Embed Size (px)
Citation preview
دانلود متن کامل در
download-thesis.com
دانشگاه کاشاندانشکده مهندسي مکانيک
گروه مکانيک جامدات
پايان نامه جهت اخذ مدرک کارشناسي ارشد(مهندسي مکانيک )طراحي کاربردي
عنوان: تحليل غير خطي ديناميکي و ارتعاشي نانولوله کربني
در سيستم نانوالکترومکانيک سوييچ با استفاده ازتئوري غير محلي االستيسيته
استاد راهنما:پروفسور علي قربان پورآراني
توسط:..…………………
1392بهمن ماه
دانلود متن کامل در
download-thesis.com کهمادرمتقدیم به
فرط شوق محبت ب44ه دردانه اش، درد ت44ازه روح ش44ب و درد کهولت جسم روز را ب44ا یادگارنج44444یبانه م44ادرش آرام میکن44د، ت44ا
اندکی از موعد قوت من دیر نشود! که پدرمتقدیم به
تص44ور تغییرناپ44ذیر از ج44وان مهن44444دس اش، خ44رجی اش را کودکان44ه در کول44ه پش44تی مدرس44ه اش مق44رر میکن44د، ت44ا ان44دکی
ازح4س استقالل جوانی من شرمنده نشود! خـ;;;;;;;;;;;;طیآنها و فقط آن ها، در مکانی44ک روزگ44ار من،
آدم های زندگی ام هستند.ترين
که عزیز و مهربانمبرادرو خواهران و تقدیم به تنه44ا س44رمایه های زن44دگی ام هس44تند و حض44ور آنه44ا همیش44ه
موجب ش4ادی و دلگ4رمی و آرام4ش خاطر من خواهد بود.
دانلود متن کامل در
download-thesis.comتشکر و قدرداني:
حمد و سپاس خداي را که توفي44ق کس44ب دانش و مع44رفت را ب44ه م44ا عطا فرمود. در اينجا ب4ر خ4ود الزم مي44دانم از تم4امي اس44اتيد بزرگ4وار ب4ه ويژه اساتيد دوره کارشناسي ارشد ک44ه در ط44ول س44اليان گذش44ته م44را در تحصيل علم و مع44رفت و فض44ائل اخالقي ي44اري نموده ان44د تق44دير و تش44کر
نمايم.
دک;;تر علياز اس44تاد راهنم44اي گ44رامي و بزرگ44وارم جن44اب آق44اي که راهنمايي اينج44انب را در انج44ام تحقي44ق، پ44ژوهش و نگ44ارشقربانپور
اين پايان نامه تقبل نموده اند نهايت تشکر و قدردانی را دارم.
دک;;تر محم;;دي آق44اي ويدکتر ت;;رابهمچنین از اساتيد داور آقاي نظ44رات و و از که با دقت اين پايان نامه را مورد مطالع44ه ق44رار دادهمهر
ه44ر دو بزرگ44وار در جلس44ه دفاعي44ه اس44تفاده ک44ردم،پيش44نهادات تخصصيکمال تشکر را دارم.
در پایان از کلیه دوستان دوران تحصیل بنده که همیشه همراه اینجانب بوده اند و دانشجویان مقطع دکترا به جهت راهنمایی های
بی چشمداشت، بی نهایت سپاسگزارم.
دانلود متن کامل در
download-thesis.comچکيده :
سيستم هاي ميکرو و نانو الکترومکانيکي به خاطر ويژگي هاي متمايز و مشخصه هاي منحصر به فرد، عمدتا در دو حوزه حسگرها و عمگرها، در علوم مختلف همچون مکانيک، هوافضا و پزشکي موردتوجه قرارگرفته اند. تحريک
الکترواستاتيک يکي از ساده ترين و پرکاربردترين روش هاي تحريک و راه اندازي اين سيستم ها بوده که منجر به وقوع ناپايداري در آن ها مي گردد.
پيش بيني رفتار استاتيکي و ديناميکي سيستم هاي الکترومکانيکي در ابعاد نانو با تئوري هاي کالسيک، با خطا همراه بوده است. به همين منظور در تحقيق حاضر، تحريک الکترواستاتيکي نانوسوييچ ها و نانوحسگرهاي کربني با استفاده
از تئوري تنش غيرمحلي بررسي مي شود. ابتدا معادالت غيرخطي و شرايط مرزي طبيعي حاکم بر مساله با تئوري غيرموضعي بازنويسي شده و جابجايي
حل معادلهنانوتير به دو قسمت استاتيکي و ديناميکي تقسيم مي گردد. استاتيکي انجام شده، و سپس با حل مسأله مقدار ويژه معادله ديناميکي،
فرکانس طبيعي و شکل مود نرمالي استخراج مي شود که تابع ولتاژ استاتيکي اوليه و پارامتر غيرموضعي است، تا بتواند در روش تقريبي گالرکين براي حل
معادالت و تعيين هرچه دقيق تر ولتاژ و زمان ناپايداري ديناميکي نانوسوييچ استفاده گردد. در تحليل ارتعاشي با معرفي مدل جديد نانوحسگرکربني در
حضور نانو ذره محرک کارايي آن امتحان مي شود. همچنين ناپايداري کششي غيرمحلي و غيرخطي نانوسوييچ نيتريد-بور با تئوري پيزو االستسيته غيرمحلي بررسي مي گردد. در نهايت نتايج بدست آمده از تحليل نمودارهاي استاتيکي و
ديناميکي و ارتعاشي نشان مي دهد اثر غيرموضعي رفتار نانوسوييچ الکترومکانيکي را به ويژه در حوزه کميت هاي ناپايداري تحت تأثير قرار
مي دهد.
