آقای علیرضا حبیب نژاد کورایم دانشجوی دکتری آقایان دکتر شاهرخ حسینی هاشمی و  دکتر محرم حبیب نژاد روز دوشنبه 96/07/24 از رساله دکتری خود تحت عنوان "تجزیه و تحلیل حرکت دینامیکی میکرو ربات AFM در محیط هوا و مایع در حضور نیروهای بین سطح نمونه و پراب" دفاع خواهد کرد. این جلسه ساعت 17  روز دوشنبه در آمفی تاتر دانشکده مهندسی مکانیک برگزار می گردد.

چکیده:

میکروسکوپ نیروی اتمی به‌عنوان ابزاری قدرتمند و نوین در زمینه عکس‌برداری از سطوح، تعیین مشخصات مکانیکی مواد و جابجایی ذرات در مقیاس نانو شناخته می‌شود. میکروکانتیلور و پراب دو جزء اصلی این میکرو ربات می‌باشند، ابعاد این اجزاء در حوزه میکرو و دامنه نوسانی آن در مقیاس نانومترهست. افزایش دقت مدل­سازی در مقیاس میکرو و نانو با در نظر گرفتن سطح مقطع متغیر به همراه در نظر گرفتن اثر پراب در رفتار ارتعاشی میکروکانتیلور پیزوالکتریک AFM و مدل­سازی میکروکانتیلور به کمک تئوری تیموشنکو با استفاده از روش تنش کوپله اصلاح‌شده در مودهای ارتعاشی بالاتر از اهمیت فراوانی در بهبود عملکرد سیستم برخوردار می‌باشد. زیرا، روش­های مکانیک محیط پیوسته کلاسیک در ابعاد میکرو و نانو نمی‌تواندبخوبی رفتار سیستم را پیش‌بینی نماید و نیاز به اصلاح دارند. کاربرد AFM در محیط­های کاری مختلف لزوم بررسی اثر محیط­های مختلف بر رفتار ارتعاشی سیستم را افزایش می‌دهد.مطالعه این محیط‌ها نیازمند به مطالعه نیروهای اعمالی از جانب محیط و سطح نمونه با زبری‌های متفاوت به میکروکانتیلور می‌باشد. علاوه براین، در نظر گرفتن هندسه‌های متفاوت میکروکانتیلور پیزوالکتریک AFM جهت انتخاب هندسه مناسب جهت توپوگرافی با دقت بیشتر در محیط حائز اهمیت می‌باشد. همچنین، جهت انتخاب ابعاد مناسب میکروکانتیلور که شامل ضخامت، پهنا و طول لایه­های مختلف میکروکانتیلور شامل بستر سیلیکونی، پیزوالکتریک و الکترودها می­باشد، نیازمند به مطالعه تأثیر ابعاد بر حساسیت دامنه و فرکانس ارتعاشی سیستم با استفاده از روش­های آنالیز حساسیت می‌باشد.
 در این رساله، در کنار افزایش دقت مدل­سازی با درنظر گرفتن ناپیوستگی‌های هندسی بر اساس مدل تیر تیموشنکو با بهره‌گیری از تئوری تنش کوپله اصلاح‌شده، با ادغام اثر هیسترزیس مطابق مدل باک_ون به معادلات ارتعاشی سیستم، دقت پیش‌­بینی رفتار سیستم افزایش داده‌شده است. معادلات ارتعاشی سیستم به روش مربعات دیفرانسیلی تعمیم‌یافتهGDQ که ازلحاظ سرعت همگرایی جواب در مقایسه با روش المان محدود به‌مراتبسریع‌ترمی‌باشد و با تعداد المان کمتر، نتایج همگرا می‌شوند. معادلات گسسته­سازی شده، با استفاده از الگوریتم نیومارک و تبدیلات لاپلاس در حالت ارتعاش آزاد و اجباری میکروکانتیلور پیزوالکتریک AFM حل گردیده است. در محیط هوا زبری سطوح بر رفتار ارتعاشی سیستم تأثیرگذار می‌باشد. در نظر گرفتن زبری سطح به همراه زبری نوک پراب که بر روی نیروی واندروالس تأثیر می­گذارد، در محیط هوا و خلأ برای مواد مختلف از دیگر اهداف رساله می‌باشد. همچنین،توسعه نیروی مویینگی با محاسبه شعاع پل هلالی تشکیل‌شده بین نوک پراب و سطح نمونه بر اساس تغییر لحظه­ای فاصله بین پراب و سطح نمونه موردبررسی قرارگرفته شده و مدل جدیدی با استفاده از ایجاد ارتباط میان تشکیل پل هلالی و فاصله پراب تا سطح نمونه ایجاد گردید. علاوه بر این با بهره‌گیری از تئوری مکانیک تماس، نیروی تماسی میان پراب و سطح نمونه اصلاح گردید.گسترش محیط کاری به محیط مایع به همراه در نظر گرفتن هندسه­های متفاوت میکروکانتیلور پیزوالکتریک AFM شامل هندسه مستطیلی، خنجری و V-شکل جهت انتخاب هندسه مناسب جهت توپوگرافی با دقت بیشتر در محیط مایع هدف رساله می­باشد. در این راستا علاوه بر نیروهای محیطی معمول شامل نیروی هیدرودینامیکی فشاری و لایه فشرده که در سایر کارهای گذشته صورت گرفته است، نیروی برشی ناشی از سیال بر جناحین میکروکانتیلور با استفاده از حل معادلات ناویر استوکس توسعه داده شد و به معادلات اضافه گردید. در پایان با انجام آنالیز حساسیت به روش ای­فست، بررسی اثر کوپل پارامترهای هندسی و نیرویی بر فرکانس و دامنه سیستم و حذف پارامترهای کم اثر سرعت حل معادلات افزایش داده شد. همچنین، با انجام تست­های آزمایشگاهی در محیط‌های مختلف شامل محیط خلأ، هوا با درصد رطوبت­های مختلف و مایع، نتایج حاصل از شبیه‌سازی با نتایج تجربی مورد مقایسه قرار گرفت. تست­های آزمایشگاهی انجام شده در حالت ارتعاش آزاد شامل پاسخ فرکانسی و زمانی، و در حالت اجباری علاوه بر موارد فوق شامل توپوگرافی سطح نمونه و تأثیر آن بر دامنه ارتعاشی میکرو ربات AFMمی‌باشد. همچنین با حذف اثر نامطلوب نیروی مویینگی بر کیفیت و دقت توپوگرافی سطح نمونه افزوده شد.در پایان با ارائه الگوریتم اصلاح تصاویر، کیفیت تصاویر خروجی افزایش داده شده است.
واژه‌های کلیدی: میکروسکوپ نیروی اتمی، میکروکانتیلور پیزوالکتریک، ارتعاشات تیر تیموشنکو، آنالیز حساسیت، تئوری تنش کوپله اصلاح‌شده، محیط هوا و مایع