Design of a piezoresistive pressure sensor using topology optimization
Topoloji optimizasyonu ile piezorezistif basınç sensörü tasarımı
- Tez No: 895112
- Danışmanlar: DOÇ. DR. GÜLLÜ KIZILTAŞ ŞENDUR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mekatronik Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Bilim ve Teknoloji, Mechatronics Engineering, Engineering Sciences, Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Topoloji optimizasyonu, Topology optimization
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Esnek basınç sensörleri, akıllı kişisel ekipmanlardan tıbbi cihazlara kadar çeşitli uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Farklı uygulamalar, uygulamaya özel tasarlanmış sensörler gerektirir. Bu tezde, bası yaralarının önlenmesi için topoloji optimizasyonu (TO) yoluyla bir piezorezistif basınç sensörü tasarlanmıştır (4,6 kPa basınç değerinde). Temel amaç, azami hassasiyete, yani azami basınç üzerindeki bağıl dirençteki değişime sahip bir sensör tasarlamak üzere bir TO tasarım çerçevesi geliştirmektir. Topoloji opimizasyonu, mekanik, termal, elektromanyetik ve piezoelektrik cihazların tasarımına uygulanmıştır. İletken malzeme odaklı tasarımlar, TPMS geometrileri de dahil olmak üzere farklı termal ve elektrik uygulamalara yönelik çalışılmış olsa da, piezorezistif malzeme tasarımına dayalı TO problemi çok fazla araştırılmamıştır. Bu çalışmada, piezorezistif jiroid birim hücrelerinin sayısal homojenizasyonu kullanılarak oluşturulan modifiye SIMP malzeme modelleri kullanılarak bir TO çerçevesi geliştirilmektedir. Geliştirilen malzeme modelleri, hem optimizasyon sırasında hem de değişken jiroid sensör topolojisinin yeniden yapılandırılması aşamasında gereklidir. Sensör tasarımının malzeme yapısı PDMS-PPy kompozit olarak öngörülmüş ve gerekli özellikleri önceki bir çalışmadan alınmıştır. Tezde kabuk tipi bir jiroid geometrisi, hacim oranının kolay ayarlanabilirliği sayesinde yoğunluğa dayalı TO ile uyumludur ve 3 boyutlu basım teknikleri kullanılarak üretilebilirliği gibi avantajları nedeniyle seçilmiştir. Simülasyon modelleri COMSOL Multiphysics 6.2'de sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak analiz edilmiş ve TO çerçevesi üç farklı hedefe yönelik tasarim kategorisindeki problemlere uygulanmıştır. Bunlar 1) mekanik performans, 2) elektriksel performans ve 3) çok kriterli tasarım modeli yoluyla her iki kriteri aynı anda hedefleyen tasarım problemleridir. Uygulama sırasında CAD modelleri bir MATLAB komut dosyası tarafından oluşturulmuştur.
Özet (Çeviri)
Flexible pressure sensors are used commonly in applications ranging from smart personal equipment to medical devices. Different applications require sensors designed specific to the application. In this thesis, a piezoresistive pressure sensor is designed via topology optimization for bedsore prevention (most sensitive at 4.6 kPa). The main objective is to develop a TO design framework for designing a sensor with maximum sensitivity, i.e. change in relative resistance over pressure. TO has been applied to many applications including mechanical, thermal, electromagnetic and piezoelectric devices. Although conductive material topologies have been designed for thermal or electric applications including use of TPMS structures, piezoresistive material design based TO has not been much explored. Here, we develop a TO framework based on modified SIMP material models constructed using numerical homogenization of piezoresistive gyroid unit cells. These material models are used during optimization and are needed during the reconstruction phase of the tapered gyroid sensor topology. The sensor design was envisioned as a PDMS-Polypyrrole composite material and its properties were taken from earlier measurements. A sheet type gyroid geometry is chosen due to its advantages such as volume fraction tunability that is easily linked to density based TO and its manufacturability using additive manufacturing. Simulation models were built and analyzed using FEM in COMSOL Multiphysics 6.2 and the TO framework was applied to three different design categories targeting: 1) mechanical performance, 2) electrical performance, and 3), both criteria simultaneously via multi-criteria design studies. CAD models where generated by a MATLAB script.
Benzer Tezler
- Design, fabrication, and implementation of a low-cost piezoresistive force encoding sensor
Başlık çevirisi yok
ÖMER GÖKALP AKCAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Bilgi ÜniversitesiElektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
DOÇ. DR. YİĞİT DAĞHAN GÖKDEL
DR. ÖĞR. ÜYESİ ERAY A. BARAN
- Pressure probe with built-in temperature sensor and conductivity cell design and realization of the prototype
Sıcaklık sensörü ve iletkenlik hücresi gömülü basınç probu tasarımı ve prototipin gerçeklenmesi
İBRAHİM TÜFEKCİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiAdana Alparslan Türkeş Bilim ve Teknoloji ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MAHMUD YUSUF TANRIKULU
- A Piezoresistive pressure and temperature sensor cluster
Bir piezorezistif basınç ve sıcaklık duyargası modülü
ÖZGE ZORLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2002
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. TAYFUN AKIN
- Characterization and fabrication of MWCNTs pressure sensors for pressure ulcers monitoring
Bası yarası takibi için çok duvarlı karbon nanotüp (MWCNT) basınç sensörlerinin karakterizasyonu ve üretimi
ÖMER FARUK FIRAT
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiUnıversıty Of DelawareElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MARK MİROTZNİK
- Production of diamond-like carbon films and modelling of piezoresistance/optical properties
Elmas benzeri karbon filmlerin üretimi ve piezodirenç/optik özelliklerinin modellenmesi
ERAY HUMALI
Doktora
İngilizce
2025
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUHAMMET KÜRŞAT KAZMANLI