شبيه سازي و بررسي تجربي پكيج فشارسنج ميكرو الكترومكانيكي پيزومقاومتي بر اساس الزامات عملكرد صنعت پتروشيمي

Simulation and empirical investigation of micro-electro-mechanical piezo-resisitive pressure sensor package based on the requirements of petrochemical industry

در اين مقاله به بررسي تحليلي و تجربي پكيج فشارسنج ميكرو الكترومكانيكي پرداخته شده است. اين پكيج فشارسنج از يك حسگر ميكروالكترومكانيكي، برد مدار چابي، نمايشگر خازني تشكيل شده است. در ابتدا، مدل‌سازي رياضي و سپس شبيه سازي كامپيوتري با استفاده از نرم افزار كامسول كه بر اساس تحليل اجزا محدود مي باشد، ارايه شده است. از اين طريق مقادير خروجي ولتاژ و حساسيت از حسگر فشار ميكروالكترومكانيكي پيزومقاومتي محاسبه شده است. شايان ذكر است كه عنصر مقاومتي در نظر گرفته شده روي ديافراگم از نوع ضربدري مي‌باشد. علاوه بر تحليل استاتيكي و مودال ديافراگم اين فشارسنج، اثرات پارامترهاي هندسي بر روي ولتاژ خروجي مورد بررسي قرار گرفته شده است. نتايج شبيه‌سازي نشان مي‌دهد كه با تغيير ابعاد و موقعيت عنصر مقاومتي روي ديافراگم و همچنين ابعاد و ضخامت ديافراگم، حساسيت حسگر تغيير مي‌يابد. سپس، با ساخت برد مدار چاپي و تعبيه نمودن اجزا بر روي آن، پكيج نهايي تهيه شده و مورد تست آزمايشگاهي قرار گرفته شده است. نتايج نشان مي‌دهد كه پكيج فشارسنج ميكروالكترومكانيكي داراي خطاي كمتر از 5/0 درصد مي‌باشد. اين پكيج فشارسنج قادر است تا فشار 6 بار را با دقت مذكور اندازه‌گيري كند. نتايج تجربي حاصل از كار آزمايشگاهي در پايان مقاله ارايه شده است. از اين پكيج مي‌توان با توجه به الزامات طراحي در صنعت پتروشيمي در اندازه‌گيري فشار گاز در تعدادي از مخازن ذخيره و مخازن تحت فشار مشخص شده در پتروشيمي فن‌آوران استفاده كرد.

In this paper, a designed micro-electromechanical pressure sensor package is studied analytically and empirically. This package includes a piezoresistive micro-electromechanical pressure sensor, printed circuit board (PCB), the capacitance LCD. First, a mathematical model for the sensor is presented, then the behavior of the sensor is simulated using COMSOL computer software which is based on finite element method. As a consequence, the sensitivity of the micro-electromechanical pressure sensor and output voltage are determined. It should be noted that an Xducer resistor type is adopted in this study. In addition to static and modal analyses of the sensor, the effects of geometrical parameters on output voltage have also been studied. Simulation results show that by changing the size and position of the resistor, as well as the size and thickness of the diaphragm, the sensitivity of the sensor can alter. Then, with the construction and placement of components on printed circuit boards, the package has been prepared and tested in a laboratory. The experimental results of the package show that the error of the devised package in measuring the pressure is less than 0.5 percent. This pressure sensor package is capable of measuring the pressure with the mentioned accuracy within the range of 0-6 bar. For verification, the empirical results are presented at the end of the study. The package can be used according to the requirements of the petrochemical industry in measuring gas pressure of specific storage tanks and pressure vessels in FANAVARN petrochemical company.