微懸臂梁力學(xué)傳感器的振動(dòng)激發(fā)研究及在材料學(xué)中的應(yīng)用探索.pdf

1、傳感器種類(lèi)繁多、功能各異，按其工作原理通常可以分為電化學(xué)電極傳感器、場(chǎng)效應(yīng)管傳感器、壓電傳感器、光電信號(hào)傳感器、熱信號(hào)傳感器等。針對(duì)淹沒(méi)在噪音中的微弱信號(hào)以及信號(hào)的微弱改變，如何設(shè)計(jì)靈敏度高，重復(fù)性好，準(zhǔn)確度高的傳感裝置，成為科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要組成部分。近年來(lái)，隨著半導(dǎo)體工藝的迅速發(fā)展以及檢測(cè)技術(shù)的不斷進(jìn)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(duì)其運(yùn)動(dòng)學(xué)行為實(shí)現(xiàn)了有效的測(cè)量。在此基礎(chǔ)上，基于微懸臂梁的傳感器引起了國(guó)

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(guó)家安全、食品衛(wèi)生、環(huán)境監(jiān)測(cè)、臨床醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域都取得了廣泛的應(yīng)用。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)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(yīng)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(cè)器就有更高的分辨率；對(duì)微懸臂梁的表面改性。通過(guò)表面改性，使得微懸臂梁只對(duì)特定物質(zhì)產(chǎn)生吸附作用，從而達(dá)到針對(duì)性檢測(cè)的目的

3、；計(jì)算機(jī)仿真模擬。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)已是當(dāng)今諸多科研領(lǐng)域及工程應(yīng)用領(lǐng)域不可或缺的工具。對(duì)于微懸臂梁傳感器而言，由于當(dāng)今的微懸臂梁正在向越來(lái)越小的尺度發(fā)展，尺寸效應(yīng)越來(lái)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(fù)雜化，使得經(jīng)典懸臂梁力學(xué)在大多數(shù)情況下難以求解甚至不再適用。因此，借助計(jì)算機(jī)對(duì)微懸臂梁進(jìn)行建模和計(jì)算也是當(dāng)今這一領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)之一。當(dāng)前的研究成果已經(jīng)證實(shí)，微懸臂梁傳感器可以實(shí)現(xiàn)在微米及納米尺度對(duì)微弱信號(hào)的高速度和高精度實(shí)

4、時(shí)檢測(cè)。然而，長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)在高精度測(cè)量技術(shù)上落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，導(dǎo)致精密檢測(cè)設(shè)備長(zhǎng)期依賴(lài)進(jìn)口，阻礙了國(guó)家的現(xiàn)代化進(jìn)程。隨著我國(guó)向自主創(chuàng)新型國(guó)家發(fā)展的深入，對(duì)具有新科學(xué)原理的檢測(cè)方法和識(shí)別技術(shù)的研究，已成為我國(guó)科技發(fā)展的重要趨勢(shì)和方向。本論文的工作正是在這一大的時(shí)代背景下開(kāi)展，從設(shè)備搭建、軟件開(kāi)發(fā)、激發(fā)方式、應(yīng)用出口等方面對(duì)微懸臂梁傳感器進(jìn)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(xué)特點(diǎn)、探測(cè)原理、共振激發(fā)方法等方

5、面對(duì)微懸臂梁進(jìn)行了綜述性介紹，同時(shí)介紹了微懸臂梁傳感器的當(dāng)前研究現(xiàn)況以及當(dāng)前研究中面臨的問(wèn)題。最后，對(duì)微懸臂梁傳感器的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了總結(jié)。第二章:首先介紹了處理微懸臂梁力學(xué)的經(jīng)典理論，包括簡(jiǎn)化處理微懸臂梁振動(dòng)的一維諧振子模型和嚴(yán)格處理微懸臂梁振動(dòng)的“歐拉-伯努利(Euler-Bernoulli)梁”模型。其次介紹了計(jì)算機(jī)模擬仿真在微懸臂梁傳感器研究中的應(yīng)用，即基于COMSOL Multiphysics有限元模擬仿真軟件對(duì)微懸臂梁相關(guān)問(wèn)題

