Control system optimization for the nanomechanical devices based on alloys with shape memory effect

Prokunin, A. V.; Koledov, V. V.; Kuznetsov, D. D.; Irzhak, A. V.; Orlov, A. P.; Lega, P. V.

doi:10.30898/1684-1719.2022.2.8

A.V. Prokunin^1,2, V.V. Koledov², D.D. Kuznetsov², A.V. Irzhak³, A.P. Orlov², P.V. Lega²

Abstract

Recent progress in design of nanomechanical tools with shape memory effect (SME) resulted in successful realization of the new systems for 3D nanomanipulation and bottom-up nanointegration of the nanoobjects like CNT, nanowires etc. SME demands controlled heating of the active layer of the shape memory nanotool. The heating can lead to thermal drift and errors in positioning of the nanotool. The paper presents the results of numerical modeling and experimental data on the thermal expansion of a heating element, including the tungsten microneedle depending on the configuration of its tip geometry. It is proved that the control system for nanomechanical devices including the microneedle with optimized profile demonstrates both improved precision of positioning and smaller electric energy consumption.

shape memory effect
Nanotweezers
control system
microneedle

Аннотация (на русском)

Оптимизация системы управления наномеханическими устройствами с эффектом памяти формы

Недавний прогресс в разработке наномеханических инструментов с эффектом памяти формы (ЭПФ) привел к успешной реализации новых систем для 3D-наноманипуляции и наноинтеграции нанообъектов снизу вверх, таких как УНТ, нанопроволоки и т.д. ЭПФ вызывается контролируемым нагревом активного слоя наноинструмента. Однако нагрев приводит к тепловому дрейфу и ошибкам в позиционировании наноинструмента. В статье представлены результаты численного моделирования и экспериментальные данные по тепловому расширению системы управления наномеханическими устройствами с ЭПФ в зависимости от конфигурации геометрии законцовки иглы. Показано, что система управления наномеханическими устройствами с оптимизированным профилем законцовки, демонстрирует как повышенную точность позиционирования, так и меньшее потребление электроэнергии, требуемой для нагрева наноинструмента.

For citation

Prokunin A.V., Koledov V.V., Kuznetsov D.D., Irzhak A.V., Orlov A.P., Lega P.V. Control system optimization for the nanomechanical devices based on alloys with shape memory effect // Journal of Radio Electronics. – 2022. – No. 2. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2022.2.8

References

Von Gratowski S., Koledov V., Shavrov V., Petrenko S., Irzhak A., Shelyakov A., Jede R. Advanced system for nanofabrication and nanomanipulation based on shape memory alloy. Frontiers in Materials Processing, Applications, Research and Technology. 2018. P.135-154. http://doi.org/10.1007/978-981-10-4819-7_13
Lega P., Kuchin D., Koledov V. et al. Simulation of control system for shape memory nanotweezers. Materials Science Forum. 2016. V.845. P.142-145. http://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.845.142
Zhikharev A., Irzhak A., Lega P., et. al. New system for manipulation of nanoobjects based on composite Ti2NiCu/Pt nanotweezers with shape memory effect. Journal of Physics: Conference Series. 2016. V.741. P.012206. http://dx.doi.org/10.1088/1742-6596/741/1/012206
Lega P., Koledov V., Kuchin D., et al. Simulation of the control process applied to the micromechanical device with the shape memory effect. Journal of coµmunications technology and electronics. 2015. V.60(10). P.1124-1133. http://dx.doi.org/10.1134/S1064226915100083
Zhikharev A., Beresin M., Lega P., et al. Thermally Controlled Nanoobjects Manipulation System Based on Composite Ti2NiCu/Pt Nanotweezers. 6th IEEE International Conference on Manipulation, Manufacturing and Measurement on the Nanoscale (IEEE 3M-NANO). 2016. P.101-104. https://doi.org/10.1109/3M-NANO.2016.7824943