طراحی و تحلیل عملکرد یک نانوشتاب‌سنج بازآوایشی (رزونانسی) با کاربرد پایش امواج زمین‌صوتی

در این مقاله، طراحی و تحلیل عملکردی یک نانوحسگر بازآوایشی برای رصد زمین‌لرزه با کاربرد اندازه‌گیری امواج بسامد پایین زمین صوتی پیشنهاد شده است. الگوی ارائه شده از یک جرم معیار که توسط تکیه‌گاه به زیرلایه متصل شده و یک نانوتیر که در نزدیکی محل اتصال تکیه‌گاه قرار دارد، تشکیل شده است. این نانوتیر را می‌توان یک نوسانگر دوسردرگیر در نظر گرفت که با نیروی برقی‌ایستایی (الکترو استاتیک) تحریک می‌شود. وارد شدن شتاب به جرم معیار موجب ایجاد نیروی کششی یا فشاری به صورت محوری در نوسانگر می‌شود. نیروی محوری وارد شده بر تیر منجر به تغییر انرژی پتانسیل ذخیره شده در تیر و در نتیجه تغییر بسامد طبیعی سامانه می‌شود. بنابراین، با اندازه‌گیری مقدار تغییر در بسامد طبیعی می‌توان شتاب وارده به جرم معیار را اندازه گرفت. به علاوه، بر روی دو طرف نوسانگر، لایه‌ای از ماده‌ی پیزوالکتریک قرار گرفته است که با اعمال ولتاژ به آن می‌توان عملکرد حسگر را بهبود بخشید. در ابتدا، معادلات حاکم بر نانوحسگر با استفاده از اصل همیلتون به دست می‌آیند که شامل نیروهای برقی‌ایستایی (الکترو استاتیک) با اثر میدان فرینج، میرایی، پیزوالکتریک، کزیمیر و غیرخطی ناشی از اثرات کششی است. در ادامه، معادلات با روش عددی انتگرال‌گیری مستقیم حل شده‌اند. عملکرد نانوحسگر از طریق نتایج شبیه‌سازی بررسی شده که شامل عملکرد دینامیکی ابزار، حساسیت، تفکیک‌پذیری، پهنای باند، برد دینامیک و مقاومت سازه‌ای می شود. نتایج به‌دست‌آمده نشان می‌دهند که ابزار پیشنهاد شده می‌تواند در اندازه گیری امواج فروآوا و بسامد پایین زمین‌صوتی، عملکرد بهتری در مقایسه با حسگرهای تجاری ریز و کلان (میکرو و ماکرو) داشته باشد.