كه ابزار پيشنهاد شده مي‌تواند در اندازه­گيري امواج فروآوا و بسامد پايين زمين‌صوتي، عملكرد بهتري در مقايسه با حسگرهاي تجاري ريز و كلان (ميكرو و ماكرو) داشته باشد.

In this paper, design and performance analysis of a resonance nanosensor for earthquake low frequency geoacoustic waves detection is proposed. The model comprises of a proof mass suspended to the substrate, and a nanobeam attached to the intersection of the proof mass to the substrate. The nanobeam could be cosidered as a clamped-clamped nanoresonator actuated electrostartically. The induced accelaration to the proof mass could lead to an axial tensile or compression force in the nanoresonator. The axial induced force could change the system stored potential energy and result in the shift of the resonator natural frequncy. Measuring the frequncy shift of the resonator, could lead to the estimation of the applied accelaration to the proof mass. Furthermore, the nanobeam is laminated between two piezoelectric layers wich applying voltage to them could improve the perfomance of the nanosensor. Governing equations are obtained using Hamilonian’s principle that considers the main sources of nonlinearity including electrostatic fringing field effect, piezoelectric and casimir force, and stretching effect. The equations are solved using numerical and analytical methods. The simulation results are being used to investigate the nanosensor performance charactersitics including the device dynamic response, resolution, sensitivity, bandwidth, dynamic range and the structural resitance. The results show that the proposed nano accelerometer could have a better performance compared the existing micro and macro earthquake detection devices measuring geoacoustic infrasonic and low frequency waves.