Doğrusal olmayan nanomekanik rezonatörlerde gürültünün hesaplamalı karakterizasyonu

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.