Modelagem matemática e análise teórico experimental do encapsulamento de sensor piezoresistivo

Abstract

Este trabalho apresenta três concepções de encapsulamento para sensores baseados no efeito piezoresistivo que foram fabricados com a utilização de materiais simples e baratos, como acetal, alumínio e aço inox através de processos de fabricação não automatizado. A concepção 1 e concepção 2 são de dispositivos sensores de peça única enquanto a concepção 3 é de membrana circular fixada por parafusos. Foi utilizado a metodologia de pesquisa para Projeto de Desenvolvimento de Produto (PDP), onde cada concepção com seu respectivo material foi projetada e modelada em Software 3D, assim como, para as bancadas de pneumática e de hidráulica necessárias para a realização dos testes experimentais. A modelagem matemática da tensão mecânica e deslocamento mecânico máximo é descrita de forma analítica e determinada computacionalmente. Os cálculos analíticos foram baseados nas equações de vaso de pressão de paredes finas para a concepção 1 e nas equações das placas circulares com bordas fixadas para a concepção 2 e concepção 3. As tensões mecânicas foram comparadas com os resultados da simulação computacional e com o cálculo analítico oriundo das equações que definem cada uma das concepções. O deslocamento mecânico máximo foi realizado através de comparações entre os cálculos analíticos, simulação computacional e testes experimentais. O resultado da comparação de cada concepção resultou que, para a tensão mecânica, o percentual de erro das equações analíticas em relação a simulação computacional foi de 5,8 % para a concepção 1, 19,5 % para a concepção 2 e 28,3 % para a concepção 3. Para o deslocamento mecânico máximo o índice foi de 11,8 % para a concepção 1, 36,7 % para a concepção 2 e de 25,3 % para a concepção 3. A realização da medição da resistência elétrica em intervalos pré-definidos de pressão, através de multímetro digital com 6 ½ dígitos, com um coeficiente de segurança estipulado de 1,5, para cada concepção e material resultaram que o acetal na concepção 1 teve uma excelente variação da resistência elétrica enquanto que, na concepção 2, praticamente não variou. O alumínio AA6351-T6 teve uma boa variação na resistência elétrica em todas as concepções, porém o inox, tanto o 304L como o 430 tiveram baixa variação nestes valores em todas as concepções. Dentre todos os dispositivos sensores fabricados validou-se os melhores em relação a sua concepção e material, dentro da sua faixa de pressão.