Guida degli insegnamenti
Syllabus
Partially translatedTradotto parzialmente
Pierpaolo BELARDINELLI
Lingua di erogazione: ITALIANOLessons taught in: ITALIAN
Laurea Magistrale - [IM09] INGEGNERIA MECCANICA Master Degree (2 years) - [IM09] MECHANICAL ENGINEERING
Dipartimento: [040004] Dipartimento Ingegneria Industriale e Scienze MatematicheDepartment: [040004] Dipartimento Ingegneria Industriale e Scienze Matematiche
Anno di corsoDegree programme year : 2 - Secondo Semestre
Anno offertaAcademic year: 2022-2023
Anno regolamentoAnno regolamento: 2021-2022
Crediti: 6
Ore di lezioneTeaching hours: 48
TipologiaType: D - A scelta dello studente
Settore disciplinareAcademic discipline: ICAR/08 - SCIENZA DELLE COSTRUZIONI
INGLESE
English
Conoscenza delle nozioni fondamentali dell'analisi, dell'algebra lineare, meccanica strutturale e della fisica.
Knowledge of the basic topics of analysis, of linear algebra, structural mechanics and physics.
Lezioni di teoria: 36 ore
Lezioni applicative: 12 ore
Theory lessons: 36 hours
Hands-on classes: 12 hours
L’insegnamento permette agli studenti di acquisire conoscenze di base ed avanzate su micro e nano strutture. I concetti e metodi appresi durante il corso forniranno capacità di ingegnerizzazione di elementi base di sistemi microelettromeccanici (sistemi MEMS). Il corso si orienta ad estendere la visione progettuale globale dello studente, stimolando analisi critica, comprensione e identificazione di problemi a scale di ordine ridotto. Tali conoscenze che integreranno la formazione dello studente potranno essere estese a molteplici problemi ingegneristici in termini di scelta di approccio e metodologia risolutiva.
Capacità di applicare conoscenze e comprensione.
Al termine del corso lo studente sarà in grado di progettare ed analizzare il comportamento statico e dinamico di micro/ nano sistemi elementari utilizzando modelli analitici e numerici. Lo studente sarà in grado di utilizzare a scopo progettuale software computazionali nonché’ implementare semplici codici per modellare e simulare microstrutture. Attraverso modelli ad ordine ridotto e modelli continui, lo studente perverrà all’analisi statica e dinamica di risonatori per sensori ed attuatori attraverso l’integrazione di nozioni acquisite e metodi computazionali.
Competenze trasversali.
Lo studente affronterà problematiche relative alla progettazione ed identificazione di sistemi in scale ridotte (micro/ nano) attraverso casi di studio pratici. Inoltre, dovrà confrontarsi con problemi di accoppiamento multifisico in cui svilupperà competenze tipicamente interdisciplinari comprendenti aspetti elettromagnetici, meccanici, fisici. Attraverso lo sviluppo di un progetto (da svolgere autonomamente od in gruppo), lo studente aumenterà analisi critica ed autonomia decisionale in fase progettuale, consapevolezza rispetto alle conoscenze acquisite da dover spendere ai fini dell’ottenimento dei risultati. Il progetto pone accento anche allo stimolo di capacità espositive e comunicative dello studente.
Knowledge and Understanding.
The course aim is to give students basic and full understanding about micro and nano structures. In detail, the acquired knowledge and methods will endow the student with advanced design tools that can be applied when developing devices at the base of more complex micro-electro-mechanical systems (MEMS). A major teaching goal is to augment the engineering design skills of students. By facing compelling issues, the students will grow a reviewer attitude in order to identify smart solutions at micro and nano scale. Scientific consciousness and new methodologies will serve as a whole to study a wide range of engineering problems.
Capacity to apply Knowledge and Understanding.
Through the course, the student will acquire mastery of statics and dynamics of MEMS devices and to perform analyses via analytical and numerical approaches. The student will be autonomously deciding the method of investigation on the base of the full device understanding and of its specifics. He/she will make use of computational suites, learn how to model and design by implementing codes and routines for the benefit of the sensor /actuator properties and performances.
