微懸臂梁力學傳感器的振動激發(fā)研究及在材料學中的應用探索.pdf

1、傳感器種類繁多、功能各異，按其工作原理通?？梢苑譃殡娀瘜W電極傳感器、場效應管傳感器、壓電傳感器、光電信號傳感器、熱信號傳感器等。針對淹沒在噪音中的微弱信號以及信號的微弱改變，如何設計靈敏度高，重復性好，準確度高的傳感裝置，成為科學技術(shù)發(fā)展的一個重要組成部分。近年來，隨著半導體工藝的迅速發(fā)展以及檢測技術(shù)的不斷進步，使得精確制作微米乃至納米尺度的微懸臂梁結(jié)構(gòu)成為可能，并對其運動學行為實現(xiàn)了有效的測量。在此基礎上，基于微懸臂梁的傳感器引起了國

2、際研究人員的廣泛關(guān)注，并取得了一系列新穎的研究成果，已在國家安全、食品衛(wèi)生、環(huán)境監(jiān)測、臨床醫(yī)學等諸多領(lǐng)域都取得了廣泛的應用。隨著技術(shù)的不斷進步，對微懸臂梁傳感器的研究還在向以下領(lǐng)域不斷深入：向高階共振模式方向發(fā)展。這方面的典型應用是原子力顯微鏡的TR掃描模式；向納米尺度加工。納米尺寸懸臂梁具有更高的共振頻率，從而作為探測器就有更高的分辨率；對微懸臂梁的表面改性。通過表面改性，使得微懸臂梁只對特定物質(zhì)產(chǎn)生吸附作用，從而達到針對性檢測的目的

3、；計算機仿真模擬。計算機輔助設計已是當今諸多科研領(lǐng)域及工程應用領(lǐng)域不可或缺的工具。對于微懸臂梁傳感器而言，由于當今的微懸臂梁正在向越來越小的尺度發(fā)展，尺寸效應越來越凸現(xiàn)，加上表面修飾和內(nèi)部結(jié)構(gòu)加工引起的微懸臂梁結(jié)構(gòu)的復雜化，使得經(jīng)典懸臂梁力學在大多數(shù)情況下難以求解甚至不再適用。因此，借助計算機對微懸臂梁進行建模和計算也是當今這一領(lǐng)域的發(fā)展趨勢之一。當前的研究成果已經(jīng)證實，微懸臂梁傳感器可以實現(xiàn)在微米及納米尺度對微弱信號的高速度和高精度實

4、時檢測。然而，長期以來我國在高精度測量技術(shù)上落后于發(fā)達國家，導致精密檢測設備長期依賴進口，阻礙了國家的現(xiàn)代化進程。隨著我國向自主創(chuàng)新型國家發(fā)展的深入，對具有新科學原理的檢測方法和識別技術(shù)的研究，已成為我國科技發(fā)展的重要趨勢和方向。本論文的工作正是在這一大的時代背景下開展，從設備搭建、軟件開發(fā)、激發(fā)方式、應用出口等方面對微懸臂梁傳感器進行了系統(tǒng)的研究。
　　本研究主要內(nèi)容包括：第一章:從基本構(gòu)造、力學特點、探測原理、共振激發(fā)方法等方

5、面對微懸臂梁進行了綜述性介紹，同時介紹了微懸臂梁傳感器的當前研究現(xiàn)況以及當前研究中面臨的問題。最后，對微懸臂梁傳感器的發(fā)展趨勢進行了總結(jié)。第二章:首先介紹了處理微懸臂梁力學的經(jīng)典理論，包括簡化處理微懸臂梁振動的一維諧振子模型和嚴格處理微懸臂梁振動的“歐拉-伯努利(Euler-Bernoulli)梁”模型。其次介紹了計算機模擬仿真在微懸臂梁傳感器研究中的應用，即基于COMSOL Multiphysics有限元模擬仿真軟件對微懸臂梁相關(guān)問題

