مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

بررسی تاثیر تنش های موضعی بر روی دیافراگم سیلیکانی طرح دار روی حسگرهای پیزوالکتریک نانو سیم های اکسید روی

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
حامد کاوند 1
جواد کوهسرخی 1
رضا عسکری مقدم 2
1 آزمایشگاه تحقیقاتی ساخت ادوات پیشرفته میکرو و نانو، دانشکده علوم و فنون نوین، دانشگاه تهران
2 دانشکده علوم و فنون نوین، دانشگاه تهران
10.52547/mme.23.1.25
چکیده
خواص الکتریکی مواد پیزوالکتریک نانوساختاری توجه بسیاری از محققین را در دهه گذشته به خود جلب کرده است. این ویژگی­ها در میکرو حسگرهای پیزو الکتریک استفاده می­شود. نیروی محرکه مکانیکی معمولاً نتیجه تماس بین سطح پیزوالکتریک و یک جسم خارجی است. در این مقاله، تاثیر نیروی محرکه مکانیکی با استفاده از یک موج هوایی (آکوستیک) و یا خلاء بر روی دیافراگم سیلیکانی، مورد بررسی قرار گرفته شده است. تنش های موضعی ایجاد شده روی دیافراگم در اثر برخورد یک موج هوایی، تاثیر قابل توجهی روی ولتاژ پیک تا پیک حسگر پیزوالکتریک دارد که با اندازه گیری تغییرات این پارامتر می توان شدت موج هوایی را بدست آورد. برای بررسی این موضوع، دیافراگم بدون طرح و طرحدار که شامل میکروساختارهای سیلیکانی است مورد بررسی قرار گرفته شد و مشخص شد که ساخت یک حسگر پیزوالکتریک روی یک دیافراگم نازک و طرح دار می­تواند باعث افزایش ولتاژ پیک تا پیک تا حدود 3/1 برابر گردد. آشکارسازی این تنش­ها با استفاده از ماده پیزوالکتریک لایه نشانی شده روی دیافراگم نازک و منعطف، می­تواند به عنوان یک میکروفن پیزوالکتریک و یا یک فشار سنج عمل کند که وجود میکروساختارها روی دیافراگم باعث افزایش حساسیت آنها خواهد شد.
کلیدواژه‌ها
تنش مکانیکی
دیافراگم سیلیکانی
میکرو ساختارها
نانوساختارهای پیزوالکتریک
نانوسیم های اکسید روی
ادوات میکرو الکترومکانیکی

موضوعات

عنوان مقاله English

Local stresses effect on micro-machined silicon diaphragm on zinc oxide nanowires piezoelectric sensors

نویسندگان English

Hamed Kavand 1
Javad Koohsorkhi 1
reza askari moghaddam 2
1 Advanced Micro and Nano Research Lab., Faculty of New Sciences and Technologies, University of Tehran, Tehran, Iran
2 Faculty of New Sciences and Technologies, University of Tehran, Tehran, Iran
چکیده English

The electrical properties of nanostructured piezoelectric materials have attracted the attention of many researchers in the last decade. These features are used in piezoelectric micro-sensors. Mechanical propulsion is usually the result of contact between a piezoelectric surface and a foreign object. In this paper, the effect of mechanical propulsion using an air wave (sound) or vacuum on a silicon diaphragm is investigated. The local stresses created on the diaphragm due to the impact of an air wave have a significant effect on the peak-to-peak voltage of the piezoelectric sensor, which can be measured by measuring changes in this parameter. To investigate this, a micromachined diaphragm of silicon was examined and it was found that fabricating a piezoelectric sensor on a thin and patterned diaphragm could increase the peak-to-peak voltage by about 1.3 times. Detection of these stresses using piezoelectric material layered on the thin and formable diaphragm can act as a piezoelectric microphone or a barometer that the presence of microstructures on the diaphragm will increase their sensitivity.