سيستم هاي نانو الکترومکانيک، ولتاژ ناپايداري کششي، :کلمات کليدي نانولوله کربني، نانوسوييچ نيتريد-بور، تئوري غيرمحلي االستيسيته، ديناميک
دانلود متن کامل در
download-thesis.comفهرست مطالب
صفحه عنوان
.................................................-فصل اول : مقدمه11
.............................-سيستم هاي ميکرو و نانو الکترومکانيکي1-11
سوييچ هاي الكترواستاتيك................................................-1-1-15
......................-مزايا و معايب ميکرو و نانوسوييچ ها1-1-1-16
نانو الکترومکانيکي در شناسايي ذره و -سيستم هاي ميکرو1-1-29خارجي
تئوري هاي کالسيک و غير موضعي....................................-1-1-310
11..............................................-فصل بندي پژوهش1-1-413..................................................-مفاهيم پايه و اصلي1-2
13.................-تحريک الکترواستاتيک در ميدان الکتريکي1-2-116...............................-نيروي بين ملکولي واندروالس1-2-2
16......................-مقدمه1-2-2-1 -تعامل نيروي واندروالس و الکترواستاتيک در1-2-2-2
17نانوسوييچ18..........................................-تئوري تنش غيرمحلي1-2-320....................................................-حسگر جرمي1-2-4
.........................ادبيات و تاريخچه موضوع تحقيقمروري بر -1-322
-مروري بر تاريخچه مدلسازي و طراحي1-3-122ميکرو/نانوسوييچ هاي کربني
مروري بر روش هاي حل عددي و تحليلي ميکرو/نانو.........-1-3-225......................................تيرهاي تحريک شده با ميدان الکتريکي
29..............-پيشرفت هاي انجام شده در زمينه سنسورها1-3-332................................-اهداف پژوهش و سازماندهي1-3-4
أ
دانلود متن کامل در
download-thesis.com34.................................-فصل دوم : مدلسازي مسأله2
34...................................-استخراج معادله حاکم بر مسأله2-138..............................................استخراج شرايط مرزي-2-2
38.............................................-سوييچ يکسرگيردار2-2-1بي بعد سازي معادالت.............................................................-2-3
4041......................................-بسط تيلورنيروهاي غير خطي2-441......................................................-حل خطي مسأله2-5...................................-تاثير ولتاژ روي فرکانس طبيعي تير2-6
4346.......-فصل سوم : تحليل استاتيکي و ديناميکي سيستم3
46.......................................................-تحليل استاتيکي3-147.................-روش حل معادالت مقدار مرزي در متلب3-1-148...........................-نتايج و نمودارهاي تحليل استاتيک3-1-2
59........................................................-تحليل ديناميکي3-2مقدمه...........................................................................-3-2-1
5960.......-استخراج معادله خطي و همگن براي ارتعاش آزاد3-2-262........................................-حل ارتعاش آزاد مسأله3-2-3
x=l......................64-شرايط مرزي طبيعي در 3-2-3-1.-روش گالرکين، و حذف وابستگي به مکان در مسئله3-2-4 . .6668-حل عددي معادله ديفرانسيل غيرخطي وابسته به زمان3-2-569.............................-نمودار ها و نتايج تحليل ديناميک3-2-6
-فصل چهارم : بررسي ناپايداري سيستم با حضور ذره477جرمي محرک
.......................................................................-مقدمه4-177
77....................-ارتعاش سازه ها تحت بار يا ذره محرک4-1-178........-نانو ذره محرک در سيستم هاي نانو الکترومکانيک4-1-2
79.............................-فرضيات الزم جهت مدلسازي مسأله4-2
ب
دانلود متن کامل در
download-thesis.com80.................................................-فرموله کردن مسأله4-3
82............................-معرفي پارامترهاي بدون بعد ذره4-3-183.................................................-نتايج عددي و بحث ها4-4
-فصل پنجم : ناپايداري استاتيکي غيرخطي غيرمحلي588...................................................نانوسوييچ نيتريد-بور
88..............................................................مقدمه-5-189..................................................-نانوسوييچ نيتريد-بور5-290..................................................-مدلسازي نانوسوييچ5-3
90........................................-راوابط کرنش-جابجايي5-3-190................................................-مواد پيزوالکتريک5-3-2نيروي هاي خارجي..........................................................-5-3-3
9192..............................-تئوري پيزواالستسيته غيرمحلي5-3-4
92.........................................................-معادالت حاکم5-495.............................................-روش حل و نتايج عددي5-5
95................................-روش مربع سازي ديفرانسيلي5-5-197...........................................-نتايج عددي و بحث ها5-5-2
101....................-فصل ششم : نتيجه گيري و پيشنهادها6101............................................................-نتيجه گيري6-1
101........................-لزوم تحليل و سازماندهي پژوهش6-1-1102..............................-نتايج تحليل و بررسي پژوهش6-1-2
105.....................................-پيشنهادها براي کارهاي بعدي6-2106....................................................پيوست
106........................... در متلبbvp4cالف- تعريف دستور روش 108....................................................مراجع
فهرست شکل ها
صفحه عنوان
ت
دانلود متن کامل در
download-thesis.com : ماده پيزو الکترويک در حالت تحريک کننده و1-1شکل
3.............................................[3حس کننده)تشخيص واندازه گيري( ] : نمايش حالت روشن و خاموش سوييچ با تحريک2-1شکل
6.......................................................................[3الکترواستاتيک] درمداريCNT Switch: تصويري از تحريک الکترواستاتيکي 3-1شکل
9...............................که با منبع ولتاژ و مقاومت فيدبک تنظيم مي شود. : شماتيک سه بعدي ميکرو/نانو تيرتحريک شده با مدل خازن4-1شکل
14...................................................................در ميدان الکتريکي نمايش تعادل نيروها براي نانو سوييچ کربني باالي صفحه: 5-1شکل
17.......................................................زمين با هندسه يک سرگيردار : نمودار پاسخ فرکانسي تير يکسرگيردار تحريک شده6-1شکل
نزديک رزونانس اوليه قبل و بعد از شناسايي جرم. پاسخ زماني ميکروتير قبل و بعد از تشخيص جرم نشان مي دهد، سوييچي که در فرکانس تحريک
( و سقوطSTMTثابت در حال نوسان است، با تشخيص جرم فعال شده )21..............................................................................[3]مي کند
35.......................................... المان تير اويلربرنولي:1-2شکل نسبت فرکانس اساسي تيرخميده به تير مستقيم بر :2-2شکل
44........................................حسب تغييرات ولتاژ سوييچ يکسرگيردار : نسبت فرکانس اساسي تيرخميده به تير مستقيم بر3-2شکل
45........................................حسب تغييرات ولتاژ سوييچ دوسرگيردار تأثيرتغييرات ولتاژ روي نقطه تعادلي تير يکسرگيردار که :4-2شکل
45....................................................حول آن سوييچ نوسان مي کند. : منحني اعتبار سنجي. جابجايي ماکزيمم برحسب ولتاژ-1-3شکل
49.........................................]21مقايسه کار حاضر با مدل روتکين [50....: اثر پارامترغيرموضعي روي ولتاژ ناپايداري استاتيکي2-3شکل : نمودار جابجايي سر آزاد تير- برحسب ولتاژ به ازاي3-3شکل
51..........................................................(0.1پارامتر غير موضعي )52.....: اثر نيروي واندروالس روي ولتاژ ناپايداري استاتيکي4-3شکل : اثر پارامتر غيرموضعي در تغيير رفتار تيريکسرگيردار تحت5-3شکل
53.....................................................................بارگذاري سهموي : تغيير رفتار نمودار جابجايي انتهاي تيريکسرگيردار برحسب6-3شکل
54........... نانومتري قبل از پولين3و2و1( در ازاي گپ هاي μ=0.1ولتاژ با ) : اثر نيروي واندروالس و پارامتر غير موضعي روي ولتاژ7-3شکل
