عنوان
تجزيه و تحليل حركت ديناميكي ميكرو ربات AFM در محيط هوا و مايع در حضور نيروهاي بين سطح نمونه و پراب
نويسنده اصلي
عليرضا حبيب نژاد كورايم
مقطع تحصيلي
دكتري
چكيده
ميكروسكوپ نيروي اتمي به‌عنوان ابزاري قدرتمند و نوين در زمينه عكس‌برداري از سطوح، تعيين مشخصات مكانيكي مواد و جابجايي ذرات در مقياس نانو شناخته مي‌شود. ميكروكانتيلور و پراب دو جزء اصلي اين ميكرو ربات مي‌باشند، ابعاد اين اجزاء در حوزه ميكرو و دامنه نوساني آن در مقياس نانومتر هست. افزايش دقت مدل¬سازي در مقياس ميكرو و نانو با در نظر گرفتن سطح مقطع متغير به همراه در نظر گرفتن اثر پراب در رفتار ارتعاشي ميكروكانتيلور پيزوالكتريك AFM و مدل¬سازي ميكروكانتيلور به كمك تئوري تيموشنكو با استفاده از روش تنش كوپله اصلاح‌شده در مودهاي ارتعاشي بالاتر از اهميت فراواني در بهبود عملكرد سيستم برخوردار مي‌باشد. زيرا، روش¬هاي مكانيك محيط پيوسته كلاسيك در ابعاد ميكرو و نانو نمي‌تواند بخوبي رفتار سيستم را پيش‌بيني نمايد و نياز به اصلاح دارند. كاربرد AFM در محيط¬هاي كاري مختلف لزوم بررسي اثر محيط¬هاي مختلف بر رفتار ارتعاشي سيستم را افزايش مي‌دهد. مطالعه اين محيط‌ها نيازمند به مطالعه نيروهاي اعمالي از جانب محيط و سطح نمونه با زبري‌هاي متفاوت به ميكروكانتيلور مي‌باشد. علاوه براين، در نظر گرفتن هندسه‌هاي متفاوت ميكروكانتيلور پيزوالكتريك AFM جهت انتخاب هندسه مناسب جهت توپوگرافي با دقت بيشتر در محيط حائز اهميت مي‌باشد. همچنين، جهت انتخاب ابعاد مناسب ميكروكانتيلور كه شامل ضخامت، پهنا و طول لايه¬هاي مختلف ميكروكانتيلور شامل بستر سيليكوني، پيزوالكتريك و الكترودها مي¬باشد، نيازمند به مطالعه تأثير ابعاد بر حساسيت دامنه و فركانس ارتعاشي سيستم با استفاده از روش¬هاي آناليز حساسيت مي‌باشد.
در اين رساله، در كنار افزايش دقت مدل¬سازي با درنظر گرفتن ناپيوستگي‌هاي هندسي بر اساس مدل تير تيموشنكو با بهره‌گيري از تئوري تنش كوپله اصلاح‌شده، با ادغام اثر هيسترزيس مطابق مدل باك_ون به معادلات ارتعاشي سيستم، دقت پيش¬بيني رفتار سيستم افزايش داده‌شده است. معادلات ارتعاشي سيستم به روش مربعات ديفرانسيلي تعميم‌يافته GDQ كه از لحاظ سرعت همگرايي جواب در مقايسه با روش المان محدود به‌مراتب سريع‌تر مي‌باشد و با تعداد المان كمتر، نتايج همگرا مي‌شوند. معادلات گسسته¬سازي شده، با استفاده از الگوريتم نيومارك و تبديلات لاپلاس در حالت ارتعاش آزاد و اجباري ميكروكانتيلور پيزوالكتريك AFM حل گرديده است. در محيط هوا زبري سطوح بر رفتار ارتعاشي سيستم تأثيرگذار مي‌باشد. در نظر گرفتن زبري سطح به همراه زبري نوك پراب كه بر روي نيروي واندروالس تأثير مي¬گذارد، در محيط هوا و خلأ براي مواد مختلف از ديگر اهداف رساله مي‌باشد. همچنين، توسعه نيروي مويينگي با محاسبه شعاع پل هلالي تشكيل‌شده بين نوك پراب و سطح نمونه بر اساس تغيير لحظه¬اي فاصله بين پراب و سطح نمونه مورد بررسي قرارگرفته شده و مدل جديدي با استفاده از ايجاد ارتباط ميان تشكيل پل هلالي و فاصله پراب تا سطح نمونه ايجاد گرديد. علاوه بر اين با بهره‌گيري از تئوري مكانيك تماس، نيروي تماسي ميان پراب و سطح نمونه اصلاح گرديد. گسترش محيط كاري به محيط مايع به همراه در نظر گرفتن هندسه¬هاي متفاوت ميكروكانتيلور پيزوالكتريك AFM شامل هندسه مستطيلي، خنجري و V-شكل جهت انتخاب هندسه مناسب جهت توپوگرافي با دقت بيشتر در محيط مايع هدف رساله مي¬باشد. در اين راستا علاوه بر نيروهاي محيطي معمول شامل نيروي هيدروديناميكي فشاري و لايه فشرده كه در ساير كارهاي گذشته صورت گرفته است، نيروي برشي ناشي از سيال بر جناحين ميكروكانتيلور با استفاده از حل معادلات ناوير استوكس توسعه داده شد و به معادلات اضافه گرديد.
در پايان با انجام آناليز حساسيت به روش اي¬فست، بررسي اثر كوپل پارامترهاي هندسي و نيرويي بر فركانس و دامنه سيستم و حذف پارامترهاي كم اثر سرعت حل معادلات افزايش داده شد. همچنين، با انجام تست¬هاي آزمايشگاهي در محيط‌هاي مختلف شامل محيط خلأ، هوا با درصد رطوبت¬هاي مختلف و مايع، نتايج حاصل از شبيه‌سازي با نتايج تجربي مورد مقايسه قرار گرفت. تست¬هاي آزمايشگاهي انجام شده در حالت ارتعاش آزاد شامل پاسخ فركانسي و زماني، و در حالت اجباري علاوه بر موارد فوق شامل توپوگرافي سطح نمونه و تأثير آن بر دامنه ارتعاشي ميكرو ربات AFM مي‌باشد. همچنين با حذف اثر نامطلوب نيروي مويينگي بر كيفيت و دقت توپوگرافي سطح نمونه افزوده شد.
شماره ركورد
190507
دانشگاه
دانشگاه علم و صنعت ايران
استاد مشاور
دكتر شاهرخ حسيني هاشمي
رشته تحصيلي
طراحي كاربردي
استاد راهنما
دكتر محرم حبيب نژاد كورايم