تلفات انرژی کم: تلفات ورودی یک سوییچ مربوط به میزان کارایی آن در انتقال سیگنال است. در سوییچها تلفات فقط هنگام عبور سیگنال و یا وقتی سوییچ در حالت روشن قرار دارد مطرح میشود. این تلفات بر حسب ضریب عبور سیگنال، بر مبنای دسیبل، میان ترمینال‌های ورودی و خروجی مدار تعریف میشود. معمولاً کاهش تلفات برای طراحی سوییچها بسیار مورد توجه قرار می‌گیرد. با افزایش فرکانس سوییچها تلفات انرژی در سیستم کاهش می‌یابد.
(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت nefo.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))
اما استفاده از نانوسوییچ‌ها موانعی را نیز در بر دارد که از آن جمله می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
نیاز به ولتاژ بالای راه‌اندازی
تأخیر در پاسخ سیستم: نانوسوییچ الکترواستاتیک با معلق شدن نانولوله تک دیواره و یا چند دیواره بالای الکترود زمین ساخته میشود. هنگامی که بین نانولوله و بستر، اختلاف پتانسیل ایجاد میشود، نانولوله به طرف الکترود زمین خم می شود و هنگامی که این اختلاف پتانسیل به اندازه کافی بزرگ باشد، با زمین اتصال برقرار خواهد کرد.
برای مثال در شکل ۱-۳ سر نانولوله به الکترود بالایی ثابت شده و روی الکترود پایین معلق است. نیروی الکترواستاتیک باعث میشود نانولوله کربنی به طرف الکترود پایینی شتاب بگیرد. موقعی که لبه آزاد نانولوله به الکترود پایین می‌رسد، جریان الکتریکی آغاز میشود، و مدار بسته میشود. این جریان از مقامت الکتریکی پسخورد[۱۹] گذشته، و باعث کاهش ولتاژ بایاس[۲۰] (کاهش نیروی الکترواستاتیک) شده و با این روش مقامت مدار ولتاژ را تنظیم می‌کند تا سوییچ در حالت روشن باقی بماند[۷].
شکل ۱‑۳: تصویری از تحریک الکترواستاتیکی CNT Switch درمداری که با منبع ولتاژ و مقاومت فیدبک تنظیم میشود.
به علاوه در بررسی نیروهای الاستیک و الکترواستاتیک، برای فاصله هوایی کوچک، در نظرگرفتن نیروهای واندروالس برای درک بهتر رفتار نانوسوییچ، بسیار مهم و ضروری خواهد بود. در این تحقیق به بررسی رفتار استاتیکی و دینامیکی و ارتعاشی نانوسوییچ های الکترواستاتیک پرداخته خواهد شد.
سیستم‌های میکرو و نانو الکترومکانیکی در شناسایی ذره خارجی
پیشرفت‌های اخیر در قطعات میکرو الکترومکانیکی منجر به توسعه حسگرهای جدیدی با ویژگی‌های منحصر بفرد و مشخصه های متمایز و برجسته شده است. بالاخص، حوزه حسگرهای جرمی، که شامل شناسایی گازهای شیمیایی، موجودات میکروبی، شارژهای الکتریکی، و نانوذرات میشود، در سالهای اخیر توجه قابل ملاحظه‌‌ای داشته‌است. مسیر بیشتر تحقیقات انجام شده، روی بهبود بخشیدن به حساسیت سنسورها و دستیابی به تشخیص جرم‌های کوچکتر متمرکز شده است. علت این موضوع به خاطر تقاضا برای کاربردهای جدیدی است که نیازمند اندازه‌گیری جرم‌های خیلی کم، در حد جرم ویروس و جرم ملکول‌های DNA میباشد. با این حال شاخصه‌های دلخواه دیگر، مثلاً طراحی سنسورهای جدید چندکاره، پاسخگویی سریعتر، قابلیت اطمینان بیشتر و هزینه کمتر، هنوز مورد توجه کافی قرار نگرفته‌اند. ضرورت وجود این مشخصه ها تا حدی است که ساختن این حسگرها امکان‌پذیر شود. مخصوصاً در کاربردهایی، همچون تشخیص مواد منفجره و مواد میکروبی خطرناک. پروژه حاضر تلاشی به سوی این مسیر تحقیق است، تا حسگرهای نوینی را براساس ویژگی‌های دینامیکی منحصربه فرد سیستم‌های نانو الکترومکانیکی مدلسازی و طراحی کند[۸].
