مدلسازي اثر نيروي واندروالس بر روي ناپايداري توكشان وابسته به اندازه در نانو تحريك كننده‌هاي پيچشي با استفاده از مدل پيچش/خمش

Modeling the Influence of Van der Waals Force on the Size-dependent Pull-in Instability of Torsional Nano–actuator Using Torsion/bending Model

در مقالة حاضر اثرات نانو مقياس، نيروي بين مولكولي واندروالس و اثر كشيدگي بين صفحه اي بر روي پارامترهاي ناپايداري توكشان خمشي- پيچشي يك نانو آينه پيچشي با استفاده از تئوري مرتبه بالاي گراديان كرنش مورد بررسي قرار گرفته است. در اين مدل با استفاده از تئوري گراديان كرنش اصلاح شده ابتدا معادلات حاكم بر مسأله استخراج شده، سپس متغيرهاي ناپايداري يعني زاوية دوران، تغييرمكان و ولتاژ توكشان، بر حسب مشخصات هندسي و مادي نانو آينه مورد بررسي قرار گرفته است و با نتايج تجربي مقايسه شده است. نتايج نشان مي دهد كه نيروي واندروالس تأثير زيادي بر عملكرد نانو آينه دارد، به طوري كه تأثير نيروي واندروالس بر روي تغييرات متغيرهاي توكشان يعني زاوية دوران توكشان، ولتاژ توكشان و تغييرمكان نانو آينة پيچشي به ضريب نسبت كوپلينگ خمشي- پيچشي وابسته است و در نظر نگرفتن اين نيرو باعث ايجاد خطاي قابل توجهي در شبيه سازي ناپايداري توكشان مي­شود. همچنين در نانو آينه­ هاي با فاصلة كوچك بين صفحة اصلي و الكترود، اثر كشيدگي نيز مانند نيروي واندروالس بر روي پارامترهاي توكشان تأثير بسيار زيادي دارد به طوري كه پارامترهاي توكشان سيستم را افزايش مي­دهد. از طرفي مدل ارائه شده نتايج تجربي را با دقت بسيار خوبي و بهتر از مدلهاي كلاسيك پيشين پيش بيني كند و فاصلة بين تئوري­هاي قبلي را با نتايج تجربي را كاهش دهد.

In this study, the effect of nano scales, van der Waals intermolecular force and steretching effect on the torsion-bending coupled pull-in instability parameters of torsional nano-mirror by using higher order strain gradient theory have been considered. In this model, the modified strain gradient theory, governing equations of system are derived then instability variables such as pull-in angle, pull-in displacement and pull-in voltage versus geometric and material characteristics are investigated and obtained results compared with experimental results. Results show that van der Waals force have much effects on nano-mirror performance. Furthermore, it is found that influence of van der Waals force on the changes of pull-in variables of nano-mirror depends on bending-torsion stiffness ratio and neglecting van der Waals attraction may lead to considerable error during simulations of pull-in instability. Therefore steretching effect similar to van der Waals force could highly affects pull-in parameters for small-gap torsional mirrors that increased pull-in parameters of system. Interestingly, the present model is able to predict experimental results well and more accurately than previous classic models and reduce the gap between experimental results with previous theories.