مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

بررسی رفتار دینامیکی میکروسکوپ نیروی اتمی براساس تئوری گرادیان کرنشی

نویسندگان
1 عضو مرکز سیستمها و فناوری های پیشرفته (CAST) ،دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه تهران
2 رئیس / مرکز سیستم‌ها و فناوری‌های پیشرفته دانشگاه تهران
3 استادیار دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه تهران
4 استادیار علوم مهندسی، دانشگاه تهران
چکیده
در این مقاله، رفتار دینامیکی میکروسکوپ نیروی اتمی بر اساس تئوری غیر کلاسیک گرادیان کرنشی مورد مطالعه قرار می‌گیرد. برای این منظور، میکروتیر میکروسکوپ نیروی اتمی و سوزن متصل به انتهای آن به صورت یک جرم متمرکز مدل‌سازی شده است. میکروتیر از طریق یک المان پیزوالکتریک متصل به انتهای گیردار تحریک شده و معادله مشتقات جزئی غیرخطی حاکم بر سیستم براساس تئوری اویلر-برنولی استخراج شده است با اعمال روش‌های جداسازی و گلرکین، به یک معادله دیفرانسیل معمولی تبدیل می‌شود. در بسیاری از مطالعات تجربی مشاهده شده است هنگامی که ابعاد سازه تا ناحیه میکرون و زیر میکرون کاهش ‌یابد، اثر اندازه در رفتار دینامیکی این میکرو ساختارها نقش پیدا می‌کند. تئوری کانتینیوم کلاسیک به خاطر چشم پوشی از اثر اندازه، دارای دقت پایینی در پیش‌بینی رفتار مکانیکی ابزارهای نانو می‌باشد، به همین دلیل دو تئوری کلاسیک و غیرکلاسیک در تحلیل رفتار دینامیکی میکروتیر دیدگاه متفاوتی دارند. در این مقاله، ناحیه پایداری میکروتیر به صورت تحلیلی و عددی به ‌دست آمده و با مقایسه نتایج مشخص گردید که این دو روش با هم تطابق دارند. تفاوت بین تحلیل‌های ارائه شده در رفتار دینامیکی میکروتیر توسط دو تئوری کلاسیک و غیرکلاسیک با رسم نمودارهای گوناگونی نشان داده شده است. مشخص می‌شود که در نظر گرفتن اثر اندازه، ماهیت مسئله دینامیکی را به کلی تغییر می‌دهد و ممکن است در حالیکه تئوری کلاسیک رفتاری پایدار برای میکروسکوپ پیش‌بینی می‌کند، اثر اندازه باعث وقوع پایداری دوگانه شود. نتایج به‌دست آمده در این مقاله برای طراحی و تحلیل میکروسکوپ-های اتمی بسیار کارا می‌باشند.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Dynamic Behavior Analysis of Atomic Force Microscope Based on Gradient Theory

نویسندگان English

Mohammad Ali mohammadi 1
Aghil Yousefi Koma 2
Morad Karimpour 3
Ehasn Maani Miandoab 4
چکیده English

In this paper, the dynamic behavior of atomic force microscope (AFM) based on non-classical strain gradient theory was analyzed. For this aim atomic force microscope micro-beam with attached tip has been modeled as a lumped mass. Micro-beam has stimulated via a piezoelectric element attached to the end of clamped and non-linear partial differential equation of the system has extracted based on Euler-Bernoulli theory and to be converted into ordinary differential equation by using Galerkin and separation method. The classic continuum theory because of lack of consideration size effect that has been observed in many experimental studies, has little accuracy in predicting the mechanical behavior of Nano devices. In this study, the stability region of micro-beam are determined analytically and validated by comparison with numerical results. Difference between presented analysis in dynamic behavior of micro-beam by classic and non-classic theories has been shown with variety of diagrams. It is clear that consideration the size effect changes the dynamical behavior of the problem completely and it is possible while classical theory predicts stable behavior for microscope the size effect is caused bi-stability. The results in this paper are very useful for the design and analysis of atomic force microscope.

کلیدواژه‌ها English

Micro-beam
Tip
Piezoelectric
Euler-Bernoulli
Galerkin
Strain gradient