استفاده از جرم موثر برای کالیبراسیون حرارتی مکانیکی

حسگرهای میکرومکانیکی برای بسیاری از محصولات تجاری استاندارد در نانوالکترونیک و نانومکانیک حیاتی هستند. اینها حسگرهایی هستند که به قدری کوچک هستند که در مقیاس نانو کار می کنند و قطعات آن در یک میلیاردم متر اندازه گیری می شوند. محققان دانشگاه آلبرتا در حال بررسی راه‌هایی برای یافتن جرم موثر – جرم یک ذره در هنگام واکنش به یک نیرو – حسگرهای میکرومکانیکی به روشی سریع‌تر هستند. این اندازه گیری برای انجام کالیبراسیون ترمومکانیکی کلیدی است.

سرنخ هایی برای یافتن جرم موثر داده شده توسط داده های دما

به طور سنتی، روش محاسبه جرم موثر یک ذره فشار دادن روی آن و اندازه گیری نحوه واکنش آن به نیروی اعمالی است. یکی از تیم های تحقیقاتی دانشگاه آلبرتا (براد هاور، کالوم دولین، کوین بیچ و جان دیویس) از شبیه سازی به عنوان یک ابزار کارآمد و غیرتهاجمی برای دستیابی به کالیبراسیون ترمومکانیکی استفاده می کند.

به گفته هاوئر، “کالیبراسیون مناسب رزوناتورها بسیار مهم است، به ویژه در صنایعی که دقت غیرقابل مذاکره است.”

کالیبراسیون ترمومکانیکی به دلیل دقت آن، تجهیزات را قادر می‌سازد تا به درستی و بهینه عمل کنند. حرکت حرارتی تشدید کننده متناسب با انرژی آن است که به نوبه خود متناسب با مجذور جرم موثر و جابجایی وابسته به زمان است. محاسبه جرم موثر هم جرم و هم شکل حالت و در نتیجه جابجایی یک تشدید کننده را در نظر می گیرد. به زبان ساده، پیش‌بینی دقیق جرم مؤثر طراحی تشدیدگر امکان کالیبراسیون مناسب را فراهم می‌کند.

شبیه سازی نکته میکروسکوپ نیروی اتمی

میکروسکوپ نیروی اتمی میدانی است که در آن اندازه گیری های بسیار دقیقی مورد نیاز است. میکروسکوپ نیروی اتمی روشی برای ابزار برای بازرسی سطوح است. این کار با ایجاد تصاویری با وضوح بالا از اشیا با اجرای یک کاوشگر فیزیکی در امتداد آنها کار می کند. یکی از نکات منفی این فرآیند این است که اندازه‌گیری‌ها را می‌توان با خطاهای ساخت در تجهیزات کاملاً حذف کرد. دستگاهی به اندازه نوک میکروسکوپ نیروی اتمی حساس به کالیبراسیون دقیق نیاز دارد.

محققان دانشگاه آلبرتا شکل حالت بنیادی را با مطالعه فرکانس ویژه موجود در ماژول مکانیک سازه تجزیه و تحلیل کردند . سپس جرم موثر را با انجام یک ادغام حجمی چگالی تشدیدگر ضرب در جابجایی نرمال شده مجذور کل هندسه آن بدست آوردند.

تصویر شبیه سازی میکروسکوپ نیروی اتمی.
شبیه‌سازی شکل‌های حالت نوک میکروسکوپ نیروی اتمی، که در آن نور منعکس شده از یک کنسول توسط یک فتودیود اندازه‌گیری می‌شود.

یافتن جرم موثر هر دستگاه

با انواع بسیاری از سنسورهای در حال استفاده که نیاز به کالیبره شدن دارند، این یک مزیت بزرگ است که بتوانیم تمام هندسه ها را در یک نرم افزار مدل سازی کنیم. در آینده، محققان دانشگاه آلبرتا روی برخی از طرح‌های پیشرفته که شامل اپتومکانیک هستند، کار خواهند کرد. به طور طبیعی، آنها همچنان از COMSOL Multiphysics برای مدل سازی طرح های خود استفاده خواهند کرد.

طیف وسیعی از کاربردها برای شرکت‌هایی که با نانوساختارها، نانورشته‌ها و هر چیز دیگری کار می‌کنند، وجود دارد. بهترین بخش این است که هر کسی که دارای ماژول مکانیک سازه باشد می تواند جرم موثر دستگاه های نانوالکترونیکی و نانومکانیکی را به روشی کارآمدتر و مقیاس پذیرتر بدست آورد.

اندازه گیری جرم موثر برای سنسور نیرو برای انجام کالیبراسیون ترمومکانیکی
یک مبدل نیرو که قادر است نیرو را با افزایش هایی به کوچکی آتون نیوتن (10-18 نیوتن) اندازه گیری ^کند .