55...............................................ناپايداري استاتيکي تير دوسرگيردار : نمودار جابجايي نقطه مياني تيردوسرگيردار برحسب ولتاژ8-3شکل
57........ نانومتري قبل از پولين100و60و40( در ازاي سه طول μ=0.1با ) : تغيير رفتار نمودار جابجايي نقطه انتهايي تيريکسرگيردار9-3شکل
نانومتري قبل از100و60و40( در ازاي سه طول μ=0.1برحسب ولتاژ با )
ث
دانلود متن کامل در
download-thesis.com58....................................................................................پولين
رفتار ديناميکي نانولوله يکسرگيردار به ازاي ولتاژ: 10-3شکل 70................................مستقيم مختلف بدون حضور نيروي واندروالس
رفتار ديناميکي نانولوله يکسرگيردار به ازاي ولتاژ: 11-3شکل 72...................................مستقيم مختلف در حضور نيروي واندروالس
رفتار ديناميکي نانولوله يکسرگيرداربا پارامتر غيرموضعي: 12-3شکل 73............ به ازاي ولتاژهاي مستقيم مختلف بدون نيروي واندروالس0.1
: رفتار ديناميکي نانولوله يکسرگيردار با پارامتر13-3شکل به ازاي ولتاژهاي مستقيم مختلف در حضور نيروي0.1غيرموضعي 74.............................................................................واندروالس : منحني رفتار وابستگي دومتغيره فرکانس طبيعي14-3شکل
76.............اساسي نانولوله به ولتاژ استاتيکي اوليه و پارامتر غيرموضعي رفتار جابجايي نرمااليز شده انتهاي تير يکسرگيردار حين:1-4شکل . به ازاي ولتاژهاي کمتر از پولينμ=0.1 و κ=0.1 ، p=0.2عبور ذره با
85.................................................................................کدينامي : نمايش ناپايداري کششي تير در بازه زماني حرکت ذره به2-4شکل
86.........................0.1ازاي سرعت هاي مختلف-با پارامتر غيرموضعي : منحني جابجايي ماکزيمم سوييچ يکسرگيردار نيتريد-بور1-5شکل
98..........................برحسب ولتاژ اعمالي در دوحالت خطي و غيرخطي : اثر پارامتر غيرموضعي روي جابجايي ماکزيمم سوييچ 2-5شکل
99...............................................................يکسزگيردار نيتريد-بور : تغييرات پتانسيل الکتريکي بدون بعد در طول تير3-5شکل
100...........................................يکسرگيردار به ازاي پارامتر موضعي : تغييرات پتانسيل الکتريکي بدون بعد در طول تير4-5شکل
100...........................................دوسرگيردار به ازاي پارامتر موضعي
فهرست جدول ها
صفحه عنوان
تحليل غير خطي ديناميکي و ارتعاشي نانولوله کربني در سيستم1.............نانوالکترومکانيک سوييچ با استفاده از تئوري غير محلي االستيسيته
: پارامترهاي هندسي و خواص مکانيکي نانولوله کربني1-3جدول 48وثابت هاي نيرويي
: تاثير گپ در حضور و عدم حضور نيروي واندروالس روي2-3جدول ...................................................ولتاژ پولين استاتيکي تيريکسرگيردار
ج
دانلود متن کامل در
download-thesis.com56
: اثر طول روي ولتاژ پولين استاتيک براي دو تير يکسرآزاد3-3جدول 58و دوسرگيردار
: تاثير گپ روي ولتاژ ناپايداري نانولوله بدون نيروي4-3جدول 72واندروالس
:تاثير ولتاژ استاتيک اوليه و پارامترهاي غيرموضعي مختلف5-3جدول ...........................................روي فرکانس اساسي نانولوله يکسرگيردار
75 : مشخصه هاي هندسي سوييچ سنسوري و ويژگي هاي1-4جدول
84نانولوله کربن : سرعت و طول زمان حرکت ذره و ولتاژهاي اعمال شده2-4جدول
............................................................به سيستم با هندسه مشخص87
: مشخصات هندسي و خواص فيزيکي و مکانيکي نانولوله1-5جدول 97نيتريد-بور
فهرست عالئم و اختصارات
lطول نانولوله
∫rشعاع داخلي و خارجي نانولوله ¿ ,r out¿
gفاصله هوايي
εضريب گذردهي از خأل 0
Ahثابت هاماکر
ح
دانلود متن کامل در
download-thesis.combعرض معادل تير
hضخامت تير
Iممان اينرسي سطح مقطع
Aمساحت سطح مقطع تير
ρچگالي نانولوله
Vولتاژ اعمالي
σتنش محلي l ,xx
σتنش غيرمحلي nl ,xx
μپارامتر غيرموضعي
Vنيروي برشي ( x , t )
Mممان خمشي (x , t )
qبار گسترده ( x , t )
Mممان خمشي محلي و غيرمحلي l , xx ,M nl , xx
wجابجايي کلي عرضي تير ( x , t ) ,w( x , t)
wجابجايي عرضي استاتيکي s ( x ) , w s(x)
uجابجايي عرضي ديناميکي ( x , t ) ,u ( x ,t )
tزمان ,t
Tثابت زماني
Reضريب نيروي الکتريکي
Rضريب نيروي واندروالس v
αضريب بدون بعد نيروي الکتريکي و واندروالس e , α v
ضريب بدون بعد استاتيکي مربوط به نيرويالکتريکي و واندروالس
α es , α vs
ضريب بدون بعد شرط مرزي مربوط به نيرويالکتريکي و واندروالس
α eb , α vb
Eمدول يانگ نانولوله
∅تابع مکاني مود شيپ (x )
βمقدار ويژه بدون بعد
λفرکانس طبيعي تير خميده
خ
دانلود متن کامل در
download-thesis.comωفرکانس طبيعي تير مستقيم
Vولتاژ ناپايداري کششي p
tزمان ناپايداري pull
Vولتاژ استاتيکي s
Vولتاژ ديناميکي d
P(xنيروي وزني ذره ,t )
xموقعيت مکاني و سرعت ذره p , ν p
tزمان عبور ذره محرک particle
E}تانسور میدان الکتریک x }
D}تانسور جابجایی الکتریک }
[h]ثابت پیزوالکتریک
ϵ]ثابت دی الکتریک 11]
∅پتانسیل الکتریکی
د
دانلود متن کامل در
download-thesis.com
فصل اول :-1مقدمه
سيستم هاي ميکرو و نانو الکترومکانيکي-1-1
بدون شک يکي از مهمترين پيشرفت هاي علمي دهه هاي اخير، سيستم هايکوچک سازي سيستم هاي ماکرو و توسعه
سيستم هاي ميکرو الکترومکانيکي بوده است.1ميکروالکترومکانيکي آنجا کهتحوالت شگرفي در صنعت و تکنولوژي به وجود آورده اند. از
آنها مي توانند با استفاده از تکنيک هاي ساخت موجود و استفاده از با قيمت پايين و، زيرساختارهاي صنعت نيمه هادي ها ساخته شوند
جرم و حجم بسيار کم، مصرفگردند. مي حجم تجاري زياد توليد انرژي پايين، قابليت اطمينان باال و دوام مناسب از جمله خصوصيات
که باعث جذابيت بيشتر آنها نيز شدهاساسي اين سيستم هاست.[1]است
همچنين در سال هاي اخير نيز با پيشرفت سريع فناوري نانو و 2يامکان ساخت قطعات در ابعاد نانو، سيستم هاي نانو الکترو مکانيک
در کنار سيستم هاي ميکرو الکترو مکانيکي مطرح شده و بسياري از وسايلي که پيش از اين در ابعاد ميکرو ساخته مي شدند امکان ساخت
1 Microelectromechanical systems (MEMS)2 Nanoelectromechanical systems (NEMS)
1
دانلود متن کامل در
download-thesis.com . اين سيستم ها کاربرد فراواني در انواعدر ابعاد نانو را پيدا کردند
از قطعات صنعتي، از جمله مکانيک، هوافضا، پزشکي، ايگستردهحمل ونقل و تکنولوژي ارتباطات دارند.
نمونه هاي بسياري از کاربرد سيستم هاي ميکرو و نانو ،2، رزوناتورها1الکترومکانيکي را در ميکرو و نانوسوييچ هاي خازني
،5، سوييچ هاي راديوفرکانسي4، سنسورهاي جرم 3سنسورهاي فشار وحافظه هاي ميکرو و8، ژيروسکوپ ها7، ميکروپمپ ها6شتاب سنج ها
.[2] مي توان مشاهده کرد9نانو الکترو مکانيکي
به طور کلي دو نوع شيو ه ي انتقال و هدايت در سيستم هاي ميکرو و نانو الکترومکانيکي وجود دارد. بعضي روش هاي انتقال تغيير يک کميت فيزيکي مانند فشار و دما را به يک سيگنال الکتريکي قابل
اندازه گيري تبديل مي کنند. چنين سبک هايي با نام روش هاي تشخيص يا 11 شناخته مي شوند. و روش هاي الکترواستاتيک پيزوالکتريک10حس کن
در اين دسته جاي مي گيرند. بويژه حسگر هاي12و پيزورسستيو که تغيير در فرکانس هاي رزونانس ميکرو ونانوسازه ها را به13مرتعش
محض حس کردن تشخيص مي دهند در اين گروه قرار دارند. شيوه هاي ديگر هدايت، انرژي ورودي سيستم را به حرکت ميکرو و
شناخته14نانوسازه تبديل مي کنند. که آنها با نام روش هاي تحريک مي شوند و روش هاي الکترواستاتيک، پيزوالکتريک، الکترومغناطيس و
1 Micro/Nano Capacitor switch2 Resonator3 Pressure sensor4 Mass sensor5 R-F MEMs Switch6 Accelerator7 Micro Pump8 Gyroscopes9 Micro/Nano electromechanical memories10 Sensing11 Piezoelectric12 Piezoresistive13 Resonator sensor14 Actuate
2
دانلود متن کامل در
download-thesis.com.[3] را شامل مي شوند1الکتروگرمايي
انتخاب روش هاي تحريک در اين سيستم ها موضوع مهمي در سال هاي اخير بوده و بستگي به سيستم موردنظر و قابليت استفاده
حساسيت اين سيستم هاه هاياز آن دارد. تحريک هاي اصلي و مشخص:عبارتند از
اين مواد تحت تأثير ولتاژ مستقيم تغييرمواد پيزوالکتريک: با ايجاد تغييرشکل،س و جهت عک همچنين درشکل پيدا مي کنند و
با استفاده از اين خاصيت. کهولتاژي در دو سر آن توليد مي شود د. پس طبق آنچه پيشترجابجايي مي تواند اندازه گيري و يا کنترل شو
گفته شد مواد پيزوالکتريک هم براي حسگرها و هم تحريک کننده ها مفاهيم اصلي پيزوالکتريک و استفاده هاي1-1شکل کاربرد دارند.
