مجله علمی صوت و ارتعاش

مجله علمی صوت و ارتعاش

توسعه میکروسکوپ نیروی اتمیِ ماکرومقیاس مبتنی بر تنظیم دامنه

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
دانشکده مهندسی مکانیک، دانشکدگان فنی، دانشگاه تهران، تهران، ایران
چکیده
در این پژوهش، طراحی، ساخت و ارزیابی یک میکروسکوپ نیروی اتمی در ابعاد بزرگ با هدف ایجاد بستری کم‌هزینه برای آموزش و پژوهش ارائه شده است. بر خلاف میکروسکوپ‌ نیروی اتمی متداول، در این میکروسکوپ از عملگر پیزوالکتریک و حسگر نورانی استفاده نمی‌شود. بلکه‌ با برهم‌کنش آهنربای متحرک و سیم‌پیچ و بر اساس اثر هال، هم‌زمان خودحسگری و خودعملگری صورت می‌پذیرد. در این سامانه، با استفاده از یک تیر یکسرگیردار، سیم‌پیچ و آهنربا، ارتعاشات تیر در مود تنظیم اندازه دامنه ایجاد و کنترل می‌شود. طراحی مکانیکی و الکترومغناطیسی سامانه با تحلیل عددی، شبیه‌سازی و ساخت نمونه آزمایشگاهی انجام می‌شود و پس از شناسایی دینامیکی، یک کنترل‌کننده انتگرالی روی برد توسعه آردوئینو پیاده‌سازی می‌گردد. سپس دستگاه با استفاده از یک قطعه مرجع، کالیبره و عملکرد آن در تصویربرداری از توپوگرافی سطح ارزیابی می‌شود. نتایج نشان داد که میکروسکوپ قادر به تشخیص تغییرات سطح با رزولوشن افقی 1.1 میلی‌متر و رزولوشن عمودی 0.2 میلی‌متر است. نتایج حاصل، بیانگر آن است که سامانه طراحی‌شده، با وجود هزینه ساخت پایین و ساختار ساده، بستر مناسبی برای آموزش، توسعه روش‌های کنترلی و بهبود نسل‌ آینده میکروسکوپ‌های نیروی اتمی فراهم می‌کند.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Developing a Macro-Scale Amplitude-Modulation Atomic Force Microscope

نویسندگان English

Amir Barandak
Arash Bahrami
Ali Sadighi
School of Mechanical Engineering, College of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran
چکیده English

This study presents the design, fabrication, and evaluation of a macro-scale atomic force microscope (AFM) aimed at providing a low-cost platform for educational and research applications. Unlike conventional atomic force microscopes, the proposed system does not employ a piezoelectric actuator or an optical sensor. Instead, simultaneous self-sensing and self-actuation are achieved through the interaction between a moving magnet and a coil based on the Hall effect. In this system, a cantilever beam, coil, and magnet are employed to generate and control the beam vibrations in amplitude-modulation mode. The mechanical and electromagnetic components of the system are designed using numerical analysis and simulation, followed by fabrication of a laboratory-scale prototype. After dynamic characterization of the system, an integral controller is implemented on an Arduino development board. The developed microscope is then calibrated using a reference sample, and its performance is evaluated through surface topography imaging. The results demonstrate that the microscope can detect surface variations with a lateral resolution of 1.1 mm and a vertical resolution of 0.2 mm. The findings indicate that, despite its low fabrication cost and simple structure, the proposed system provides a suitable platform for educational purposes, development of control methods, and further improvement of future generations of atomic force microscopes.

کلیدواژه‌ها English

Atomic Force Microscope
Mechatronics
Amplitude Modulation
Self Sensing
Self Actuating