16552

16552

بررسي سه‌بعدي حركت ارتعاشي ميكروكانتيلور پيزوالكتريك AFM در مود دامنه با در نظر گرفتن tip در مجاورت سطح در محيط‌هاي كاري و هندسه‌هاي مختلف كانتيلور

كارشناسي ارشد

طراحي كاربردي - مكاترونيك

آبان 1395

دكتر محرم حبيب نژاد كورايم

مكانيك

شناخت رفتار ديناميكي AFM به‌عنوان ابزاري قدرتمند براي تصويربرداري و بررسي توپوگرافي سطوح در مدهاي كاري مختلف دستگاه AFM براي بهبود عملكرد آن از اهميت ويژه‌اي برخوردار است. يك روش مناسب به¬منظور نزديك شدن به شرايط آزمايشگاهي، شبيه‌سازي سه‌بعدي با استفاده از نرم‌افزار المان محدود و حل عددي آن است. در اين پايان‌نامه به مدل‌سازي و شبيه‌سازي ديناميكي هندسه‌هاي مستطيلي، خنجري و V شكل ميكروكانتيلور پيزوالكتريك AFM با دولايه الكترود در محيط هوا و مايع پرداخته‌شده است. براي درك بهتر ديناميك سيستم به معادلات ديناميكي ميكروكانتيلور چندلايه پرداخته‌شده و به‌منظور مدل‌سازي كانتيلور AFM از فرضيات تير اويلر برنولي استفاده‌شده است. جهت مدل‌سازي ميكروكانتيلور از اصل هميلتون و به‌منظور گسسته سازي آن از روش المان محدود استفاده‌شده است. در حالت سه‌بعدي ميكروكانتيلور پيزوالكتريك با در نظر گرفتن نيروهاي پراب و نمونه با استفاده از نرم‌افزار المان محدود كامسول شبيه‌سازي‌شده و نتايج پاسخ فركانسي و زماني استخراج‌شده است. توپوگرافي سطوح مختلف در مد ضربه‌اي و غير تماسي در حضور ناهمواري‌هاي مختلف صورت گرفته و با نتايج آزمايشگاهي و تئوري مقايسه شده است. همچنين تأثير پارامترهاي هندسي مختلف تير بر توپوگرافي سطوح و پاسخ فركانسي بررسي‌شده و مناسب¬ترين ابعاد توپوگرافي براي هر سه هندسه تير به‌دست‌آمده است. به‌منظور بررسي اثر ابعاد سوزن، شبيه‌سازي براي هندسه‌هاي مختلف سوزن صورت گرفته و نتايج پاسخ فركانسي و زماني آن‌ها باهم مقايسه شده است. همچنين تأثير جابجايي سوزن بر پاسخ فركانسي در طول‌هاي مختلف كانتيلور بررسي‌شده است. تست‌هاي آزمايشگاهي به‌منظور بررسي صحت نتايج شبيه‌سازي با استفاده از دستگاه AFM در مدهاي كاري و رطوبت¬هاي مختلف انجام‌شده است. شبيه‌سازي در محيط مايع در محفظه آكوستيك و با استفاده از فضاي FSI صورت گرفته است و نتايج محيط هوا و مايع با يكديگر مقايسه شده‌اند. تأثير چگالي و ويسكوزيته سيال بر روي ارتعاشات كانتيلور غوطه‌ور در محيط مايع بررسي‌شده است. توپوگرافي‌هاي انجام‌شده در حالت تئوري و تجربي در غالب محيط‌هاي متفاوت، هندسه‌ها و سطوح ناهموار مختلف باهم مقايسه شده‌اند و بهينه‌ترين ابعاد در هر حالت به‌منظور تهيه تصاويري باكيفيت بالا مشخص‌شده‌اند. در محيط مايع به‌منظور جلوگيري از آسيب ديدن كانتيلور تحت اثر نيروي فيلم فشردگي در نزديكي سطح كانتيلور به‌صورت مايل نصب مي¬شود. تأثير زاويه كانتيلور بر توپوگرافي سطوح و پاسخ زماني سيستم موردبررسي قرارگرفته است. واژه‌هاي كليدي: ميكروسكوپ نيروي اتمي (AFM)، ميكروكانتيلور پيزوالكتريك، المان محدود، كامسول، توپوگرافي

1395/11/18

1/1/1900 12:00:00 AM

Understanding the dynamic behavior of Atomic Force Microscope (AFM) as a powerful instrument for imaging an​d investigation of surface topography at different AFM workspace, to improve its performance is of a particular importance. 3D numerical method is suitable in order to simulate experimental conditions. This thesis has investigated modeling an​d dynamic simulation of rectangular, Dagger an​d V-shaped geometries of AFM piezoelectric micro--cantilever (MC) with two electrode layers in the air an​d liquid environment. For a better understanding of the system dynamic, multi-layer MC dynamic equation has been derived. Euler-Bernoulli beam theory has been used for modeling the AFM cantilever. Hamilton’s principle has been used for the MC modeling an​d the Finite Element Method (FEM) has been applied for its discretization. In 3D, with respect to the tip-sample forces piezoelectric MC has been simulated via the COMSOL software. The frequency an​d time responses have been also investigated. The topographies have been performed on different surfaces with various roughnesses types in the tapping an​d non-contact mode. The results of these two methods have been compared with experimental results. Moreover, the effects of MC geometrical parameters on surfaces topography an​d frequency responses have been studied an​d optimal dimensions of topographies have been obtained for each of the beam geometries. Simulations of various tip geometries have been performed in order to examine the effects of tip dimensions on the frequency an​d time responses. Furthermore, the effect of tip displacement on the frequency response has been investigated for different MC lengths. Experimental tests have been performed using AFM in order to verify the simulation results. The simulation in the liquid environment has been developed in acoustic chamber using the FSI domain. The results of the air an​d liquid environment have been compared with each other. The effects of fluid’s density an​d viscosity are immersed in the liquid on the Mc vibrations have been investigated. The topographies have been compared in various environment, different geometries an​d roughnesses by theoretical an​d experimental method an​d the most optimal dimensions in each case in order to take high quality images. Keywords: AFM, Piezoelectric Micro-cantilever, FEM, COMSOL, Topography