Mô Hình Hóa và Thiết Kế Hệ NEMS Theo Hướng Tiếp Cận Phân Tích Đa Trường

• Tác giả: Vũ Đức Tuấn
• Người hướng dẫn: Ts. Mai Đức Đãi
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp
• Chuyên ngành: Cơ điện tử
• Đề tài: Mô Hình Hóa và Thiết Kế Hệ NEMS Theo Hướng Tiếp Cận Phân Tích Đa Trường
• Loại tài liệu: Luận văn
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về hệ NEMS
• 1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động chung của hệ NEMS
• 1.3. Hệ NEMS với thành phần cơ học là CNT
• 1.4. Các thông số hoạt động và đặc điểm chính của hệ NEMS
• 1.5. Ứng dụng của hệ NEMS
• 1.6. Các nghiên cứu về hệ NEMS với phần tử cơ học là CNT
• 1.7. Hạn chế của các nghiên cứu đã công bố
• 1.8. Mục đích của đề tài
• 1.9. Nhiệm vụ, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.9.1. Nhiệm vụ của đề tài
• 1.9.2. Đối tượng nghiên cứu
• 1.9.3. Phạm vi nghiên cứu
• 1.10. Kết cấu của luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: ĐỊNH NGHĨA VÀ MÔ HÌNH HÓA CNT
• 2.1. Định nghĩa CNT
• 2.2. Cấu trúc của CNT
• 2.3. Một số tính chất của CNT
• 2.3.1. Tính chất cơ học
• 2.3.2. Tính dẫn điện
• 2.3.3. Tính dẫn nhiệt
• 2.4. Một số ứng dụng của CNT
• 2.4.1. Transistor hiệu ứng trường
• 2.4.2. Ứng dụng trong xử lý nước
• 2.4.3. Ứng dụng trong cảm biến
• 2.5. Mô hình hóa ống nano carbon
• 2.5.1. Mô hình nguyên tử (Atomistic modeling)
• 2.5.2. Mô hình cơ học kết cấu nguyên tử (Molecular structural mechanics)
• 2.5.3. Mô hình đàn hồi liên tục (Continuum elastic models)
• 2.5.4. Ưu và nhược điểm của các phương pháp mô hình hóa CNT
• 2.5.5. Lựa chọn phương pháp mô hình hóa
• 3. CHƯƠNG 3: DAO ĐỘNG CƠ HỌC CỦA CNT TRONG HỆ NEMS
• 3.1. Các phương pháp kích thích dao động của hệ NEMS
• 3.1.1. Phương pháp điều chỉnh bằng tĩnh điện (Electrostatic Tuning)
• 3.1.2. Phương pháp điều chỉnh bằng điện từ (Magnetomotive Tuning)
• 3.1.3. Phương pháp điều chỉnh bằng quang nhiệt (Photothermal Tuning)
• 3.1.4. Phương pháp điều chỉnh bằng áp điện (Piezoelectric Tuning Mechanism)
• 3.2. Phân bố điện tích trên CNT
• 3.3. Tương tác Cơ – Điện trong hệ NEMS
• 3.3.1. Đối với ống nano carbon bị ngàm một đầu
• 3.3.2. Đối với ống nano carbon bị ngàm hai đầu
• 3.4. Phương trình mô tả dao động điều hòa của hệ NEMS
• 4. CHƯƠNG 4: GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN VÀ PHẦN MỀM ANSYS
• 4.1. Giới thiệu phương pháp phần tử hữu hạn
• 4.2. Giới thiệu về phần mềm ANSYS
• 4.3. Phân tích đa trường với phần mềm ANSYS
• 4.4. Sử dụng mô hình thu gọn (Reduced Order Modeling) - TRANS126
• 5. CHƯƠNG 5: MÔ HÌNH HÓA HỆ NEMS
• 5.1. Các bước giải bài toán trên ANSYS
• 5.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả nghiên cứu
• 5.3. So sánh với các nghiên cứu đã được công bố
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 6.1. Tần số dao động tự nhiên của hệ cơ học
• 6.2. Chuyển vị của CNT dưới tác dụng của điện áp
• 6.3. Ảnh hưởng của điện áp lên tần số dao động của hệ NEMS
• 6.4. Tần số dao động của hệ NEMS dưới tác dụng của điện áp
• 6.5. Đáp ứng điều hòa của hệ NEMS
• 6.6. Ứng dụng hệ NEMS trong cảm biến khối lượng
• 6.6.1. Mô hình cảm biến khối lượng
• 6.6.2. Quan hệ giữa tần số và độ dài CNT
• 6.6.3. Quan hệ giữa tần số và khối lượng hấp thụ
• 6.6.4. Sự thay đổi tần số cộng hưởng theo vị trí hấp thụ khối lượng
• 7. CHƯƠNG 7: HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
• DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH

I. Tổng quan về mô hình hóa và thiết kế hệ NEMS

Hệ cơ điện nano (NEMS) đang trở thành một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong công nghệ nano. Với khả năng ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như cảm biến siêu nhạy và điện tử viễn thông, NEMS hứa hẹn sẽ mang lại nhiều giá trị cho ngành công nghiệp. Mô hình hóa và thiết kế hệ NEMS là một bước quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất và khả năng ứng dụng của thiết bị này.