Transversal Skills.
The course will teach how to tackle both design and identification of real structures at micro and nano scale. The student will face multi-physics coupling effects that plays an important role at the microscale and yet intrinsically arise during the regular functioning of small structures. The student will be asked to develop an assignment (alone or in group). By developing the project, the student will strength his/her applied design skills. The project will also serve as a platform to increase collaborative and communication capabilities
1. Introduzione ai micro/nano sistemi
Definizione di MEMS/NEMS. Fabbricazione e packaging. Esempi di applicazione della micro/nano tecnologia. Caratteristiche di NEMS/MEMS. Sfide nella moderazione. Prospettive future.
2. Principi di funzionamento e fenomeni di dissipazione energetica
Attuazione elettro-termica, piezo-elettrica, magnetica ed elettromagnetica. Attuazione e sensing elettrostatico. Concetto di Quality factor. Dissipazione dovuta ad interazione esterna. Dissipazione causata dai supporti. Dissipazione intrinseca.
3. Principi di dinamica dei sistemi
Vibrazioni di sistemi a massa concentrata. Vibrazioni libere di sistemi ad un grado di liberta'. Vibrazioni forzate di sistemi ad un grado di liberta'. Eccitazione alla base. Principi di funzionamento di accelerometri. Vibrazioni di sistemi a due gradi di libertà'. Analisi modale. Problema agli autovalori/autovettori. Modi di vibrare.
4. Dinamica nonlineare di micro e nano strutture
Fonti di nonlinearita'. Punti fissi e linearizzazione. Biforcazione delle soluzioni. Piano delle fasi. Piano delle fasi di un capacitare a piastre parallele. Concetto di Pull-in.
5. Micro and nano travi
Modello agli ordini ridotti. Vibrazioni forzate. Equazione normalizzata e metodo di averaging. Risonanza primaria e secondaria di MEMS elettrostatici. Eccitazione parametrica. Auto-oscillazioni.
6. Microscopia a forza atomica (AFM)
Ingegneria di un AFM. Modi operativi: AFM statico e dinamico. Forze di interazione sensore-campione in AFM dinamico.
7. Dinamica di materiali 2D
Materiali 2D. Fisica degli effetti nonlineari. Accoppiamento di modi e risonanze interne.
1. Introduction to micro/nano systems
Definition of MEMS/NEMS. Manufacturing and packaging. Application of micro and nanotechnologies. NEMS/MEMS features. Modelling challanges. Outlooks.
2. Principles of transduction and Damping
Electrothermal Actuation. Piezoelectric Actuation and Detection. Electromagnetic and Magnetic Actuation. Electrostatic Actuation and Detection. Concept of Quality factor. Medium interaction losses. Clamping losses. Intrinsic damping.
3. Fundamentals of dynamical systems
Vibrations of Lumped-Parameter Systems. Free Vibration of SDOF Systems. Forced Harmonic Excitation of SDOF Systems. Base Excitations of SDOF Systems and Accelerometers Principles. Vibrations of Two-Degree-of-Freedom Systems. Modal Analysis. Eigenvalues and mode shapes.
4. Nonlinear dynamics of micro and nano structures
Sources of nonlinearities. Fixed Points and Linearization. Bifurcations of Fixed Points. Phase Portraits. Phase Diagram of a Parallel-Plate Capacitor and the Dynamic Pull-in Concept.
5. Micro and nanobeams
Reduced order models. Forced Harmonic Vibration. Normalized equation and averaging method. Primary and Secondary Resonances of Electrostatic MEMS. Parametric Excitation. Self-Excited Oscillators.
6. Atomic Force Microscopy
AFM Design and probes. Operating modes: static and dynamic AFM. Tip-Sample Interaction Forces in Tapping-Mode AFM.
7. Dynamics of 2D Material Membranes
2D materials. Physical origin of nonlinear effects. Mode-coupling and internal resonance.
