Simulação computacional e uso de métodos analíticos para posicionamento de elementos sensores Piezoresistivos de Grafite em Substrato Polimérico

Abstract

Esta tese apresenta o melhor posicionamento de piezoresistores de gra te em substrato polim érico, visando a máxima sensibilidade do elemento sensor projetado, por comparação com a simulação computacional e o método analítico. O gra te é usado como componente de detecção, onde as marcas de lápis são desenhadas diretamente sobre o papel, procedimento conhecido como graphite on paper, sendo uma técnica de baixo custo. A simulação computacional, usando o método dos elementos nitos, visa encontrar a região de maior tensão mecânica de uma viga engastada livre em uma extremidade, quando uma pressão é aplicada. As etapas para a simulação são a de nição da geometria, geração da malha, inclusão das propriedades do material e execução da simulação. As simulações do elemento sensor são apresentadas de acordo com as camadas: papel, papel e gra te, e papel, gra te e epóxi. A modelagem matemática da tensão mecânica e de exão máxima é descrita de forma analítica e determinada computacionalmente. Os cálculos analíticos foram comparados com a simulação computacional usando o método dos elementos nitos. A análise realizada para o elemento sensor de papel indica que a posição ideal deve ser a 0,4591 mm do engaste da viga no sentido horizontal e a 5 mm no sentido vertical, no meio da viga. Neste local, a tensão mecânica máxima apresenta magnitude de 1,091E10 N=m2 mostrando que o piezoresistor é mais sensível aos pequenos esforços mecânicos, garantindo uma ótima sensibilidade aos sensores fabricados. A análise realizada para o elemento sensor de papel e gra te, mostrou um comparativo entre as posições longitudinal e transversal indicando que as simulações computacionais para a viga localizada a 2,82 mm do engaste, na qual é possível a deposição manual do lme de gra te, apresenta uma tensão mecânica máxima de 1,578E10 N=m2 na posição longitudinal, e 1,679E10 N=m2 na posição transversal. Os resultados para o elemento sensor completo com as três camadas: papel, gra te e epóxi mostraram uma maior tensão mecânica para o piezoresistor da viga a 2,82 mm do engaste com uma tensão mecânica máxima de 2,849E10 N=m2 na posição longitudinal e 1,732E10 N=m2 na posição transversal. Estes resultados são extremamente importantes, pois de nirão a melhor posição para deposição de lme de gra te em futuras fabricações de dispositivos sensores.