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

كارشناسي ارشد

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

191069

دانشگاه علم و صنعت ايران

طراحي كاربردي

دكتر محرم حبيب نژاد كواريم