کلیدواژه‌ها English

mechanical stress
Silicon diaphragm
Microstructures
Piezoelectric nanostructures
Zinc oxide nanowires
MEMS
C. Sun, J. Shi, D. J. Bayerl, and X. Wang, "PVDF microbelts for harvesting energy from respiration," Energy Environ. Sci., vol. 4, no. 11, pp. 4508-4512, 2011. [DOI:10.1039/c1ee02241e]
C. Sun, J. Shi, D. J. Bayerl, and X. Wang, "PVDF microbelts for harvesting energy from respiration," Energy Environ. Sci., vol. 4, no. 11, pp. 4508-4512, 2011. [DOI:10.1039/c1ee02241e]
A. Ghasemi Kordlar, J. Koohsorkhi, E. TaiediNejad; "Barium titanate nanorods on micro-machined silicon substrate for performance enhancement of piezoelectric Nanogenerators (NGs)" Solid-State Electronics, vol.186,p108168, 2021. [DOI:10.1016/j.sse.2021.108168]
A. Ghasemi Kordlar, J. Koohsorkhi, E. TaiediNejad; "Barium titanate nanorods on micro-machined silicon substrate for performance enhancement of piezoelectric Nanogenerators (NGs)" Solid-State Electronics, vol.186,p108168, 2021. [DOI:10.1016/j.sse.2021.108168]
Z. L. Wang and W. Wu, "Nanotechnology-enabled energy harvesting for self-powered micro-/nanosystems," Angew. Chemie Int. Ed., vol. 51, no. 47, pp. 11700-11721, 2012. [DOI:10.1002/anie.201201656]
Z. L. Wang and W. Wu, "Nanotechnology-enabled energy harvesting for self-powered micro-/nanosystems," Angew. Chemie Int. Ed., vol. 51, no. 47, pp. 11700-11721, 2012. [DOI:10.1002/anie.201201656]
M. C. Akgun, Y. E. Kalay, and H. E. Unalan, "Hydrothermal zinc oxide nanowire growth using zinc acetate dihydrate salt," J. Mater. Res., vol. 27, no. 11, pp. 1445-1451, 2012. [DOI:10.1557/jmr.2012.92]
M. C. Akgun, Y. E. Kalay, and H. E. Unalan, "Hydrothermal zinc oxide nanowire growth using zinc acetate dihydrate salt," J. Mater. Res., vol. 27, no. 11, pp. 1445-1451, 2012. [DOI:10.1557/jmr.2012.92]
Q. Wang, Y. Qiu, D. Yang, B. Li, X. Zhang, Y. Tang, L. Hu, "Improvement in piezoelectric performance of a ZnO nanogenerator by modulating interface engineering of CuO-ZnO heterojunction", Appl. Phys. Lett. 113, 2018. [DOI:10.1063/1.5035309]
Q. Wang, Y. Qiu, D. Yang, B. Li, X. Zhang, Y. Tang, L. Hu, "Improvement in piezoelectric performance of a ZnO nanogenerator by modulating interface engineering of CuO-ZnO heterojunction", Appl. Phys. Lett. 113, 2018. [DOI:10.1063/1.5035309]
R. Parize, J. Daniel Garnier, E. Appert, O. C. Pluchery, and V. Consonni, "Effects of Polyethylenimine and Its Molecular Weight on the Chemical Bath Deposition of ZnO Nanowires", ACS Omega; 3(10): 12457-12464, 2018. [DOI:10.1021/acsomega.8b01641]
R. Parize, J. Daniel Garnier, E. Appert, O. C. Pluchery, and V. Consonni, "Effects of Polyethylenimine and Its Molecular Weight on the Chemical Bath Deposition of ZnO Nanowires", ACS Omega; 3(10): 12457-12464, 2018. [DOI:10.1021/acsomega.8b01641]
آرمین حیدری، سارا درباری، "برداشت انرژی پیشرفته، استفاده از نانوژنراتور بر اساس اکسید روی nanosheet جاسازی شده در بلور فوتونی"، مهندسی برق، مدرس، دوره۱۳ شماره۳، ص: ۹-۱۳، ایران، 1392.
آرمین حیدری، سارا درباری، "برداشت انرژی پیشرفته، استفاده از نانوژنراتور بر اساس اکسید روی nanosheet جاسازی شده در بلور فوتونی"، مهندسی برق، مدرس، دوره۱۳ شماره۳، ص: ۹-۱۳، ایران، 1392.
بیتا سلیمی قادی ، مهدی گل سرخ تبار امیری، "پروتکل مسیریابی انرژی کارا برای شبکه های بی سیم انرژی برداشت بدن"نشریه: مهندسی پزشکی زیستی، شماره 3، ایران، 1396.
بیتا سلیمی قادی ، مهدی گل سرخ تبار امیری، "پروتکل مسیریابی انرژی کارا برای شبکه های بی سیم انرژی برداشت بدن"نشریه: مهندسی پزشکی زیستی، شماره 3، ایران، 1396.
M. C. Akgun, Y. E. Kalay, and H. E. Unalan, "Hydrothermal zinc oxide nanowire growth using zinc acetate dihydrate salt," J. Mater. Res., vol. 27, no. 11, pp. 1445-1451, 2012. [DOI:10.1557/jmr.2012.92]
M. C. Akgun, Y. E. Kalay, and H. E. Unalan, "Hydrothermal zinc oxide nanowire growth using zinc acetate dihydrate salt," J. Mater. Res., vol. 27, no. 11, pp. 1445-1451, 2012. [DOI:10.1557/jmr.2012.92]
امیر قاسمی کردلر، جواد کوهسرخی، حامد کاوند، "رشد نانومیله های اکسید روی بر روی میکرو ساختارهای دوار و هم مرکز سیلیکانی برای ساخت نانوژنراتورها" کنفرانس ملی مهندسی شیمی و نانو فناوری، ایران، 1399.
امیر قاسمی کردلر، جواد کوهسرخی، حامد کاوند، "رشد نانومیله های اکسید روی بر روی میکرو ساختارهای دوار و هم مرکز سیلیکانی برای ساخت نانوژنراتورها" کنفرانس ملی مهندسی شیمی و نانو فناوری، ایران، 1399.
M. R. Hasan, S. H. Baek, K. S. Seong, J. H. Kim, and I. K. Park, "Hierarchical ZnO Nanorods on Si Micropillar Arrays for Performance Enhancement of Piezoelectric Nanogenerators," ACS Appl. Mater. Interfaces, vol. 7, no. 10, pp. 5768-5774, 2015. [DOI:10.1021/am5085379]
M. R. Hasan, S. H. Baek, K. S. Seong, J. H. Kim, and I. K. Park, "Hierarchical ZnO Nanorods on Si Micropillar Arrays for Performance Enhancement of Piezoelectric Nanogenerators," ACS Appl. Mater. Interfaces, vol. 7, no. 10, pp. 5768-5774, 2015. [DOI:10.1021/am5085379]
مهندسی مکانیک مدرس
دوره 23، شماره 1
دی 1401
صفحه 25-31