Эффективное терморегулирование МЭМС-гироскопа на базе вращающегося диска при помощи водного нанораствора ZrO2 и модификации поверхности

МЭМС-гироскопы на базе вращающегося диска (МГВД) были разработаны для замены вибрационных гироскопов в электронных устройствах массового потребления. МГВД обладают высокой точностью, стабильностью и широким динамическим диапазоном при измерении параметров движения, стабилизации изображений и т.д. Вместе с тем для повышения их эксплуатационных характеристик и надежности, а также с целью уменьшить габариты, что обеспечит им конкурентные преимущества, необходимо их эффективное терморегулирование. Это остается актуальной проблемой, особенно при высоких тепловых нагрузках. Для улучшения тепловых характеристик МГВД рассматривается возможность применения наножидкостей, в частности водного раствора наночастиц диоксида циркония ZrO₂ пяти концентраций – 0,2%, 0,4%, 0,6%, 0,8% и 1%. Исследования проводились при пяти скоростях вращения. Дополнительно анализировалось влияние на теплоотдачу различных уровней шероховатости поверхности диска – 0,025, 0,05 и 0,1 (в безразмерной форме) и скоростей вращения и концентрации наночастиц. Согласно наблюдениям, наночастицы повышают теплоотдачу. При угловой скорости 1000 рад/с и концентрации наночастиц 1% максимальное повышение теплоотдачи составило примерно 27%. Шероховатость поверхности вне зависимости от ее уровня оказывает минимальное влияние: теплоотдача возросла всего на 0,31%. Различные показатели эффективности прибора представлены графически. Результаты настоящего исследования могут быть полезны для улучшения тепловых характеристик МГВД за счет применения наножидкостей и соответствующих угловых скоростей при высоких тепловых нагрузках – до 500 Вт/см² . Перечисленные методы способствуют миниатюризации компонентов и обеспечивают их конкурентоспособность на рынке электронных устройств широкого потребления.

1. Rahman, M.A., A Review on Semiconductors Including Applications and Temperature Effects in Semiconductors. [Online]. Available: http://asrjetsjournal.org/.

2. Zeng, H. and Zhao, Y., Sensing movement: Microsensors for body motion measurement, Sensors, 2011, vol. 11, no. 1. pp. 638–660, doi: 10.3390/s110100638.

3. Li, T.-H. S. and Chen, C.-C., Extended Kalman filter based hand-shake detector for optical image stabilization using a low cost gyroscope, IEEE Transactions on Consumer Electronics, 2013, vol. 59, no. 1, pp. 113–121, doi: 10.1109/TCE.2013.6490249.

4. Antonello, R. and Oboe, R., Exploring the Potential of MEMS Gyroscopes: Successfully Using Sensors in Typical Industrial Motion Control Applications, IEEE Industrial Electronics Magazine, 2012, vol. 6, no. 1, pp. 14–24, doi: 10.1109/MIE.2012.2182832.

5. Shan, C., Gesture Control for Consumer Electronics, Multimedia Interaction and Intelligent User Interfaces: Principles, Methods and Applications, C. and L. J. and E. M. Shao Ling and Shan, Ed., London: Springer London, 2010, pp. 107–128, doi: 10.1007/978-1-84996-507-1_5.

6. Premaratne Prashan, S. and P. M., and Ajaz, Hand Gesture Tracking and Recognition System for Control of Consumer Electronics, Advanced Intelligent Computing Theories and Applications. With Aspects of Artificial Intelligence, Y. and G. P. and G. M. M. Huang De-Shuang and Gan, Ed., Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2012, pp. 588–593.

7. Moon, J.-H. and Jung, S.Y., Implementation of an image stabilization system for a small digital camera, IEEE Transactions on Consumer Electronics, 2008, vol. 54, no. 2, pp. 206–212, doi: 10.1109/TCE.2008.4560076.

8. Zhanshe, G., Fucheng, C., Boyu, L., Le, C., Chao, L., and Ke, S., Research development of silicon MEMS gyroscopes: a review, Microsystem Technologies, Oct. 2015, vol. 21, no. 10, pp. 2053–2066, doi: 10.1007/s00542-015-2645-x.

9. Passaro, V.M.N., Cuccovillo, A., Vaiani, L., De Carlo, M., and Campanella, C.E., Gyroscope technology and applications: A review in the industrial perspective, Sensors (Switzerland), 2017, vol. 17, no. 10. MDPI AG, Oct. 21, doi: 10.3390/s17102284.