6、進行的計算。第三章:詳細描述了我們獨立設計開發(fā)的一整套微懸臂梁傳感器軟硬件環(huán)境。硬件搭建方面實現(xiàn)了以激光測振儀、鎖相放大器、信號發(fā)生器為主體的共振激發(fā)與檢測設備的搭建，并可與數(shù)字示波器、數(shù)據(jù)采集卡等配套設備協(xié)同工作。軟件開發(fā)方面實現(xiàn)了基于工業(yè)控制中最為廣泛使用的開發(fā)環(huán)境LabVIEW為平臺的一套用于微懸臂梁傳感器共振激發(fā)及振動檢測的應用軟件。本應用軟件完全是獨立自主開發(fā)，并申請軟件著作權(quán)一項。第四章:我們在微懸臂梁共振激發(fā)方面所做的工作

7、，具體包括：實現(xiàn)了利用低頻脈沖信號激發(fā)微懸臂梁高頻共振，并通過傅利葉諧波分析方法對激發(fā)機制進行解釋。同時我們對不同脈沖寬度的脈沖信號以及不同波形的信號的激發(fā)效果進行了比較，提出了具有最佳激發(fā)效果的方案。這一成果發(fā)表在Applied PhysicsLetters上(App(l).Phys.Lett.101，061901(2012)；通過合理的電極設計，實現(xiàn)了微懸臂梁二階共振的有效激發(fā)。高階共振因其高品質(zhì)因子和高探測精度而受到關(guān)注，成為微懸

8、臂梁傳感器的重要研究方向之一。我們通過一個相對容易實現(xiàn)的方案，提出了一個有效激發(fā)微懸臂梁二階共振的方法。這一成果發(fā)表在ChinesePhysics Letters上(Chin.Phys.Lett.30，100701(2013).)；通過對激光波形的調(diào)制實現(xiàn)了基于激光照射的微懸臂梁遠程非接觸式共振激發(fā)。遠程激發(fā)使得微懸臂梁不必在捆綁到換能裝置上，為傳感器的小型化和集成化提供了途徑。相比于基于超聲波的激發(fā)，激光激發(fā)具有容易聚焦、可以在真空中

9、傳播等優(yōu)點，有利于提高能量利用率以及獲得更高的探測精度。第五章:我們在微懸臂梁傳感器應用出口方面所做的工作，具體包括：在GaN薄膜上實現(xiàn)了對極性材料表面束縛電荷的測量。測量是基于無針尖探針，利用微懸臂梁整個探針表面進行的，而傳統(tǒng)上通過原子力顯微鏡進行的測量中，存在針尖處有強電場從而影響樣品電荷分布的問題；設計了將微懸臂梁用作浮動柵極的場效應管結(jié)構(gòu)。本工作首先設計了一種可以通過有限元方法模擬出傳統(tǒng)場效應管的Vds-Ids曲線的方法，在此基

10、礎上對我們設計的器件結(jié)構(gòu)進行仿真模擬。模擬結(jié)果表明了我們設計的器件結(jié)構(gòu)的可行性，通過模擬也給出了優(yōu)化器件參數(shù)的方案；將微懸臂梁用在輔助研究石英天平在激光照射下的熱效應。微懸臂梁與石英天平是當前精度最高的質(zhì)量傳感器，它們有本質(zhì)上相同的工作原理。基于這一點，我們利用激光照射微懸臂梁時的效應做為輔證，來支持我們研究激光照射石英天平時得到的結(jié)論。第六章:對本論文的工作進行了總結(jié)，并提出了可進一步研究的方向。
　　本研究的創(chuàng)新之處包括：⑴自

11、主開發(fā)了一套用于微懸臂梁傳感器共振激發(fā)及振動檢測的應用軟件；⑵提出了利用低頻信號激發(fā)高頻共振的方案，為解決超高共振頻率的微懸臂梁的共振激發(fā)問題提供了方法；⑶在高階共振激發(fā)、遠程非接觸式激發(fā)等新型激發(fā)領(lǐng)域提出了自己的見解；⑷在材料表面束縛電荷測量實驗中，提出了利用微懸臂梁進行“面檢測”的概念，解決了傳統(tǒng)的“點檢測”中存在的部分問題；⑸將微懸臂梁與傳統(tǒng)器件場效應管相結(jié)合，提出了新的器件結(jié)構(gòu)。綜上所述，本論文立足于納米科技領(lǐng)域中的基礎測量問題