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.‏

1396/09/13

10/22/2017 12:00:00 AM

Atomic force microscopy (AFM) has been known as an innovative tool in the fields of ‎surface topography, determination of different mechanical properties and manipulation of ‎particles at the micro- and nanoscales. Micro-cantilever (MC) and probe are two main ‎components of this micro-robot. The dimensions of these components in terms of micro scale ‎and vibration amplitude have been provided in nanoscale. It is greatly important to improve ‎the system performance in higher vibration modes by increasing the accuracy of micro and ‎nanoscale modeling with regard to the variable cross-section along with the effect of the ‎probe on the vibration behavior of AFM piezoelectric MC and MC modeling based on the ‎Timoshenko beam theory using modified couple stress (MCS) method. That’s because micro- ‎and nanoscale methods of classical continuum mechanics cannot properly predict the system ‎behavior and need to be improved. AFM applications in different operating environments ‎require eva​luating the effect of different environments on the vibration behavior of the ‎system. The eva​luation of these environments requires examining the forces exerted on the ‎MC by the environment and sample surface with different roughness levels. Moreover, ‎consideration of different geometries of AFM piezoelectric MC is of utmost importance to ‎select the most appropriate geometry for the more accurate topography of the environment. ‎Besides, it is necessary to investigate the effect of dimensions on the sensitivity of vibration ‎amplitude and frequency of the system using sensitivity analysis methods in order to select ‎appropriate MC dimensions including thickness, width and length of different MC layers ‎such as silicon, piezoelectric and electrode layers. ‎ The present study intended to not only increase the accuracy of modeling with regard ‎to geometric discontinuities based on Timoshenko Beam Model using MCS theory but also ‎increase the accuracy of the prediction of system behavior by integrating the effect of ‎hysteresis into vibration equations of the system based on Bouc-Wen Model. The vibration ‎equations of the system based on GDQ method is faster than equations based on FEM in ‎terms of the convergence of response i.e. the results converge with a fewer number of ‎elements. Discrete equations have been solved using Newmark algorithm and Laplace ‎transforms in the free and forced vibration modes of AFM piezoelectric MC. The surface ‎roughness affects the vibration behavior of the system in an air medium. The present study ‎has also investigated the effect of surface roughness along with probe-tip roughness on van ‎der Waals force for different materials in the air and vacuum media. Moreover, the ‎development of capillary force was eva​luated by calculating the radius of Meniscus Bridge ‎formed between the probe tip and sample surface based on the instantaneous variation of the ‎probe-sample gap; accordingly, a new model was developed by establishing a connection ‎between Meniscus Bridge formation and probe-to-sample gap. Furthermore, the probe-sample ‎contact force was modified using contact mechanics theory. The expansion of the operating ‎environment to liquid medium with respect to different AFM piezoelectric MC geometries ‎including rectangular, dagger and V-shape geometries has also been sought in the present ‎study to select the most appropriate geometry for more accurate topography in a liquid ‎medium. In this regard, in addition to ordinary environmental forces such as compressive ‎hydrodynamic forces and squeeze forces applied in previous studies, the fluid shear forces on ‎MC sides were developed in the present study by solving Navier-Stokes equations and were ‎added to the other equations. ‎ Finally, the speed of solving the equations was increased by performing sensitivity ‎analysis based on EFAST method. Investigating the coupling effect of geometric and force ‎parameters on the amplitude and frequency of the system increased and eliminating low-‎effect parameters. Furthermore, the results of the simulation were compared with ‎experimental results by performing experimental tests in different operating environments ‎including air and vacuum media with different percentages of moisture content and liquid. ‎The experimental tests performed in the free vibration mode including frequency and time ‎response as well as the forced mode comprises sample surface topography and its effect on ‎the vibration amplitude of AFM micro-robot. Moreover, the quality and accuracy of sample ‎surface topography were improved by eliminating the undesirable effect of the capillary force. ‎