پايه اي براي حس و تحريک را به خوبي توصيف مي کند.
: ماده پيزو الکترويک در حالت تحريک کننده و1-1شکل [3]حس کننده)تشخيص واندازه گيري(
با ايجاد دو قطب يا اختالف ولتاژ ميان دو ي:الکترواستاتيک صفحه يک نيروي الکترواستاتيکي ميان صفحات توليد مي شود که
گردد.ي منجر به تغييرشکل و جابجايي سيستم م
1Electrothermal
3
دانلود متن کامل در
download-thesis.com : تغييرشکل مواد در اثر گرما مي تواند به عنوان تحريکيگرماي
مورد استفاده قرار بگيرد، يک راه براي افزايش دما گذراندن جريان از ميان صفحات هادي مي باشد و راه ديگر تاباندن ليزر به منطقه مورد
نظر است.
يک ميدان مغناطيسي در اثر عبور جريانالکترومغناطيسي: تواند مواد مغناطيسي موجود دري از يک کويل ايجاد مي شود که م
محيط را تحريک کند.
تمامي اين روش ها داراي محاسن و معايبي هستند. اندازه گيري( مورد استفاده)يا تشخيصپيزوالکتريک ها در تحريک و
گيرند اما در اندازه گيري به دليل عدم توليد ولتاژ کامال قرار مي مستقيم داراي محدوديت هايي مي باشند. و نمي توانند در عملياتي با دماي باال مقاومت کنند. روش هاي ديگر هم محدوديت هايي دارند و
وجود تنش هاي حرارتي و تنش هاي ساخت دقت اين سيستم ها را بهشدت کاهش مي دهد.
با اين وجود تقريبا همه مشکالت با استفاده از تحريک ساختن يک خازن با روش هاي ساختد. الکترواستاتيکي از بين مي رو
با استفاده از دو سطح موازي و باد. موجود بسيار آسان مي باش اعمال يک پتانسيل به دو سر آن به يک سنسور يا عمل کننده با کارآيي
سادگي در ساخت و کارآيي مناسب آن بسيار خوب مي رسيم. اين. استفاده از راه انداز الکتريکي را فراگير کرده است صرفه مي بهتحريک کننده هاي خازني از نظر اقتصادي نيز مقرون
الکترومکانيکي که از طريق باشند. سيستم هاي ميکرو و نانو شوند کاربرد گسترده اي در ميکرويراه اندازالکتريکي تحريک م
سويچ ها و ميکرو و نانو رزوناتورها دارند.
4
دانلود متن کامل در
download-thesis.com تحريک الکتريکي به دليل سادگي و بازده باال بر همه روش هاي
تحريک ترجيح داده مي شود. و با توجه به برقراري ميدان الکتريکي در حجم بسيار کوچک دسترسي به نيروهاي بزرگ براي تحريک امکان
مکانيزم هايبه همين خاطر در ميان روش هاي هدايت، پذير مي باشد. تحريک و تشخيص الکترواستاتيک بيشترين کاربرد را در سيستم هاي ميکرو و نانو الکترومکانيکي دارند و در زمينه هدايت الکترواستاتيک
.[4]تحقيقات گسترده تري انجام شده است
سوييچ هاي الكترواستاتيك-1-1-1 يکي از سيستم هايي که در نقش متنوعي از سازه هاي االستيک در مقياس مهندسي ميکرو برجسته و ارائه شده، ميکرو سوييچ ها هستند. اساس ساختار آن ها کامال ساده است. سوييچ شامل يک جفت الکترود مي شود. يک الکترود معموال صلب و ثابت در فضاست، و الکترود ديگر
سازه االستيک تغيير شکل پذيري است. اين الکترود در طرح ها و فرم هاي مشابه با پوسته االستيک، تير االستيک و ورق االستيک ساخته
مي شود. سوييچ با اعمال اختالف پتانسيل بين دو الکترود بسته مي شود. با اين کار نيروي الکترواستاتيکي بوجود مي آيد، الکترود تغيير شکلپذير را خم کرده، و منجر به ايجاد تماس بين الکترودها مي شود.
گروه هاي زيادي چنين سازه هايي را ساخته و آزمايش کرده اند. مدل هاي رياضي اين قطعات در گستره اي از مدل هاي ساده براساس
مدل جرم- فنر، تا مدل هاي کامال توسعه يافته و شبيه ساز ي هايسه بعدي المان محدود، قرار مي گيرند.
ميکروسوييچ تحريک شده الکترواستاتيکي مثالي از يک سيستمي است که اغلب در حالت ناپايداري به کار مي افتد. ساختار ميکروسوييچ
.[5]به طور گسترده اي مطابق با کاربرد آن، تغيير مي کند
5
دانلود متن کامل در
download-thesis.com
: نمايش حالت روشن و خاموش سوييچ با تحريک2-1شکل [3]الکترواستاتيک
سوييچ هاياز نانولوله هاي کربني مي توان درساختن (1 در مقياس نانو)نانوسوييچ لوله کربني الکترومکانيکيالکترومکانيکي
. نانوله هاي کربني نامزد مناسبي براياشاره کرد نسل هاي جديدبراي نانوسوييچ هاي الکترومکانيکي به خاطر مقاومت مکانيکي فوق العاده و
ويژگي هاي خاص الکتريکي هستند. مدول االستيسيته باال و جرم کم، انتظار مي رود، سرعت باالي سوييچينگ ) باالتر از چندين گيگاهرتز( را
امکان پذير سازد. با وجود آنکه چندين نوع نانولوله کربني براي سوييچ هاي نانو الکترومکانيکي مدلسازي، طراحي و ساخته شده اند. ولي مطالعات بيشتري براي پي بردن به رفتار پايداري آنها در طول
.[6]زمان ضروري مي باشد
مزايا و معايب ميکرو و نانوسوييچ ها-1-1-1-1 بررسي سوييچ هاي ميكرو و نانو الكترومكانيك يكي از موضوعات
1 CNT-based NEM Switch
6
دانلود متن کامل در
download-thesis.com جديدي است كه در سال هاي اخير به سرعت در حال گسترش بوده
است. همانند رزوناتورها، سوييچها نيز از المان مكانيكي ساخته مي شوند كه با نيروي الكترواستاتيك ناشي از جريان مستقيم عمل
.كرده و باعث قطع و وصل جريان مي گردند
در سوييچها اين مسأله كه ولتاژ كاري سوييچ با ولتاژ كاري مدار همخواني داشته و همچنين بتواند با سرعت بسيار باال كار كند بسيار
مورد توجه و مطلوب است. اما سوييچ هاي حاضر هنوز با اين نياز فاصله دارند و همين مسأله باعث استفاده كمتر اين سوييچ ها
مي شود. از مزاياي استفاده از نانوسوييچ ها ميتوان به موارد زيراشاره نمود:
: اين مصرف انرژي مربوط به كاراييمصرف انرژي کم سوييچ براي عبور يك سيگنال مي باشد كه معموال براي سوييچهاي مخابراتي بر حسب دسيبل بوده و مطابق با مشخصات آمپلي فاير
مربوطه مي باشد. معموال توان خروجي متناسب با توان ورودي فرض مي شود. اما در خيلي از سيستمها يك حد باالي توان وجود دارد كه درآنجا اين نسبت خطي به هم خورده و اعتبار خود را از دست مي دهد.
