طراحی و تحلیل عملکرد یک نانوشتاب سنج بازآوایشی (رزونانسی) با کاربرد پایش امواج زمین صوتی

در این مقاله، طراحی و تحلیل عملکردی یک نانوحسگر بازآوایشی برای رصد زمین لرزه با کاربرد اندازه گیری امواج بسامد پایین زمین صوتی پیشنهاد شده است. الگوی ارائه شده از یک جرم معیار که توسط تکیه گاه به زیرلایه متصل شده و یک نانوتیر که در نزدیکی محل اتصال تکیه گاه قرار دارد، تشکیل شده است. این نانوتیر را می توان یک نوسانگر دوسردرگیر در نظر گرفت که با نیروی برقی ایستایی (الکترو استاتیک) تحریک می شود. وارد شدن شتاب به جرم معیار موجب ایجاد نیروی کششی یا فشاری به صورت محوری در نوسانگر می شود. نیروی محوری وارد شده بر تیر منجر به تغییر انرژی پتانسیل ذخیره شده در تیر و در نتیجه تغییر بسامد طبیعی سامانه می شود. بنابراین، با اندازه گیری مقدار تغییر در بسامد طبیعی می توان شتاب وارده به جرم معیار را اندازه گرفت. به علاوه، بر روی دو طرف نوسانگر، لایه ای از ماده ی پیزوالکتریک قرار گرفته است که با اعمال ولتاژ به آن می توان عملکرد حسگر را بهبود بخشید. در ابتدا، معادلات حاکم بر نانوحسگر با استفاده از اصل همیلتون به دست می آیند که شامل نیروهای برقی ایستایی (الکترو استاتیک) با اثر میدان فرینج، میرایی، پیزوالکتریک، کزیمیر و غیرخطی ناشی از اثرات کششی است. در ادامه، معادلات با روش عددی انتگرال گیری مستقیم حل شده اند. عملکرد نانوحسگر از طریق نتایج شبیه سازی بررسی شده که شامل عملکرد دینامیکی ابزار، حساسیت، تفکیک پذیری، پهنای باند، برد دینامیک و مقاومت سازه ای می شود. نتایج به دست آمده نشان می دهند که ابزار پیشنهاد شده می تواند در اندازه گیری امواج فروآوا و بسامد پایین زمین صوتی، عملکرد بهتری در مقایسه با حسگرهای تجاری ریز و کلان (میکرو و ماکرو) داشته باشد.