طراحی حسگر جرمی گرافن با حساسیت بالا در سنجش چینش‌های مختلف جرمی بر اساس جابه‌جایی فرکانس غیرخطی

در این مقاله از صفحه گرافن برای طراحی حسگر جرمی با حساسیت بالا استفاده می شود. برای این منظور، ارتعاشات غیر خطی نانوصفحه کربنی بر بستر وینکلر و پسترناک، جهت استفاده به عنوان حسگر جرمی بررسی می گردد. برای مدلسازی نانو صفحه حسگر، از نظریه صفحه غیر موضعی کیرشهف استفاده می شود و اثر جرم های متمرکز واقع بر نقاط دلخواه از صفحه درنظر گرفته می شود، سپس از روش گالرکین جهت تبدیل معادله پاره ای حاکم به معادله دیفرانسیل معمولی استفاده می گردد. در مرحله بعد، از روش سری با مقیاس های زمانی چندگانه، پاسخ فرکانسی غیرخطی سیستم بدست می آید. پارامتر غیرموضعی که نقش مهمی در رفتار نانو سیستم دارد، از طریق مقایسه نتایج کار با پژوهش های دیگر، تعیین می شود و فرکانس طبیعی نانوصفحه کربنی با نتایج دینامیک مولکولی صحت سنجی می گردد. ابعاد نانوصفحه و مشخصات بستر مورد استفاده به گونه ای انتخاب می شود که حسگر طراحی شده، قابلیت تشخیص تک جرم در مرکز نانوصفحه با مقدار پنج زپتو گرم را داشته باشد. قابلیت تشخیص جرمی در چینش های مختلف جرمی نیز بررسی و با یکدیگر مقایسه خواهند شد.

Designing of a High Sensitivity Graphene Mass Sensor for Measuring Different Mass Distributions Based on Nonlinear Frequency Shift

Graphene Sheets are used in this paper to design a highsensitivity mass sensor. For this purpose, the nonlinear vibrations of carbon nanoplates on the Winkler and Pasternak foundation are investigated for use as a mass sensor. Kirchhoff’s nonlocal plate theory is used to model the sensor’s nanoplate, and the effect of concentrated masses on the arbitrary points of the plate is considered, then the Galerkin method is used to transform the partial governing equation into the ordinary differential equation. Next, the nonlinear frequency response of the system is obtained by the series method with multiple time scales. The nonlocal parameter that plays an important role in the behavior of the nano system is determined by comparing the results with other studies, and the natural frequency of the carbon nanoplate is verified with the molecular dynamic results. The dimensions of the nanoplate and the characteristics of the foundation used are such that the designed sensor is capable of detecting a single mass in the nanoplate center with five zeptograms. This ability to detect in different mass configurations has also been investigated and compared.