عايق بندي يك سوييچ هنگامي مورد بررسي: عايق بندي باال نمي كند. اين پارامتر بين دو قرار مي گيرد كه هيچ سيگنالي از آن عبور
ترمينال ورودي و خروجي در مدار در موقعيت عبور سيگنال بسيار كم در حد نانو و يا هنگامي كه سوييچ در موقعيت خاموش مي باشد، اندازه گيري مي شود. در مقادير باالي توان، مقداري وابستگي در ترمينالهاي ورودي و خروجي مشاهده مي شود، بنابراين هدف درطراحي اينگونه سوييچ ها اينست كه اين عايق بندي افزايش يابد.
ميزانمربوط به: تلفات ورودي يك سوييچ تلفات انرژي کم در سوييچ ها تلفات فقط هنگام.كارايي آن در انتقال سيگنال است
7
دانلود متن کامل در
download-thesis.com عبور سيگنال و يا وقتي سوييچ در حالت روشن قرار دارد مطرح
مي شود. اين تلفات بر حسب ضريب عبور سيگنال، بر مبناي دسيبل، ميان ترمينال هاي ورودي و خروجي مدار تعريف مي شود. معموال رد.کاهش تلفات براي طراحي سوييچها بسيار مورد توجه قرار مي گي
با افزايش فرکانس سوييچها تلفات انرژي در سيستم کاهش مي يابد.
اما استفاده از نانوسوييچ ها موانعي را نيز در بر دارد كه از آنجمله مي توان به موارد زير اشاره كرد:
نياز به ولتاژ باالي راه اندازي
: نانوسوييچ الكترواستاتيك با معلقتأخير در پاسخ سيستم شدن نانولوله تك ديواره و يا چند ديواره باالي الكترود زمين ساخته
هنگامي كه بين نانولوله و بستر، اختالف پتانسيل ايجاد. مي شود مي شود، نانولوله به طرف الكترود زمين خم مي شود و هنگامي كه
اين اختالف پتانسيل به اندازه كافي بزرگ باشد، با زمين اتصال برقرارخواهد كرد.
سر نانولوله به الکترود بااليي ثابت شده3-1براي مثال در شکل و روي الکترود پايين معلق است. نيروي الکترواستاتيک باعث مي شود
نانولوله کربني به طرف الکترود پاييني شتاب بگيرد. موقعي که لبه آزاد نانولوله به الکترود پايين مي رسد، جريان الکتريکي آغاز مي شود،
1و مدار بسته مي شود. اين جريان از مقامت الکتريکي پسخورد )کاهش نيروي الکترواستاتيک(2گذشته، و باعث کاهش ولتاژ باياس
شده و با اين روش مقامت مدار ولتاژ را تنظيم مي کند تا سوييچ در.[7]حالت روشن باقي بماند
1 Feed back2 bias
8
دانلود متن کامل در
download-thesis.com
درمداري کهCNT Switch: تصويري از تحريک الکترواستاتيکي 3-1شکل با منبع ولتاژ و مقاومت فيدبک تنظيم مي شود.
به عالوه در بررسي نيروهاي االستيك و الكترواستاتيك، براي فاصله هوايي كوچك، در نظرگرفتن نيروهاي واندروالس براي درك
بهتر رفتار نانوسوييچ، بسيار مهم و ضروري خواهد بود. در اين تحقيق به بررسي رفتار استاتيكي و ديناميكي و ارتعاشي نانوسوييچ هاي
.پرداخته خواهد شدالكترواستاتيك
نانو الکترومکانيکي در شناسايي و سيستم هاي ميکرو-1-1-2ذره خارجي
پيشرفت هاي اخير در قطعات ميکرو الکترومکانيکي منجر به توسعه حسگرهاي جديدي با ويژگي هاي منحصر بفرد و مشخصه هاي متمايز و برجسته شده است. باالخص، حوزه حسگرهاي جرمي، که
شامل شناسايي گازهاي شيميايي، موجودات ميکروبي، شارژهاي الکتريکي، و نانوذرات مي شود، در سالهاي اخير توجه قابل مالحظه اي داشته است. مسير بيشتر تحقيقات انجام شده، روي بهبود بخشيدن به حساسيت سنسورها و دستيابي به تشخيص جرم هاي کوچکتر متمرکز شده است. علت اين موضوع به خاطر تقاضا براي کاربردهاي جديدي است که نيازمند اندازه گيري جرم هاي خيلي کم، در حد جرم ويروس و
9
دانلود متن کامل در
download-thesis.com مي باشد. با اين حال شاخصه هاي دلخواه ديگر،DNAجرم ملکول هاي
مثال طراحي سنسورهاي جديد چندکاره، پاسخگويي سريعتر، قابليت اطمينان بيشتر و هزينه کمتر، هنوز مورد توجه کافي قرار نگرفته اند. ضرورت وجود اين مشخصه ها تا حدي است که ساختن اين حسگرها
امکان پذير شود. مخصوصا در کاربردهايي، همچون تشخيص مواد منفجره و مواد ميکروبي خطرناک. پروژه حاضر تالشي به سوي اين
مسير تحقيق است، تا حسگرهاي نويني را براساس ويژگي هاي ديناميکي منحصربه فرد سيستم هاي نانو الکترومکانيکي مدلسازي و
.[8]طراحي کند
تئوري هاي کالسيک و غير موضعي-1-1-3 به دليل وجود نيروهاي بين اتمي و بين مولکولي با کوچک شدن
ابعاد سيستم ها و قابل مقايسه شدن اين ابعاد با فواصل بين ذرات و پارامترهاي شبکه بلوري، تئوري هاي بر پايه مکانيک کالسيک قادر به
دليل اصلي اين امر آن استد. پيش بيني رفتار اين سيستم ها نيستن که تئوري هاي کالسيک از اصل پايستگي انرژي موضعي حاصل مي
حال آنکه وجود نيروهاي بين اتمي اجازه استفاده از چنين، گردند قانوني را به ما نمي دهد و پايستگي انرژي بايستي نه به صورت موضعي بلکه در کل جسم مورد بررسي نوشته شود. تئوري هاي غيرموضعي با در نظر گرفتن اين موضوع توانسته اند بسياري از پديده هاي مشاهده شده در ابعاد بسيار ريز را که توسط تئوري
کالسيک قابل توجيه نيستند پيش بيني نموده و نتايج حاصل از آنهاتطابق خوبي با بسياري از نتايج آزمايشگاهي داراست.
از آنجا که شناخت معادالت حاکم بر سيستم هاي ميکرو و نانو الکترومکانيکي نقش اساسي در پيش بيني رفتار آنها و تاثير
10
دانلود متن کامل در
download-thesis.com پارامترهاي گوناگون بر عملکرد آنها را داراست و طراحي بهينه اين
باشد، استفاده ازيسيستم ها بدون چنين شناختي امکان پذير نم مدل هايي که به بهترين نحو و با کمترين خطا رفتار اين سيستم ها را
پيش بيني کنند بسيار ارزشمند خواهد بود.