10. Tsai, N.C., Sue, C.Y., and Lin, C.C., Performance characterization of a decoupled tri-axis micro angular rate sensor, Microsystem Technologies, Feb. 2009, vol. 15, no. 2, pp. 235–249, doi: 10.1007/s00542- 008-0657-5.

11. Tsai, N.C., Liou, J.S., Lin, C.C., and Li, T., Design of micro-electromagnetic drive on reciprocally rotating disc used for micro-gyroscopes, Sens Actuators A Phys, Jan. 2010, vol. 157, no. 1, pp. 68–76, doi: 10.1016/j.sna.2009.10.019.

12. Qayoum, A., Gupta, V., Panigrahi, P.K., and Muralidhar, K., Perturbation of a laminar boundary layer by a synthetic jet for heat transfer enhancement, Int J Heat Mass Transf, Nov. 2010, vol. 53, no. 23–24, pp. 5035–5057, doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2010.07.061.

13. Qayoum, A., Gupta, V., Panigrahi, P. K., and Muralidhar, K., Perturbation of a laminar boundary layer by a synthetic jet for heat transfer enhancement, Int J Heat Mass Transf, 2010, vol. 53, no. 23–24, pp. 5035–5057, doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2010.07.061.

14. Yadav, P., Singh, B., Subedar, Kumar, S., Singh, S. P., and Singh, S.K., Performance Enhancement of a Hybrid Solar Still/Photovoltaic System with Mirror Reflectors, Automatic Water Cooling, and Feed Water Preheating, Russian Physics Journal, Jan. 2024, vol. 67, no. 1, pp. 62–69, doi: 10.1007/s11182-024-03089-1.

15. Sofi, A.Y. and Qayoum, A., Numerical Investigation of Thermo-Hydraulic Performance and Irreversibility Behaviour in a Pulsating Turbulent Flow Ribbed Duct, Arab J Sci Eng, 2024, vol. 49, no. 2, pp. 1515–1529, doi: 10.1007/s13369-023-07902-w.

16. Singh, S.P. and Hirwani, C.K., Effect of Nano Filler on the Mechanical, Thermal, and Free Vibration Behavior of a Jute Polymer Composite, Russian Physics Journal, Jan. 2024, vol. 67, no. 1, pp. 55–61, doi: 10.1007/s11182-024-03088-2.

17. Dilawar, M. and Qayoum, A., Performance evaluation of novel refrigerant mixtures in an air conditioning system using Al2O3 nanolubricant, J Therm Anal Calorim, 2023, vol. 148, no. 21, pp. 11929–11943, doi: 10.1007/s10973-023-12471-z.

18. Kamran, M. and Qayoum, A., Effect of ZnO nanofluids on thermo-hydraulic characteristic of flow in a heated duct, Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects, Dec. 2022, vol. 44, no. 4, pp. 10681–10693, doi: 10.1080/15567036.2022.2154871.

19. Yousuf Bhat, A. and Qayoum, A., Performance enhancement of Photovoltaic-thermal system using hybrid tubes: An assessment of thermodynamic and thermohydraulic efficiencies, Appl Therm Eng, 2023, vol. 230, p. 120652, doi: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2023.120652.

20. Zhang, H., Chen, N., Liu, X., Yin, L., and Li, H., Optimised geometry model for liquid-suspended miniature gyroscope, Micro Nano Lett, 2014, vol. 9, no. 8, pp. 548–551, doi: 10.1049/mnl.2013.0660.

21. Weng, R., Liu, X.W., and Zhang, H.F., Liquid-Suspended Rotor Gyroscope Multiphase Driving Technology, Key Eng Mater, 2013, vol. 562, pp. 296–301.

22. Wang, C., Feng, R., Chu, Y., Tan, Q., Xing, C., and Tang, F., Simulations of the Rotor-Stator-Cavity Flow in Liquid-Floating Rotor Micro Gyroscope, Micromachines (Basel), Apr. 2023, vol. 14, no. 4, doi: 10.3390/mi14040793.

23. Syam Sundar, L., Experimental study on the thermophysical properties, heat transfer, thermal entropy generation and exergy efficiency of turbulent flow of ZrO2 -water nanofluids, Alexandria Engineering Journal, Feb. 2023, vol. 65, pp. 867–885, doi: 10.1016/j.aej.2022.10.001.

24. Dorfman, L.A., Flow and heat transfer in a film of viscous liquid on a rotating disk, Journal of Engineering Physics, 1967, vol. 12, no. 3, pp. 162–166, doi: 10.1007/BF00829711.