Skip to main content
SUPERVISOR
مصطفی غیور (استاد راهنما) احسان معانی میاندوآب (استاد مشاور) سعید ضیائی راد (استاد راهنما)
 
STUDENT
Mehdi Molavian Jazi
مهدی مولویان جزی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1390

TITLE

Nonlinear Dynamic Analysis of Micro Cantilever Beam in Atomic Force Microscopes Considering Size Effect
The atomic force microscopes (AFM) determine topography of surfaces in nano scale, by means of dynamic response of a micro cantilever beam. Therefore, accurate mathematical modeling and simulation of cantilever dynamics are crucial to design and fabrication of the AFM. Thickness of AFM cantilevers is in order of few microns or sub-microns and producers trend to make it even smaller because of having more resolution and sensitivity. By reducing the cantilever thickness, the size effect may be appeared which can change the AFM dynamics. In this research, the effect of size and surrounding fluid on the dynamic behavior of AFM is investigated based on the non-classic theories. Governing equations of the motion are derived using Hamilton’s principle based on gradient strain and modified couple stress theories for Euler–Bernoulli micro-cantilever beam. Next, the Galerkin projection method is applied to extract the lumped model. By analysis of the amplitude and frequency of free vibration, the necessity of considering the size effect for more reliable estimation of working range is shown. Moreover, the effect of squeeze film damping and hydrodynamic forces of the fluid on the dynamic behavior of AFM is investigated. Comparing the results with previously reported experimental ones in the literature, the model is validated. In addition, accuracy of the solution technique is verified by comparing the results with two degree-of-freedom model and analogue equations method. Also, the stability analysis, frequency response and sensitivity of AFM based on classic and nonc-lassic theories are investigated and the obtained results are compared with each other. In the final phase of the dissertation, using numerical and analytical methods, the chaotic behavior of microscope is studied. For this purpose, the effect of essential parameters such as initial distance between the tip and the surface, amplitude of excitation and damping on the chaotic motion of the system are studied with and without considering the size effect. Furthermore, using maximum exponent of Lyapunov, the working range of microscope with periodic oscillations, is determined as a function of initial distance and amplitude of excitation. Findings of this research can be helpful in the design and characterization of the AFMs parameters and more reliable prediction of its size-dependent dynamic behavior. Keywords: Atomic Force Microscope, Size Effect, Modified Couple Stress Theory, Gradient Strain Theory, Stability Analysis, Nonlinear Dynamic, Frequency Response, Chaos
اساس کار میکروسکوپ نیروی اتمی در مودهای غیرتماسی وضربه ای، استفاده از پاسخ دینامیکی تیر مرتعش، برای تعیین توپوگرافی سطح در مقیاس نانو است. بنابراین پیش بینی صحیح رفتار دینامیکی سیستم برای طراحی مناسب و عملکرد دقیق آن ضروری است. از طرفی بنابر نتایج مطالعات تجربی، با کاهش ابعاد یک سازه در مقیاس میکرو و نانو برخلاف پیش بینی تئوری های کلاسیک، سختی بی بعد آن تغییر می کند. این تغییر پدیده ای بسیار مهم در سازه های با ابعاد کوچک بوده و منجر به ارائه روش های مدل سازی غیر کلاسیک وابسته به اندازه شده است. با این حال تحقیقاتی که اثر اندازه را در تحلیل دینامیکی میکروسکوپ نیروی اتمی لحاظ کرده باشند، انگشت شمار هستند. مضاف بر این تأثیر سیال نیز بر ارتعاشات سیستم آن طور که باید مطالعه نشده است. از این رو، این رساله کوششی برای تحلیل جامع دینامیک غیرخطی میکروسکوپ نیروی اتمی با در نظر گرفتن اثر اندازه است. به این منظور، با استفاده از تئوری الاستیسیته گرادیان کرنشی و تئوری تنش کوپل بهبود داده شده، تأثیر اندازه بر رفتار دینامیکی میکروسکوپ بررسی شده و نتایج با پیش بینی های تئوری کلاسیک مقایسه شده است. معادلات غیرخطی حاکم بر حرکت میکروتیر اویلر برنولی میکروسکوپ، بر اساس تئوری های غیر کلاسیک مذکور و با استفاده از اصل همیلتون استخراج شده و با به کارگیری روش گالرکین، مدل گسسته سیستم به دست آمده است. با بررسی دامنه و فرکانس ارتعاشات آزاد میکروتیر، ضرورت در نظر گرفتن اثر اندازه برای تخمین صحیح تری از فرکانس و دامنه کاری در مود غیر تماسی نشان داده شده است. همچنین، تأثیر نیروهای هیدرودینامیکی و میرایی ناشی از لایه فشرده سیال بر نوسانات آزاد میکروسکوپ نیروی اتمی مطالعه شده است. علاوه بر صحت سنجی مدل ارائه شده با استفاده از نتایج تجربی، دقت روش حل معادلات از تقریب مود اول گالرکین نیز در قیاس با نتایج دو مود اول و همچنین روش عددی معادلات آنالوگ، تأیید شده است. در ادامه، پایداری سیستم بررسی شده و رفتار سیستم در نزدیکی نقاط تعادل آن بر حسب مقادیر مختلف میرایی به صورت تحلیلی پیش بینی شده است. همچنین نمودار دوشاخگی نقاط تعادل و نواحی ناپایدار آن بر اساس تئوری های غیرکلاسیک استخراج شده و مقایسه آن با نتایج تئوری کلاسیک تفاوت ناحیه پایدار پیش بینی شده را نشان داده است. در این پژوهش به صورت تحلیلی و با استفاده از رویکرد اغتشاشات و روش مقیاس های چندگانه مرتبه دو به بررسی تأثیر اندازه و همچنین تأثیر نیروهای هیدرودینامیکی ناشی از سیال بر پاسخ فرکانسی و حساسیت میکروسکوپ نیروی اتمی پرداخته شده است. نتایج نشان داده است که حساسیت میکروسکوپ با افزایش فرکانس تشدید زیاد می شود و با افزایش چگالی و ویسکوزیته سیال کاهش می یابد. در فاز نهایی رساله، با استفاده از روش های عددی و تحلیلی به مطالعه آشوبناکی ارتعاشات میکروسکوپ پرداخته شده و با بررسی تأثیر پارامترهایی نظیر فاصله اولیه میکروتیر تا سطح نمونه، دامنه تحریک و میرایی، بر آشوبناکی سیستم، تفاوت زیاد نواحی آشوبناک پیش بینی شده، با و بدون در نظر گرفتن اثر اندازه آشکار شده است و در نهایت از آن جایی که آشوبناکی سیستم خطای فاحشی در تخمین توپوگرافی سطح ایجاد می کند، با استفاده از معیار بیشینه نمای لیاپانوف، محدوده کاری میکروسکوپ با نوسانات منظم بر حسب فاصله اولیه و دامنه تحریک برای میرایی های مختلف سیستم پیش بینی شده است. با توجه به تمایل روزافزون طراحان میکروسکوپ های نیروی اتمی به کوچک تر نمودن ابعاد آن، یافته های این رساله می تواند در پیش بینی صحیح رفتار دینامیکی و انتخاب دقیق تر پارامترهای طراحی و بهره برداری، کارگشا باشد. کلمات کلیدی: میکروسکوپ نیروی اتمی، اثر اندازه، تحلیل پایداری، دینامیک غیرخطی، آشوب، نیروی هیدرودینامیکی.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی