Çok Modlu Tahrik Şemalarının Kullanıldığı Dinamik Akustik Kuvvet Ölçümünde Eğilme Özmodlarındaki Genlik Tepkileri
Amplitude Responses at Flexural Eigenmodes in Dynamic Acoustic Force Measurement Using Multimodal Excitation Schemes
Yazar: Yılmaz, Çağrı; Topal, Eyüp Sabri
Dergi: Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi No. 28, 2021
Anahtar kelimeler: Engineering ; Mühendislik ; Dynamic acoustic force measurement,AFM micro-cantilever,amplitude responses,multifrequency excitation,eigenmode frequency. ; Dinamik akustik kuvvet ölçümü,AKM mikro konsol,Genlik tepkileri,Çok frekanslı tahrik,Özmod frekansı.

Bu makalede geniş bir frekans aralığındaki akustik kuvvetlere karşı genlik duyarlılıklarını incelemek için hesaplamalı bir araştırma sunmaktayız. Dinamik akustik kuvvetlerin varlığında Atomik Kuvvet Mikroskobu (AKM) mikro konsolunun çalıştırılması için iki modlu, üç modlu ve dört modlu tahrik şemalarını kullanmaktayız. Çok modlu işlemlerde, mikro konsol, özmod açısal frekanslarındaki dış tahrik kuvvetleri uygulanarak sürülmektedir. Hareket Denklemi (HD), sürülen ve sönümlü harmonik osilatörün bir model olarak dikkate alınmasıyla oluşturulmuştur ve mikro konsolun eğilme özmodlarındaki sapmalarını elde etmek için sayısal olarak çözülmüştür. Bu güncel çalışmada mikro konsolun akustik kuvvetlere olan zaman alanındaki tepkileri, farklı tahrik şemaları için sunulmuştur, böylece serbest salınımlar, akustik kuvvetlere maruz kalan ve tahrik edilen mikro konsolun salınımları ile karşılaştırılmıştır. Ardından, çeşitli kuvvet büyüklükleri için akustik kuvvet frekanslarına göre ilk dört özmoddaki genlik tepkilerinin sonuçlarını değerlendirmekteyiz. Bizim durumumuz için 1740 kHz frekansındaki 2900 pN'lik kuvvet büyüklüğü için dördüncü öz modda yaklaşık 0.303 nm'lik bir genlik tepkisi elde etmekteyiz. Bu sonuç megahertz frekanslarındaki akustik kuvvetlerin, tetramodal operasyon altındaki rezonanslı AFM mikro konsol kullanılarak ölçüldüğünü kanıtlamaktadır. Sonuç olarak, dinamik akustik kuvvetlere karşı genlik duyarlılıklarını arttırmak için çok modlu tahrik şemaları uygulanabilmektedir.

In this paper, we present a computational investigation to study amplitude sensitivities to acoustic forces in a wide frequency range. We utilize bimodal, trimodal, and tetramodal excitation schemes for the actuation of the Atomic Force Microscopy (AFM) micro-cantilever in the presence of dynamic acoustic forces. In multimodal operations, the micro-cantilever is driven by applying external excitation forces at eigenmode angular frequencies. The Equation of Motion (EOM) is constructed in the consideration of the driven and damped harmonic oscillator as a model and solved numerically to obtain the deflections of the micro-cantilever at flexural eigenmodes. In this current work, time-domain responses of the micro-cantilever to acoustic forces are introduced for different excitation schemes so that free oscillations are compared with the oscillations of the driven micro-cantilever undergoing acoustic forces. Then, we evaluate the results of amplitude responses at the first four eigenmodes with respect to acoustic force frequencies for diverse force strengths. For our case, we obtain the amplitude response at the fourth eigenmode of around 0.303 nm for the force strength of 2900 pN at the frequency of 1740 kHz. This result proves that acoustic forces at megahertz frequencies are measured by using resonant AFM micro-cantilever under tetramodal operation. Therefore, multimodal excitation schemes can be applied to enhance the amplitude sensitivities to dynamic acoustic forces.