18698

۱۸۶۹۸

مدل‌سازي و كنترل ميكروكانتيليور پيزوالكتريك AFM با استفاده از تئوري تنش كوپله اصلاح شده در محيط هوا و مايع

كارشناسي ارشد

طراحي كاربردي

اسفند ۱۳۹۶

دكتر محرم حبيب نژاد كواريم

مكانيك

امروزه ميكروربات‌ها مبتني بر ميكروسكوپ نيرواتمي به عنوان ابزاري پركاربرد در بررسي سطح مواد و جابجايي ذرات در مقياس نانومتر شناخته مي‌شوند. ميكروكانتيلور درAFM مهمترين بخش اين دستگاه مي‌باشد. بنابراين تحليل ديناميكي و ارتعاشي و كنترل اين قسمت مهم از دستگاه ميكروسكوپ نيرواتمي جهت دستيابي به عملكرد بهينه امري ضروري است. كمك به بهينه سازي عملكرد اين سيستم، سبب افزايش سرعت نمونه گيري و نيز دقت و كيفيت بالاتر تصاوير حاصله مي‌گردد و در نتيجه به بيشتر شدن شناخت از دنياي نانو كمك مي¬كند. ميكروكانتيلورهاي پيزوالكتريك، نسبت به ميكروكانتيلورهاي معمولي ضمن ساده‌تر و كم هزينه تر بودن از سرعت و دقت بيشتري برخوردار مي‌باشند. به منظور مدلسازي ميكروكانتيلور دستگاه ميكروسكوپ نيرواتمي در محيط‌هاي كاري متفاوت بايد به اين نكته توجه كرد كه هر محيط نيروهاي خاص خود را دارد و اين نيروها رفتار سيستم را تحت تاثير قرار مي‌دهند. اين دستگاه در سه مود تماسي ، ضربه‌اي و غير تماسي كار مي‌كند. در مود غيرتماسي، ميكروكانتيلور با ارتعاش توسط لايه پيزوالكتريك به سطح نمونه نزديك و همين امر باعث مي‌شود در مقايسه با مودهاي تماسي و ضربه‌اي آسيب كمتري به سطح نمونه وارد شود. اين پژوهش به مدلسازي و كنترل حركت ارتعاشي ميكروكانتيلور پيزوالكتريك در محيط هوا و مايع در مود غيرتماسي مي‌پردازد. به اين منظور از تئوري تير تيموشنكو و تئوري تنش كوپله اصلاح شده به منظور مدلسازي ارتعاشي ميكروكانتيلور چهار لايه استفاده شده است. ميكروكانتيلور مدلسازي شده شامل دو لايه الكترود و يك لايه پيزوالكتريك است كه ناپيوستگي‌هاي هندسي بواسطه اين لايه‌ها و تغيير سطح مقطع ميكروكانتيلور در اتصال پراب به ميكروكانتيلور، مدل شده است. با استفاده از اصل هميلتون معادلات حركت استخراج، و به منطور گسسته سازي اين معادلات از روش المان محدود استفاده شده است. در ادامه پاسخ فركانسي و زماني سيستم در حالت ارتعاش آزاد و اجباري در محيط‌هاي كاري مختلف با نتايج تجربي و مدلسازي هاي مختلف مورد مقايسه قرار گرفته است. همچنين توپوگرافي سطح نمونه در مود غير تماسي در محيط‌هاي كاري مختلف، در گذر از ناهمواري مستطيلي و گوه بررسي شده است. در قسمت كنترل به دليل عدم قطعيت‌ها در مدلسازي سيستم از روش كنترل مقاوم فازي-مود لغزشي استفاده و نتايج با كنترلر مود لغزشي ساده و PID مقايسه شده است. لازم به توضيح است در حالت دور از سطح ميكروكانتيلور توسط لايه پيزوالكتريك و در حالت نزديك سطح توسط تحريك پايه كنترل مي‌شود. روش كنترل فازي-مود لغزشي ارائه شده در اين پايان‌نامه چترينگ را در كنترل مودلغزشي در محيط هوا و مايع كاهش داده و نتايج را بهبود بخشيده است. واژه‌هاي كليدي: ميكروسكوپ نيرو اتمي، مدل تير تيموشنكو، تئوري تنش كوپله اصلاح شده، المان محدود، كنترل فازي-مودلغزشي

1397/01/29

4/15/2018 12:00:00 AM

This thesis is aimed at finding out the relation between the vibration motion and control of an Atomic force microscope (AFM) piezoelectric microcantilever (MC) for free and forced vibration in the amplitude mode in the air environment. Nowadays, microrobots based on AFM are widely used as tools for studying the level of materials and displacement of particles in a nanometer scale. In fact, The MC is the most important component of AFM, performing the most vital operations. Hence, the dynamic analysis and control of the MC are mandatory to obtain optimal performance. Enhancing the optimization of this system increases the sampling rate as well as the accuracy and resolution of the obtained images. MCs with a piezoelectric layer possess higher speed and accuracy compared to conventional MCs which are simpler and less expensive. In order to model the MC in different working environments, it should be noted that each environment has its own forces and these forces affect the behavior of the system. AFM works in three modes, tapping mode, cantact mode and non-contact mode. In a non-contact mode, the MC is close to the surface of the sample by a piezoelectric layer vibration, which results in less contact with the contact modes and less damage to the sample surface. This dissertation deals with the modeling and control of piezoelectric MC vibratory motion in the air and liquid environment in a non-contact mode. In this regard, the theory of Tymoshenko beam and the modified couplE stress theory (MCS) have been used to model the vibrational four-layer MC. In the MC vibration modeling, the Timoshenko beam model based on the modified couple stress (MCS) theory is used. Next, using the Hamilton’s principle, the motion equations of the system are derived by considering the geometric discontinuities as a result of the piezoelectric layer and two electrode layers. These equations are solved by using the finite element method and the frequency and time responses of the system at different distances from the sample surface are obtained and compared with experimental results in both air and liquid environment. In addition, the topography of a sample surface in the noncontact mode when the MC passes through rectangular and wedge-shaped roughnesses in the first and second vibration modes has been investigated. Moreover, the fuzzy-sliding mode control, which is a robust control method, is employed due to uncertainties when modeling the system and the results are compared with those of the simple sliding mode and PID control methods. For the cases of far from the surface and close to it, the MC is excited by the piezoelectric layer and piezo stack base, respectively. The proposed fuzzy-sliding mode control can properly reduce chattering in the sliding mode control and as a result, improves the results. Keywords – Atomic force microscope; Timoshenko beam; modified couple stress theory; finite element method; fuzzy-sliding mode control