Computational characterization of noise in nonlinear nanomechanical resonators
Doğrusal olmayan nanomekanik rezonatörlerde gürültünün hesaplamalı karakterizasyonu
- Tez No: 771766
- Danışmanlar: PROF. DR. ALPER DEMİR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 84
Özet
Nanoteknolojideki son atılımlar, nano-elektro-mekanik sistemler (NEMS) alanında önemli ilerlemelerin yolunu açmıştır. Nanomekanik rezonatörler, kütle spektrometrisi ve atomik kuvvet mikroskobu uygulamalarında hassasiyeti yüksek kütle ve kuvvet sensörleri olarak kullanılmaktadır. Mevcut sensör mimarilerinin çoğunda, rezonatörler, rezonans frekansındaki kaymaları izleyerek kütle ve kuvvetteki değişikliklerin tespit edildiği doğrusal rejimde çalışırlar. Doğrusal olmayan rejimde çalışan rezonatörlerin kullanımı, küçülen cihaz boyutları ve doğrusal operasyona nispeten bazı avantajlar nedeniyle yakın zaman önce önerilmiştir. Doğrusal rezonatörlerde olduğu gibi, sensör performansı nihayetinde gürültüden kaynaklanan frekans dalgalanmaları ile belirlenir. Ancak doğrusal olmayan davranış nedeniyle cihaz dinamikleri karmaşıktır ve gürültü karakterizasyonu daha zordur. Doğrusal olmayan rejimde çalışan rezonans bazlı sensörlerin temel hassasiyet sınırlarını, performanslarını ve doğrusal rezonatörlere göre artılarını ve eksilerini değerlendirmek için ayrıntılı bir karakterizasyonun yapılması gerekmektedir. Bu tezde, doğrusal olmayan Duffing rezonatörlerinde gürültü nedeniyle frekans dalgalanmalarını karakterize etmek için verimli bir hesaplama yöntemi sunulmaktadır. Yöntem, orijinal olarak analog elektronik devrelerin gürültü analizi için geliştirilmiş Monte Carlo bazlı olmayan bir stokastik analiz yönteminin uyarlamasına dayanmaktadır. Önerilen yöntem, çeşitli dinamik sensör mimarileri için, örneğin sürücü frekansı zamana göre değiştiğinde ve bir kapalı döngü kurulumunda sürekli olarak güncellendiğinde, gürültü karakterizasyonunu mümkün kılar. Önerilen yöntemle elde edilen sonuçlar, kapsamlı ve dikkatli bir şekilde koşturulmuş Monte Carlo simülasyonlarıyla karşılaştırılmakta ve aynı sonuçların büyük ölçüde azaltılmış hesaplama süresi ile ve daha güvenilir bir şekilde elde edilebileceği gösterilmektedir. Ayrıca, önerilen yöntemle elde edilen sonuçlar literatürdeki deneysel açık döngü tarama karakterizasyonları ile karşılaştırılmaktadır. Açık döngü tarama yöntemininin ayrıntılı bir analizi yapılmakta ve bir sensör yöntemi olarak eksiklikleri vurgulanmaktadır. Son olarak, doğrusal ve doğrusal olmayan çalışma rejimlerindeki gürültü performansı karşılaştırılmaktadır.
Özet (Çeviri)
Recent breakthroughs in nanotechnology have paved the way for huge advances in the field of nano-electro-mechanical systems (NEMS). Nanomechanical resonators are used as accurate mass and force sensors in mass spectrometry and atomic force microscopy. In most current sensing schemes, the resonators operate in the linear regime, where changes in mass and force are detected by tracking the shifts in the resonance frequency. The use of resonators operating in the nonlinear regime has been recently proposed due to shrinking device sizes and some claimed advantages over linear operation. As with linear resonators, the sensor performance is ultimately limited by the inherent frequency fluctuations arising from various sources of noise. However, due to nonlinear behavior, device dynamics is intricate and noise characterization is more challenging. The fundamental sensitivity limits of resonant sensors operating in the nonlinear regime need to be determined quantitatively in order to examine their performance and assess their pros and cons over linear resonators. In this thesis, we present an efficient computational technique for characterizing the frequency fluctuations in nonlinear Duffing resonators due to noise. The method is based on repurposing and adapting a non Monte Carlo stochastic analysis technique that was originally developed for noise analysis of analog electronic circuits. The proposed technique presents the capability for noise characterization under various dynamic sensing schemes, e.g., when drive frequency is time-varying and continually updated in a closed-loop setup. We compare the results obtained with the proposed technique against extensive, carefully run Monte Carlo simulations and demonstrate that the same accuracy can be achieved with drastically reduced computation time and in a more robust manner. We furthermore compare the results of our proposed method with experimental open-loop sweep characterizations reported in the literature. We analyze the open-loop sweep method and highlight its shortcomings as a sensing scheme. Finally, we compare the noise performance in the linear and nonlinear operating regimes, and discuss the advantages of using one over the other.
Benzer Tezler
- Noise analysis in WDM optical fiber communication systems
Dalgaboyu bölmeli çoğullamalı fiber optik iletişim sistemlerinde gürültü analizi
MEHMET AKGÜL
Yüksek Lisans
İngilizce
2009
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALPER DEMİR
- High-performance readout circuit for resonator-based MEMS accelerometer using digital control loop
Dijital kontrol döngüleri kullanarak MEMS titreşen yay tipi ivmeölçer için yüksek performanslı okuma devresi geliştirilmesi
MUHAMMAD ALI
Doktora
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAYFUN AKIN
- Örüntü tanıma amaçlı doğrusal olmayan yöntemlerin geliştirilmesi ve uygulanması
An application and development of nonlinear methods for pattern recognition
MURAT AYKUT
Yüksek Lisans
Türkçe
2007
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolKaradeniz Teknik ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MURAT EKİNCİ
- Stochastic modeling and analysis of noise in neuronal circuits
Başlık çevirisi yok
DENİZ KILINÇ
Doktora
İngilizce
2019
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALPER DEMİR
- Kalman filtresi ve dengeleyen eğri olarak polinomlar ve trigonometrik fonksiyonlar
Başlık çevirisi yok
FEVZİYE DEMİRCİ
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Jeodezi ve Fotogrametriİstanbul Teknik ÜniversitesiJeodezi ve Fotogrametri Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUHAMMED ŞAHİN