• 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