تئوری‌های کلاسیک و غیر موضعی
به دلیل وجود نیروهای بین اتمی و بین مولکولی با کوچک شدن ابعاد سیستم ها و قابل مقایسه شدن این ابعاد با فواصل بین ذرات و پارامترهای شبکه بلوری، تئوری های بر پایه مکانیک کلاسیک قادر به پیش بینی رفتار این سیستم ها نیستند. دلیل اصلی این امر آن است که تئوری های کلاسیک از اصل پایستگی انرژی موضعی حاصل می گردند، حال آنکه وجود نیروهای بین اتمی اجازه استفاده از چنین قانونی را به ما نمی دهد و پایستگی انرژی بایستی نه به صورت موضعی بلکه در کل جسم مورد بررسی نوشته شود. تئوری های غیرموضعی با در نظر گرفتن این موضوع توانسته‌اند بسیاری از پدیده‌های مشاهده شده در ابعاد بسیار ریز را که توسط تئوری کلاسیک قابل توجیه نیستند پیش بینی نموده و نتایج حاصل از آنها تطابق خوبی با بسیاری از نتایج آزمایشگاهی داراست.
از آنجا که شناخت معادلات حاکم بر سیستم های میکرو و نانو الکترومکانیکی نقش اساسی در پیش بینی رفتار آنها و تاثیر پارامترهای گوناگون بر عملکرد آنها را داراست و طراحی بهینه این سیستم ها بدون چنین شناختی امکان پذیر نمی‌باشد، استفاده از مدل‌هایی که به بهترین نحو و با کمترین خطا رفتار این سیستم ها را پیش بینی کنند بسیار ارزشمند خواهد بود.
با توجه به کاربرد گسترده میکرو و نانو تیرهای تحریک شده با میدان الکتریکی در سیستم‌های میکرو و نانو الکترومکانیکی، این پژوهش قصد دارد با بهره گرفتن از تئوری غیرموضعی مدلی ارائه نماید که به بهترین نحو رفتار دینامیکی و ارتعاشی این سیستم ها را پیش بینی کرده و خطاهای ناشی از تئوری های کلاسیک را که تا کنون مورد استفاده قرار می‌گرفته اند از میان بردارد.
فصل‌بندی پژوهش
در قسمت ۱-۲- به تعریف مفاهیم پایه‌ای و اصلی در چارچوب پژوهش حاضر پرداخته میشود. ابتدا پدیده‌ی معمول در سیستم های نانو الکترومکانیک یعنی روش تحریک سازه با بهره گرفتن از میدان الکتریکی و با مدل خازن الکتریکی معرفی می‌گردد. به اهمیت اثر نیروی جاذبه واندروالسی به عنوان نیروهای بین‌ملکولی در برهم‌کنش ملکولی صفحات الکترود تاکید می شود. ضرورت استفاده از تئوری تنش غیرمحلی نسبت به تئوری‌های کلاسیک گذشته آشکار و رابطه بین تنش الاستیسیته محلی و غیرمحلی بدست‌می‌آید. و اساس کار حسگرهای مرتعش در تشخیص جرم خارجی بر پایه پدیده رزونانس و و رفتار غیرخطی آن تحلیل میشود.
قسمت ۱-۳- مروری بر ادبیات موضوعی دارد. ابتدا با مرور تاریخچه میکرو و نانوسوییچ‌ها، فرایند تکاملی پیشرفت در مدلسازی سوییچها از مدلهای گسسته جرم و فنری تا مدلهای پیوسته، شبیه‌سازی‌های دینامیک ملکولی و نرم‌افزاری و لزوم درنظرگرفتن تاثیر پدیده‌های معمول غیرخطی در سیستم‌های میکرو و نانو الکترومکانیک بر روی رفتار استاتیکی، ارتعاشی و دینامیکی آنها شناخته میشود. با بررسی روش‌های حل عددی بکار رفته در کارهای پیشین و ترکیب آنها با متدهای تحلیلی برای بدست‌آوردن پارامترهای نقطه ناپایداری، کارایی، دقت و همگرایی و واگرایی چنین روش‌هایی مقایسه و ارزیابی می‌شوند و تکنیک‌های حسِ (تشخیص) دینامیکی در طراحی، ساخت و تست‌های آزمایشگاهی برای بهبود بخشیدن و بالابردن حساسیت حسگرها و همچنین استفاده از متدهای مختلف الکترواستاتیکی و پیزوالکتریکی در دسته حس‌کننده‌ها معرفی خواهد شد. و در قسمت آخر جایگاه پژوهش حاضر در میان کارهای پژوهشی انجام شده و اهداف سازماندهی شده در مسیر تحلیل مدل مساله بیان می‌گردد.