با توجه به کاربرد گسترده ميکرو و نانو تيرهاي تحريک شده با ميدان الکتريکي در سيستم هاي ميکرو و نانو الکترومکانيکي، اين
پژوهش قصد دارد با استفاده از تئوري غيرموضعي مدلي ارائه نمايد که به بهترين نحو رفتار ديناميکي و ارتعاشي اين سيستم ها را پيش
بيني کرده و خطاهاي ناشي از تئوري هاي کالسيک را که تا کنون موردد.استفاده قرار مي گرفته اند از ميان بردار
فصل بندي پژوهش-1-1-4 در چارچوبمفاهيم پايه اي و اصلي به تعريف -2-1در قسمت
پژوهش حاضر پرداخته مي شود. ابتدا پديده ي معمول در سيستم هاي استفاده از ميدان سازه با نانو الکترومکانيک يعني روش تحريک
معرفي مي گردد. به اهميت اثرمدل خازن الکتريکيالکتريکي و با نيروي جاذبه واندروالسي به عنوان نيروهاي بين ملکولي در برهم کنش
ملکولي صفحات الکترود تاکيد مي شود. ضرورت استفاده از تئوري تنش غيرمحلي نسبت به تئوري هاي کالسيک گذشته آشکار و رابطه
و اساس کاربين تنش االستيسيته محلي و غيرمحلي بدست مي آيد. حسگرهاي مرتعش در تشخيص جرم خارجي بر پايه پديده رزونانس و
و رفتار غيرخطي آن تحليل مي شود.
مروري بر ادبيات موضوعيError: Reference source not found قسمت دارد. ابتدا با مرور تاريخچه ميکرو و نانوسوييچ ها، فرايند تکاملي
پيشرفت در مدلسازي سوييچ ها از مدل هاي گسسته جرم و فنري تا
11
دانلود متن کامل در
download-thesis.com مدل هاي پيوسته، شبيه سازي هاي ديناميک ملکولي و نرم افزاري و
لزوم درنظرگرفتن تاثير پديده هاي معمول غيرخطي در سيستم هاي ميکرو و نانو الکترومکانيک بر روي رفتار استاتيکي، ارتعاشي و
ديناميکي آن ها شناخته مي شود. با بررسي روش هاي حل عددي بکار رفته در کارهاي پيشين و ترکيب آنها با متدهاي تحليلي براي
بدست آوردن پارامترهاي نقطه ناپايداري، کارايي، دقت و همگرايي و واگرايي چنين روش هايي مقايسه و ارزيابي مي شوند و تکنيک هاي
حس )تشخيص( ديناميکي در طراحي، ساخت و تست هاي آزمايشگاهي براي بهبود بخشيدن و باالبردن حساسيت حسگرها و
همچنين استفاده از متدهاي مختلف الکترواستاتيکي و پيزوالکتريکي در دسته حس کننده ها معرفي خواهد شد. و در قسمت آخر جايگاه پژوهش حاضر در ميان کارهاي پژوهشي انجام شده و اهداف
بيان مي گردد.هسازماندهي شده در مسير تحليل مدل مسال
در فصل دوم مدلسازي مسأله صورت گرفته و معادالت حاکم و شرايط مرزي آن ها با استفاده از تئوري غيرموضعي بازنويسي ،مي شوند. همچنين با ارائه يک حل خطي براي معادالت تعادل
وابستگي فرکانس سيستم به ولتاژ الکتريکي اعمال شده بررسيمي شود.
در ادامه براي تحليل ديناميکي جابجايي نانوتير به دو بخش ابتدا حل معادله استاتيکي بااستاتيکي و ديناميکي تقسيم مي شود.
انجام شده و ولتاژ و جابجايي1استفاده از دستور حل عددي متلب استاتيکي متناظر با آن به ازاي پارامتر غيرموضعي معين تعيين
مي گردد. سپس با حل مسأله مقدار ويژه و همگن که توصيف کننده مودشيپ و فرکانس طبيعيارتعاشات حول موقعيت استاتيکي است،
که تابع ولتاژ استاتيکي و پارامتر غيرموضعي است، استخراج مي گردد.
1 Matlab
12
دانلود متن کامل در
download-thesis.com فصل چهارم به بررسي پديده ناپايداري سيستم در حضور ذره
جرمي محرک روي نانو تيري مي پردازد که در حال نوسان يکنواخت و پايدار در ازاي ولتاژ معيني است. با ساده سازي مساله واقعي به
مهم که پيرامون ارتعاشمدلي ايده ال، و استفاده از چندين فرض سازه ها تحت بار محرک صورت مي گيرد، امکان وقوع ناپايداري نانوتير
در زمان مشخصي از حرکت نانوذره بررسي مي شود.
در ادامه ناپايداري کششي نانوسوييچ نيتريد-بور با خاصيت پيزوالکتريک بررسي مي شود. براي استخراج معادالت تعادل از اصل
کار مجازي استفاده شده و با کمک روش عددي مربع سازيديفرانسيلي، مسئله حل مي شود.
ه نتيجه گيري، جمع بندي و ميزان موفقيت مسير، ب در پايان سازماندهي شده تحقيق حاضر از نقطه اي که ايده پژوهش شکل
گرفت، صحت مدلسازي وتحليل هاي رياضي و فيزيکي سيستم بررسي.شد تا اينکه نتايج عددي نهايي حاصل شوند، پرداخته خواهد شد
مفاهيم پايه و اصلي-1-2
تحريک الکترواستاتيک در ميدان الکتريکي-1-2-1 مشاهده مي شود يک مجموعه زير همانطور که در شکل
ميکرو/نانو تير تحريک شده با ميدان الکتريکي متشکل از يک تير االستيک در ابعاد ميکرو يا نانو با شرايط مرزي مشخص است.که به
يک صفحه رساناي زمينه که صلب طور موازي در فاصله معيني از مورد نظر اختالف قرار گرفته است. بسته به کاربرد، فرض مي شود
به صورت يکباره يا آرام آرام بين تير و صفحه زمينه، V0 پتانسيل ولتاژ بسته به کاربرد مي تواند مستقيم خالص و يا اعمال مي شود. اين
13
دانلود متن کامل در
download-thesis.comداراي يک مولفه متناوب باشد.
: شماتيک سه بعدي ميکرو/نانو تيرتحريک شده با مدل خازن4-1شکل در ميدان الکتريکي
پس از اعمال ولتاژ به سيستم، بار الکتريکي در تير و زمينه جريان يافته و بارهاي ناهمنام بر روي اين دو ذخيره مي گيردد. در اثر
نيروي جاذبه الکتريکي بين بارهاي ناهم نام نيروي کشش گسترده اي به تير وارد شده و سبب تغييرشکل آن مي گردد که اندازه جابجايي به
مقدار ولتاژ وارده وابسته است.
چنانچه تير به مجموعه خازن هاي بسيار کوچک4-1شکل در موازي تقسيم شود، ظرفيت هريک از اين خازن ها بر واحد طول به
صورت زير خواهد بود:
1-1C=ε0 b
(g0−w)
بار الکتريکي هر يک ازq اختالف پتانسيل، و V جريان، iاگر :[9]خازن ها باشد، پس انرژي پتانسيل هرخازن برابر خواهد شد با
14
دانلود متن کامل در
download-thesis.com1-
2U e=∫V idt=∫V dq=C∫V dV =1
2C V 2
و نيروي جاذبه الکتريکي بر واحد طول از رابطه زير بدست مي آيد:
1-3Felec=−∂ U e
∂ w=1
2ε0b
(g0−w)2 V 2
15
دانلود متن کامل در
download-thesis.com
مراجع
[1]. Maluf, N. and K. Williams, An Introduction to Microelectromechanical Systems Engineering 2nd Ed2004: Artech House.