1.1. Ứng dụng của hệ NEMS trong công nghệ hiện đại

Hệ NEMS có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như cảm biến khối lượng, cảm biến lực và xử lý tín hiệu. Các ứng dụng này cho thấy tiềm năng lớn của NEMS trong việc phát triển các thiết bị nhỏ gọn và hiệu quả.

1.2. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của hệ NEMS

Hệ NEMS bao gồm các bộ phận chính như bộ nhận tín hiệu, bộ xuất tín hiệu và hệ cơ học. Nguyên lý hoạt động của hệ NEMS dựa trên việc chuyển đổi tín hiệu đầu vào thành dao động cơ học, từ đó tạo ra tín hiệu điện có thể đọc được.

II. Vấn đề và thách thức trong mô hình hóa hệ NEMS

Mặc dù NEMS có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong việc mô hình hóa và thiết kế. Các vấn đề như sự khác biệt giữa lý thuyết và thực nghiệm, cũng như độ chính xác của các mô hình hiện tại cần được giải quyết.

2.1. Sự khác biệt giữa lý thuyết và thực nghiệm

Nghiên cứu cho thấy có sự khác biệt đáng kể giữa các giá trị lý thuyết và thực nghiệm trong các nghiên cứu trước đây. Điều này đặt ra yêu cầu cần thiết phải cải thiện các phương pháp mô hình hóa hiện tại.

2.2. Chi phí và độ chính xác trong nghiên cứu

Chi phí cao và độ chính xác không đảm bảo trong các thí nghiệm là một trong những thách thức lớn. Việc phát triển các phương pháp mô hình hóa hiệu quả hơn sẽ giúp giảm thiểu chi phí và nâng cao độ chính xác.

III. Phương pháp mô hình hóa hệ NEMS hiệu quả

Để khắc phục các thách thức trong mô hình hóa hệ NEMS, phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) đã được áp dụng. Phương pháp này cho phép mô hình hóa chính xác các tương tác cơ - điện trong hệ NEMS.

3.1. Phương pháp phần tử hữu hạn trong mô hình hóa

Phương pháp FEM cho phép mô hình hóa các đặc tính cơ học và điện của hệ NEMS một cách chính xác. Điều này giúp cải thiện độ tin cậy của các kết quả nghiên cứu.

3.2. Ứng dụng phần mềm ANSYS trong mô hình hóa

Phần mềm ANSYS được sử dụng để thực hiện các phân tích đa trường trong mô hình hóa hệ NEMS. Việc sử dụng phần mềm này giúp tối ưu hóa quy trình thiết kế và mô phỏng.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn của hệ NEMS

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng tần số dao động của hệ NEMS có thể điều chỉnh thông qua điện áp DC. Kết quả này mở ra nhiều cơ hội cho việc phát triển các cảm biến siêu nhạy.

4.1. Tần số cộng hưởng và ứng dụng cảm biến

Tần số cộng hưởng của hệ NEMS tỉ lệ thuận với điện áp DC, cho phép điều chỉnh độ nhạy của cảm biến. Điều này có thể ứng dụng trong việc phát hiện khối lượng ở cấp độ nguyên tử.

4.2. Kết quả thực nghiệm và so sánh với lý thuyết

Kết quả thực nghiệm cho thấy phương pháp mô hình hóa đã đạt được độ chính xác cao, tương đồng với các nghiên cứu trước đây. Điều này khẳng định tính khả thi của phương pháp được áp dụng.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của hệ NEMS

Hệ NEMS có tiềm năng lớn trong việc phát triển các thiết bị cảm biến siêu nhạy và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Nghiên cứu và phát triển tiếp theo sẽ tập trung vào việc cải thiện độ chính xác và giảm chi phí.

5.1. Triển vọng phát triển công nghệ NEMS

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ nano, NEMS sẽ tiếp tục được nghiên cứu và phát triển, mở ra nhiều cơ hội mới cho các ứng dụng trong tương lai.

5.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực NEMS

Các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa thiết kế và mô hình hóa, nhằm nâng cao hiệu suất và khả năng ứng dụng của hệ NEMS trong thực tiễn.