در فصل دوم مدلسازی مسأله صورت گرفته و معادلات حاکم و شرایط مرزی آنها با بهره گرفتن از تئوری غیرموضعی بازنویسی می‌شوند. همچنین با ارائه یک حل خطی برای معادلات تعادل، وابستگی فرکانس سیستم به ولتاژ الکتریکی اعمال شده بررسی میشود.
در ادامه برای تحلیل دینامیکی جابجایی نانوتیر به دو بخش استاتیکی و دینامیکی تقسیم میشود. ابتدا حل معادله استاتیکی با بهره گرفتن از دستور حل عددی متلب[۲۱] انجام شده و ولتاژ و جابجایی استاتیکی متناظر با آن به ازای پارامتر غیرموضعی معین تعیین می‌گردد. سپس با حل مسأله مقدار ویژه و همگن که توصیف‌کننده ارتعاشات حول موقعیت استاتیکی است، مودشیپ و فرکانس طبیعی که تابع ولتاژ استاتیکی و پارامتر غیرموضعی است، استخراج می‌گردد.
فصل چهارم به بررسی پدیده ناپایداری سیستم در حضور ذره جرمی محرک روی نانو تیری می‌پردازد که در حال نوسان یکنواخت و پایدار در ازای ولتاژ معینی است. با ساده سازی مساله واقعی به مدلی ایده‌ال، و استفاده از چندین فرض مهم که پیرامون ارتعاش سازه‌ها تحت بار محرک صورت می‌گیرد، امکان وقوع ناپایداری نانوتیر در زمان مشخصی از حرکت نانوذره بررسی میشود.
در ادامه ناپایداری کششی نانوسوییچ نیترید-بور با خاصیت پیزوالکتریک بررسی میشود. برای استخراج معادلات تعادل از اصل کار مجازی استفاده شده و با کمک روش عددی مربع‌سازی دیفرانسیلی، مسئله حل میشود.
در پایان، به‌نتیجه‌گیری، جمع‌بندی و میزان موفقیت مسیر سازماندهی شده تحقیق حاضر از نقطه‌ای که ایده پژوهش شکل گرفت، صحت مدلسازی وتحلیل‌های ریاضی و فیزیکی سیستم بررسی شد تا اینکه نتایج عددی نهایی حاصل شوند، پرداخته خواهد شد.
مفاهیم پایه و اصلی
تحریک الکترواستاتیک در میدان الکتریکی
همانطور که در شکل زیر مشاهده می شود یک مجموعه میکرو/نانو تیر تحریک شده با میدان الکتریکی متشکل از یک تیر الاستیک در ابعاد میکرو یا نانو با شرایط مرزی مشخص است.که به طور موازی در فاصله معینی از یک صفحه رسانای زمینه که صلب فرض میشود، قرار گرفته است. بسته به کاربرد مورد نظر اختلاف پتانسیل V0، به صورت یکباره یا آرام آرام بین تیر و صفحه زمینه اعمال می شود. این ولتاژ بسته به کاربرد می‌تواند مستقیم خالص و یا دارای یک مولفه متناوب باشد.
شکل ۱‑۴: شماتیک سه بعدی میکرو/نانو تیرتحریک شده با مدل خازن در میدان الکتریکی
پس از اعمال ولتاژ به سیستم، بار الکتریکی در تیر و زمینه جریان یافته و بارهای ناهمنام بر روی این دو ذخیره می‌گیردد. در اثر نیروی جاذبه الکتریکی بین بارهای ناهمنام نیروی کشش گسترده‌ای به تیر وارد شده و سبب تغییرشکل آن می‌گردد که اندازه جابجایی به مقدار ولتاژ وارده وابسته است.
در شکل ۱‑۴ چنانچه تیر به مجموعه خازن‌های بسیار کوچک موازی تقسیم شود، ظرفیت هریک از این خازن‌ها بر واحد طول به صورت زیر خواهد بود:
۱‑۱
اگر i جریان، V اختلاف پتانسیل، و q بار الکتریکی هر یک از خازن‌ها باشد، پس انرژی پتانسیل هرخازن برابر خواهد شد با[۹]:
۱‑۲
و نیروی جاذبه الکتریکی بر واحد طول از رابطه زیر بدست می‌آید:
