بررسی رفتار خمشی و ارتعاشی تحریک کننده های نانوالکترومکانیکی

تحریک کننده (عملگر) ابزاری برای تبدیل انرژی ورودی به نوعی مطلوب در خروجی می باشد. انواع مختلفی از عملگرها بسته به نوع تبدیل انرژی وجود دارد که از آن جمله عملگرهای الکترومکانیکی می باشند که انرژی الکتریکی (جریان یا ولتاژ) را به انرژی مکانیکی (نیرو یا تغییر مکان) تبدیل می کنند. از این نظر عملگرها برعکس سنسور می باشند. یکی از موادی که در زمینه عملگرها مورد استفاده قرار می گیرد پیزوالکتریک ها هستند که به دلیل ویژگی منحصربفردشان زمانیکه تحت جریان الکتریکی قرار گیرد دچار تغییر شکل می شوند. یکی از مزیت های پیزوالکتریک ها مقادیر بالای ضرایب کوپلینگ آن ها یعنی نسبت تغییر شکل به جریان ورودی در آن ها می باشد و به همین دلیل امروزه تحقیقات گسترده ای روی این مواد صورت می گیرد. یکی از کاربردی ترین اشکال مواد پیزوالکتریک استفاده از آن ها در مد خمشی می باشد بطوریکه ماده پیزوالکتریک را به صورت وصله ای بر روی تیری قرار داده و با اعمال ولتاژ متغیر به آن، سیستم را دچار اغتشاش در مود خمشی می کند. اخیرا مطالعاتی در مقیاس نانو بر روی این مواد شروع شده است که نیازمند ملاحظات ویژه ای می باشد. در این مطالعه به بررسی رفتار ارتعاشی یک تیر یکسر گیردار با وصله پیزوالکتریک متصل روی آن در مد خمشی پرداخته شده است. ابعاد وصله پیزوالکتریک در بازه نانو تا میکرومتر بوده و طول آن در چندین مرحله تغییر داده شده تا اثر طول بر روی شکل مد و فرکانس طبیعی جسم مشخص شود. برای بررسی نتایج از روش عددی dq بهره گرفته شده است که در حل معادلات ارتعاشی مزیت های بیشتری نسبت به سایر روش های عددی دارد. همچنین از تئوری غیرموضعی استفاده شده که در مقیاس نانو دقت بالاتری نسبت به تئوری موضعی دارد. نکته دیگر که به آن اهمیت داده شده اثر تنش های سطحی میان تیر و وصله پیزوالکتریک بوده که این مورد هم برخلاف مقیاس ماکرو که اهمیتی ندارد در مقیاس نانومتر می تواند تاثیر زیادی روی نتایج داشته باشد. با تمامی این ملاحظات نتایجی که بدست آمده نشان دهنده ی اهمیت بالای فاکتور اندازه (فاکتوری که در تئوری غیرموضعی وجود دارد) و تنش های سطحی نسبت به حالتی است که این موارد در نظر گرفته نمی شود. نکته دیگری که در نتایج دیده شد این بود که با افزایش فصل مشترک میان تیر و وصله تاثیر تنش سطحی غالب می شود. در مدهای بالاتر محل گره به سمت ناپیوستگی نزدیک می شود و نیز اینکه تاثیر تنش سطحی در مد اول بیش از مد دوم می باشد.