La valutazione del livello di apprendimento consiste in due prove: - una
tesina, consistente nella stesura di un elaborato scientifico che riguarda gli argomenti
trattati nel corso sulla base di letteratura esistente; - una prova orale, consistente nella discussione dell'elaborato tecnico redatto e della
teoria trattata nel corso aventi lo scopo di
verificare la capacità dello studente di saper applicare ai casi pratici i
concetti teorici del corso.
Criteri di valutazione dell'apprendimento.
Per superare con esito positivo la valutazione dell'apprendimento, lo studente deve dimostrare di:
- aver ben compreso i concetti esposti nel corso;
- saper elaborare tali concetti applicandoli alla risoluzioni di problemi semplici nell'ambito delle micro e nano strutture scegliendo approcci adeguati;
- essere capace di interpretare i fenomeni caratteristici che governano la risposta di sensori ed attuatori alla micro e nano scala;
- saper impostare approcci risolutivi per semplici strutture caratteristiche.
Criteri di misurazione dell'apprendimento.
Viene attribuito un voto in trentesimi, con eventuale lode.
Criteri di attribuzione del voto finale.
Nella tesina, la sufficienza 18/30 è attribuita ripetendo passi elementari di papers scientifici. Il voto massimo 30/30 è attribuito nel caso lo studente affronti casi di particolare complessita' o estenda lo sviluppo esistente. Per accedere all’orale è necessario avere la sufficienza nello scritto. Il voto complessivo parte da quello dello scritto, aggiungendo/togliendo punti a secondo dell’esito dell’orale. La sufficienza (18/30) sarà ottenuta dimostrando di aver capito i concetti di base del corso. Il voto aumenterà proporzionalmente alle conoscenze dello studente, fino al massimo (30/30) che si ottiene dimostrando una conoscenza approfondita dei contenuti del corso. La
lode è riservata agli studenti particolarmente brillanti.
Learning Evaluation Methods.
The learning evaluation will be done in two steps: - a written assignment,
where the students analyse a case-study found in the literature related to the topic of
the lectures; - an interview (oral examination) which will involve the essay and all the
topics discussed during the lectures, aimed at
checking the application of the general theory.
Learning Evaluation Criteria.
To get a positive evaluation, the candidate must:
- show that he/she understood the topics developed in the lectures;
- be able to elaborate the previous concepts in order to solve simple
problems of structural engineering at micro and nano scale;
- be able to understand the phenomena that govern the response of micro/nano sensors and actuators;
- be able to determine the methodology for the analysis of archetypal micro/nano structures.
Learning Measurement Criteria.
A thirty-points scale is used for grading, with possible praise.
Final Mark Allocation Criteria.
In the assignment, the minimum sufficient score 18/30 is obtained by repeating elementary steps of published technical papers. The maximum 30/30 is obtained tackling difficult problems or when the student extends the current elaboration. Getting 18/30 in the essay is mandatory to be admitted to the oral. The total score starts from that of the assignment, adding/subtracting scores according to the interview results.The minimum (18/30) is for students that show at least the understanding of basic concepts. The mark will increase accordingly to the student knowledge and his/her ability to elaborate these concepts, up to the maximum score (30/30) which is obtained with full knowledge of all topics. The "laude" is obtained showing special cleverness
A. Corigliano et al. "Mechanics of Microsystems" Wiley;
S. Schmid, L. G. Villanueva, M.L. Roukes "Fundamentals of Nanomechanical Resonators" Springer;
https://learn.univpm.it
A. Corigliano et al. "Mechanics of Microsystems" Wiley;
S. Schmid, L. G. Villanueva, M.L. Roukes "Fundamentals of Nanomechanical Resonators" Springer;
https://learn.univpm.it
No
No
Le informazioni contenute nella presente scheda assumono carattere definitivo solo a partire dall'A.A. di effettiva erogazione dell'insegnamento. Academic year 2022-2023
Università Politecnica delle Marche
P.zza Roma 22, 60121 Ancona
Tel (+39) 071.220.1, Fax (+39) 071.220.2324
P.I. 00382520427