[2]. Elwenspoek, M. and R. Wiegerink, Mechanical microsensors, 2001, IOP Publishing.
[3]. Younis, M.I., Microsystems: Mems Linear and Nonlinear Statics and Dynamics. Vol. 20. 2010: Springer.
[4]. www.sensata.com, (Sensata Technologies; Attleboro, MA).
[5]. Pelesko, J.A. and D.H. Bernstein, Modeling Mems and Nems2002: CRC press.
[6]. Lee, S., et al., Carbon-nanotube based nano electromechanical switches. J Korean Phys Soc, 2009. 55: p. 957-961.
[7]. Loh, O., et al., Arrays of Robust Carbon Nanotube-Based NEMS: A Combined Experimental/Computational Investigation, in MEMS and Nanotechnology, Volume 22011, Springer. p. 81-82.
[8]. Alsaleem, F.M., Dynamics of Hybrid MEMS Sensors and Switches for Mass and Acceleration Detection2009: ProQuest.
[9]. Magrab, E.B., Vibrations of Elastic Systems: With Applications to MEMS and NEMS. Vol. 184. 2012: Springer.
[10]. Batra, R., M. Porfiri, and D. Spinello, Vibrations of narrow microbeams predeformed by an electric field. Journal of Sound and Vibration, 2008. 309(3): p. 600-612.
[11]. Zhou, S.-A., On forces in microelectromechanical systems. International Journal of Engineering Science, 2003. 41(3): p. 313-335.
[12]. Lennard-Jones, J., Perturbation problems in quantum mechanics.
16
دانلود متن کامل در
download-thesis.comProceedings of the Royal Society of London. Series A, 1930. 129(811): p. 598-615.
[13]. Israelachvili, J.N., Intermolecular and surface forces: revised third edition2011: Academic press.
[14]. Dequesnes, M., S. Rotkin, and N. Aluru, Calculation of pull-in voltages for carbon-nanotube-based nanoelectromechanical switches. Nanotechnology, 2002. 13(1): p. 120.
[15]. Rotkin, S.V. Analytical calculations for nanoscale electromechanical systems. in Electrochem Soc Proc. 2002.
[16]. Eringen, A.C., Nonlocal continuum field theories2002: Springer.
[17]. Polizzotto, C., Nonlocal elasticity and related variational principles. International Journal of Solids and Structures, 2001. 38(42): p. 7359-7380.
[18]. Rueckes, T., et al., Carbon nanotube-based nonvolatile random access memory for molecular computing. science, 2000. 289(5476): p. 94-97.
[19]. Kim, P. and C.M. Lieber, Nanotube nanotweezers. science, 1999. 286(5447): p. 2148-2150.
[20]. Zhu, Y., C. Ke, and H. Espinosa, Experimental techniques for the mechanical characterization of one-dimensional nanostructures. Experimental Mechanics, 2007. 47(1): p. 7-24.
[21]. Aluru, N., Static and dynamic analysis of carbon nanotube-based switches. Urbana, 2004. 51: p. 61801.
[22]. Elata, D., On the static and dynamic response of electrostatic actuators. TECHNICAL SCIENCES, 2005. 53(4).
[23]. Ramezani, A., A. Alasty, and J. Akbari, Closed-form solutions of the pull-in instability in nano-cantilevers under electrostatic and intermolecular surface forces. International journal of solids and structures, 2007. 44(14): p. 4925-4941.
[24]. Hierold, C., From micro-to nanosystems: mechanical sensors go nano. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2004. 14(9): p. S1.
[25]. Li, C.-Y. and T.-W. Chou, Strain and pressure sensing using single-walled carbon nanotubes. Nanotechnology, 2004. 15(11): p. 1493.
[26]. Pamidighantam, S., et al., Pull-in voltage analysis of electrostatically actuated beam structures with fixed–fixed and fixed–free end conditions.
17
دانلود متن کامل در
download-thesis.comJournal of Micromechanics and Microengineering, 2002. 12(4): p. 458.
[27]. Lin, W.-H. and Y.-P. Zhao, Casimir effect on the pull-in parameters of nanometer switches. Microsystem technologies, 2005. 11(2-3): p. 80-85.
[28]. Dequesnes, M., S.V. Rotkin, and N.R. Aluru, Parameterization of continuum theories for single wall carbon nanotube switches by molecular dynamics simulations. Journal of Computational Electronics, 2002. 1(3): p. 313-316.
[29]. Gu, Y. and L. Zhang. Deformation characterization of a nanoelectromechanical switch. in Journal of Physics: Conference Series. 2006. IOP Publishing.
[30]. Li, Z., et al., Nonlinear analysis of a SWCNT over a bundle of nanotubes. International journal of solids and structures, 2004. 41(24): p. 6925-6936.
[31]. Ijntema, D.J. and H.A. Tilmans, Static and dynamic aspects of an air-gap capacitor. Sensors and Actuators A: Physical, 1992. 35(2): p. 121-128.
[32]. Tilmans, H.A. and R. Legtenberg, Electrostatically driven vacuum-encapsulated polysilicon resonators: Part II. Theory and performance. Sensors and Actuators A: Physical, 1994. 45(1): p. 67-84.
[33]. König, E.-R. and G. Wachutka, Multi-parameter homotopy for the numerical analysis of MEMS. Sensors and Actuators A: Physical, 2004. 110(1): p. 39-51.
[34]. Kuang, J.-H. and C.-J. Chen, Dynamic characteristics of shaped micro-actuators solved using the differential quadrature method. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2004. 14(4): p. 647.
[35]. Moghimi Zand, M. and M. Ahmadian, Characterization of coupled-domain multi-layer microplates in pull-in phenomenon, vibrations and dynamics. International Journal of Mechanical Sciences, 2007. 49(11): p. 1226-1237.
[36]. Zhang, Y. and Y.-p. Zhao, Numerical and analytical study on the pull-in instability of micro-structure under electrostatic loading. Sensors and Actuators A: Physical, 2006. 127(2): p. 366-380.
[37]. Hu, Y.-C., Closed form solutions for the pull-in voltage of micro curled beams subjected to electrostatic loads. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2006. 16(3): p. 648.
[38]. Younis, M. and A. Nayfeh, A study of the nonlinear response of a resonant microbeam to an electric actuation. Nonlinear Dynamics, 2003.
18
دانلود متن کامل در
download-thesis.com31(1): p. 91-117.
[39]. Ramezani, A., A. Alasty, and J. Akbari, Influence of van der Waals force on the pull-in parameters of cantilever type nanoscale electrostatic actuators. Microsystem technologies, 2006. 12(12): p. 1153-1161.
[40]. Ramezani, A., A. Alasty, and J. Akbari, Pull-in parameters of cantilever type nanomechanical switches in presence of Casimir force. Nonlinear Analysis: Hybrid Systems, 2007. 1(3): p. 364-382.
[41]. Zhao, X., E.M. Abdel-Rahman, and A.H. Nayfeh, A reduced-order model for electrically actuated microplates. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2004. 14(7): p. 900.
[42]. Nayfeh, A.H., M.I. Younis, and E.M. Abdel-Rahman, Reduced-order models for MEMS applications. Nonlinear Dynamics, 2005. 41(1-3): p. 211-236.
[43]. Abdel-Rahman, E.M., M.I. Younis, and A.H. Nayfeh, Characterization of the mechanical behavior of an electrically actuated microbeam. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2002. 12(6): p. 759.
[44]. Mojahedi, M., M. Moghimi Zand, and M. Ahmadian, Static pull-in analysis of electrostatically actuated microbeams using homotopy perturbation method. Applied Mathematical Modelling, 2010. 34(4): p. 1032-1041.
