16694

16694

آناليز حساسيت ارتعاشات ميكروتيرك AFM به روش المان محدود در محيط هاي كاري مختلف در مود ضربه اي

كارشناسي ارشد

طراحي كاربردي، مكاترونيك

آبان 1395

دكتر محرم حبيب نژاد كورايم

مكانيك

ميكروسكوپ نيروي اتمي (AFM) به ابزاري قدرتمند و پيشتاز در علم نانوتكنولوژي تبديل شدهاست كه قادر به تصويربرداري از سطوح رسانا و نارسانا با تفكيك مكاني اتمي مي‌باشد. اين پاياننامه به بررسي و تحليل رفتار ارتعاشي ميكروكانتيلور پيزوالكتريكAFM ، با سطح مقطع مستطيلي، در محيطهاي كاري مختلف ميپردازد. تحليل رفتار ارتعاشي AFM در مود ديناميكي كه شامل مود غيرتماسي و مود ضربهاي مي‌باشد، انجام شدهاست. جهت مدل‌سازي ميكروكانتيلور، تئوري تير تيموشنكو ، بهكار گرفته شده و ميكروكانتيلور با در نظر گرفتن ناپيوستگيهاي هندسي، با استفاده از اصل هميلتون مدلسازي شدهاست و گسستهسازي معادلات حركت با استفاده از روش المان محدود انجام شدهاست. ديناميك اين سيستم تحت تأثير نيروهاي تداخلي بين نوك پراب و سطح نمونه شامل نيروهاي واندروالس ، مويينگي و تماسي ميباشد. در محيط مايع نيز مدلسازي بر اساس تغييرات ناشي از تاثير وجود سيال در اطراف ميكروكانتيلور انجام شدهاست. نتايج شبيهسازي نشان ميدهند كه در محيط هوا نيروهاي بين سطح نمونه و پراب، نه تنها باعث كاهش دامنه ميشوند، بلكه باعث كاهش فركانس تشديد نيز ميگردند. همچنين نتايج توپوگرافي سطح نشان مي‌دهد كه رفتار ميكروكانتيلور پيزوالكتريك در توپوگرافي سطح نمونه در مودهاي نوساني بالاتر و علي‌الخصوص مود ضربهاي به نسبت مود غيرتماسي بهبود يافته، تاخير زماني كاهش مييابد و شكل دقيقتري از ناهمواري را نشان ميدهد. در محيط مايع نشان داده شدهاست، با كاهش فاصله ميكروكانتيلور تا سطح نمونه، به دليل شدت گرفتن نيروي فشردگي سيال، دامنه ارتعاشي و فركانس ميكروكانتيلور كاهش مييابد. همچنين حساسيت حركت ارتعاشي ميكروكانتيلور زاويهدار نسبت به نيروي فشردگي به علت كاهش مقدار اين نيرو كاهش مييابد و افزايش طول پراب، كاهش نيروي فشردگي را به همراه دارد كه اين امر در افزايش دامنه حركت ارتعاشي تاثير گذار مي‌باشد. در بررسي حركت ارتعاشي ميكروكانتيلور در محيط مايع، نيروي برشي وارد به كانتيلور نيز مورد بررسي قرار گرفته است و مشاهده شدهاست با در نظر گرفتن اين نيرو، مقدار دامنه و فركانس كاهش يافته است. نتايج شبيهسازي توپوگرافي در محيط مايع در مود دامنه، نشانگر كاهش تاخير زماني نسبت به محيط هوا ميباشد. به منظور بررسي ميزان حساسيت حركت ارتعاشي ميكروكانتيلور به تغيير پارامترهاي هندسي و ثوابت نيرويي، آناليز حساسيت انجام شده است. نتايج آناليز حساسيت نشان ميدهد تاثيرگذارترين پارامتر بر دامنه و فركانس، طول ميكروكانتيلور ميباشد. در اولين مود، طول قسمت اول ميكروكانتيلور بيشترين تاثير را بر دامنه، عمق توپوگرافي و تاخير زماني دارد. در حالي كه در مود دوم بيشترين تاثير مربوط به طول نوك ميباشد. بعلاوه نتايج حاكي از آن است كه ميزان تاثير فاصلهي تعادلي بر دامنه نسبت به ديگر ثوابت نيرويي بيشتر ميباشد كه با افزايش رطوبت ميزان تاثير آن بيشتر ميشود.

1395/11/30

1/1/1900 12:00:00 AM

Atomic force microscopy (AFM) is considered as a powerful an​d leading tool in the nanotechnology, which is capable of imaging from conductive an​d non-conductive surfaces with atomic local separation. This thesis investigates the AFM piezoelectric micro-cantilever vibrational behavior with rectangular cross-section in different environments. Vibrational behavior analysis of AFM in dynamic mode which is consisted of non-contact an​d tapping modes is done. Timoshenko’s beam theory is used for modeling an​d Micro-cantilever has been modeled by using Hamilton’s principle with considering geometrical discontinuities an​d in order to discrete equations of motion, finite element method is used. The dynamic of this system is affected by internal forces between probe tip an​d sample surface, including Van der Waalse, Capillary an​d contact forces. Also in liquid environment, the simulation is done according to the changes caused by fluid presence around the micro-cantilever. Simulation results showed that in air environment, the tip-sample forces caused the reduction in amplitude an​d in resonant frequency, too. The surface topography results showed that piezoelectric micro-cantilever behavior in the sample surface topography in higher modes an​d specially in the tapping mode than the non-contact mode is improved, time delay decreased an​d showed a more accurate figure of roughness.In fluid environment with the reduction of micro-cantilever gap, because of intensifying fluid squeeze force, the vibrational amplitude an​d micro-cantilever frequency decreased an​d also vibrational behavior Sensitivity of the angular micro-cantilever than the squeeze force is decreased because of the reduction of this force an​d increasing the probe length leads to decrease in the squeeze force; consequently, it has an effect on increasing the vibrational amplitude. In investigation of micro-cantilever vibrational behavior in liquid environment, also the shear force on micro-cantilever is studied an​d observed that amplitude an​d frequency are decreased with cosidring this force. Topography simulation results in liquid environment in amplitude mode, showed time delay reduction than the air environment. In order to investigation of micro-cantilever vibrational behavior sensitivity than the geometrical parameters chenges, sensitivity analysis is done. Results of sensitivity analysis showed that the most effective parameter on amplitude an​d frequency is the length of micro-cantilever. In the first mode, micro-cantilever first section length has the most effect on amplitude, topography depth an​d time delay while in the second mode the greatest effect is related to the tip length. Also the result showed that the effect of equilibrium distance on the micro-cantilever amplitude is more than the other constant that its effect is greater with increasing moisture.