[45]. Younis, M.I., Modeling and simulation of microelectromechanical systems in multi-physics fields, 2004, Citeseer.
[46]. Nayfeh, A.H. and M.I. Younis, A new approach to the modeling and simulation of flexible microstructures under the effect of squeeze-film damping. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2004. 14(2): p. 170.
[47]. Moghimi Zand, M., M. Ahmadian, and B. Rashidian, Semi-analytic solutions to nonlinear vibrations of microbeams under suddenly applied voltages. Journal of Sound and Vibration, 2009. 325(1): p. 382-396.
[48]. Batra, R., M. Porfiri, and D. Spinello, Effects of Casimir force on pull-in instability in micromembranes. EPL (Europhysics Letters), 2007. 77(2): p. 20010.
[49]. Batra, R., M. Porfiri, and D. Spinello, Reduced-order models for microelectromechanical rectangular and circular plates incorporating the Casimir force. International journal of solids and structures, 2008. 45(11): p. 3558-3583.
19
دانلود متن کامل در
download-thesis.com[50]. Batra, R.C., M. Porfiri, and D. Spinello, Effects of van der Waals force
and thermal stresses on pull-in instability of clamped rectangular microplates. Sensors, 2008. 8(2): p. 1048-1069.
[51]. Teva, J., et al., A femtogram resolution mass sensor platform based on SOI electrostatically driven resonant cantilever. Part II: Sensor calibration and glycerine evaporation rate measurement. Ultramicroscopy, 2006. 106(8): p. 808-814.
[52]. Battiston, F., et al., A chemical sensor based on a microfabricated cantilever array with simultaneous resonance-frequency and bending readout. Sensors and Actuators B: Chemical, 2001. 77(1): p. 122-131.
[53]. Villarroya, M., et al., System on chip mass sensor based on polysilicon cantilevers arrays for multiple detection. Sensors and Actuators A: Physical, 2006. 132(1): p. 154-164.
[54]. Kim, S.-J., T. Ono, and M. Esashi, Capacitive resonant mass sensor with frequency demodulation detection based on resonant circuit. Applied physics letters, 2006. 88(5): p. 053116-053116-3.
[55]. Ekinci, K., X. Huang, and M. Roukes, Ultrasensitive nanoelectromechanical mass detection. Applied physics letters, 2004. 84(22): p. 4469-4471.
[56]. Burg, T.P., et al., Vacuum-packaged suspended microchannel resonant mass sensor for biomolecular detection. Microelectromechanical Systems, Journal of, 2006. 15(6): p. 1466-1476.
[57]. Voiculescu, I., et al., Electrostatically actuated resonant microcantilever beam in CMOS technology for the detection of chemical weapons. Sensors Journal, IEEE, 2005. 5(4): p. 641-647.
[58]. Lochon, F., et al., Silicon made resonant microcantilever: Dependence of the chemical sensing performances on the sensitive coating thickness. Materials Science and Engineering: C, 2006. 26(2): p. 348-353.
[59]. Ghatkesar, M.K., et al., Higher modes of vibration increase mass sensitivity in nanomechanical microcantilevers. Nanotechnology, 2007. 18(44): p. 445502.
[60]. Sharos, L., et al., Enhanced mass sensing using torsional and lateral resonances in microcantilevers. Applied physics letters, 2004. 84(23): p. 4638-4640.
[61]. Tseytlin, Y.M., High resonant mass sensor evaluation: An effective
20
دانلود متن کامل در
download-thesis.commethod. Review of scientific instruments, 2005. 76(11): p. 115101-115101-6.
[62]. Sinha, N., J. Ma, and J.T. Yeow, Carbon nanotube-based sensors. Journal of nanoscience and nanotechnology, 2006. 6(3): p. 573-590.
[63]. Nayfeh, A.H. and P.F. Pai, Linear and nonlinear structural mechanics2008: Wiley. com.
[64]. Shampine, L.F., I. Gladwell, and S. Thompson, Solving ODEs with MATLAB2003: Cambridge University Press.
[65]. Rao, S.S., Vibration of continuous systems2007: John Wiley & Sons.
[66]. Fryba, L. and L. Frýba, Vibration of solids and structures under moving loads1999: Thomas Telford.
[67]. Kiani, K., Longitudinal and transverse vibration of a single-walled carbon nanotube subjected to a moving nanoparticle accounting for both nonlocal and inertial effects. Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, 2010. 42(9): p. 2391-2401.
[68]. Kiani, K. and B. Mehri, Assessment of nanotube structures under a moving nanoparticle using nonlocal beam theories. Journal of Sound and Vibration, 2010. 329(11): p. 2241-2264.
[69]. Şimşek, M., Vibration analysis of a single-walled carbon nanotube under action of a moving harmonic load based on nonlocal elasticity theory. Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, 2010. 43(1): p. 182-191.
[70]. Yan, T. and J. Yang, Forced Vibration of Edge-Cracked Functionally Graded Beams Due to a Transverse Moving Load. Procedia Engineering, 2011. 14: p. 3293-3300.
[71]. Oh, E.-S., Elastic properties of boron-nitride nanotubes through the continuum lattice approach. Materials Letters, 2010. 64(7): p. 859-862.
[72]. Song, J., et al., Deformation and bifurcation analysis of boron-nitride nanotubes. International journal of mechanical sciences, 2006. 48(11): p. 1197-1207.
[73]. Shu, C., Differential quadrature and its applications in engineering. 2000: Springer.
[74]. Yang, J., X. Jia, and S. Kitipornchai, Pull-in instability of nano-switches using nonlocal elasticity theory. Journal of Physics D: Applied Physics, 2008. 41(3): p. 035103.
21
دانلود متن کامل در
download-thesis.comAbstract:
Micro and Nano electromechanical systems have been considered mainly in
two fields of sensors and actuators in different sciences such as mechanic,
aerospace and medicine due to the unique characteristics and distinguished
properties. Electrostatically actuation is one of the simplest and most prevalent of
actuation and sensing in these systems that lead to instability phenomenon in
them.
Prediction of static and dynamic behavior of electromechanical systems
have gone along with errors in nano-scale based on classical theories. Hence in
the present study, electrostatically actuated carbon nano-switches and carbon
nano-sensors are investigated with nonlocal stress theory. At First, the nonlinear
governing equations and boundary conditions with nonlocal theory are
reformulated and deflection of nanobeam is divided into dynamic and static parts.
The static solution is done and then natural frequencies and normal mode shapes
are extracted by eigen-value dynamic problem solution in which both of them are
the function of static voltage and nonlocal parameter. Due to used in Galerkin
approximation method for solving equations to determine pull-in voltage and pull-
in time more accurately. In vibration analysis by introducing a new model of
carbon nanosensor which their efficiency is examined in the presence of moving
nanoparticle. Also nonlinear pull-in instability of boron nitride nanoswitch with
nonlocal piezoelasticity theory is investigated. Finally, based on the analysis of
static, dynamic and vibration, the results show that the nonlocal influence affect
on the nano-electromechanical switches in field of pull-in parameters.
Keywords:
Nano-electromechanical system, pull-in voltage, Carbon nanotube, Boron
nitride nanoswitch, Nonlocal elastisity theory, Nonlinear dynamic, Electrostatic
actuation.
دانلود متن کامل در
download-thesis.com
University of KashanFaculty of Engineering
Department of Mechanical Engineering
Thesis:
For Degree of Master of Science (MSc)In Mechanical Engineering
Title:
Non-linear analysis of dynamic and vibration Carbon nanotube in nano-electromechanic
switching system based on nonlocal elasticity theory
Supervisor:Prof. Ali Ghorbanpour Arani
By:………………….
February 2014