6、進(jìn)行的計(jì)算。第三章:詳細(xì)描述了我們獨(dú)立設(shè)計(jì)開(kāi)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(shí)現(xiàn)了以激光測(cè)振儀、鎖相放大器、信號(hào)發(fā)生器為主體的共振激發(fā)與檢測(cè)設(shè)備的搭建，并可與數(shù)字示波器、數(shù)據(jù)采集卡等配套設(shè)備協(xié)同工作。軟件開(kāi)發(fā)方面實(shí)現(xiàn)了基于工業(yè)控制中最為廣泛使用的開(kāi)發(fā)環(huán)境LabVIEW為平臺(tái)的一套用于微懸臂梁傳感器共振激發(fā)及振動(dòng)檢測(cè)的應(yīng)用軟件。本應(yīng)用軟件完全是獨(dú)立自主開(kāi)發(fā)，并申請(qǐng)軟件著作權(quán)一項(xiàng)。第四章:我們?cè)谖冶哿汗舱窦ぐl(fā)方面所做的工作

7、，具體包括：實(shí)現(xiàn)了利用低頻脈沖信號(hào)激發(fā)微懸臂梁高頻共振，并通過(guò)傅利葉諧波分析方法對(duì)激發(fā)機(jī)制進(jìn)行解釋。同時(shí)我們對(duì)不同脈沖寬度的脈沖信號(hào)以及不同波形的信號(hào)的激發(fā)效果進(jìn)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(guò)合理的電極設(shè)計(jì)，實(shí)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(cè)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(guò)一個(gè)相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)的方案，提出了一個(gè)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(guò)對(duì)激光波形的調(diào)制實(shí)現(xiàn)了基于激光照射的微懸臂梁遠(yuǎn)程非接觸式共振激發(fā)。遠(yuǎn)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(diǎn)，有利于提高能量利用率以及獲得更高的探測(cè)精度。第五章:我們?cè)谖冶哿簜鞲衅鲬?yīng)用出口方面所做的工作，具體包括：在GaN薄膜上實(shí)現(xiàn)了對(duì)極性材料表面束縛電荷的測(cè)量。測(cè)量是基于無(wú)針尖探針，利用微懸臂梁整個(gè)探針表面進(jìn)行的，而傳統(tǒng)上通過(guò)原子力顯微鏡進(jìn)行的測(cè)量中，存在針尖處有強(qiáng)電場(chǎng)從而影響樣品電荷分布的問(wèn)題；設(shè)計(jì)了將微懸臂梁用作浮動(dòng)?xùn)艠O的場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)。本工作首先設(shè)計(jì)了一種可以通過(guò)有限元方法模擬出傳統(tǒng)場(chǎng)效應(yīng)管的Vds-Ids曲線(xiàn)的方法，在此基

10、礎(chǔ)上對(duì)我們?cè)O(shè)計(jì)的器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真模擬。模擬結(jié)果表明了我們?cè)O(shè)計(jì)的器件結(jié)構(gòu)的可行性，通過(guò)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(yīng)。微懸臂梁與石英天平是當(dāng)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?；谶@一點(diǎn)，我們利用激光照射微懸臂梁時(shí)的效應(yīng)做為輔證，來(lái)支持我們研究激光照射石英天平時(shí)得到的結(jié)論。第六章:對(duì)本論文的工作進(jìn)行了總結(jié)，并提出了可進(jìn)一步研究的方向。
　　本研究的創(chuàng)新之處包括：⑴自

11、主開(kāi)發(fā)了一套用于微懸臂梁傳感器共振激發(fā)及振動(dòng)檢測(cè)的應(yīng)用軟件；⑵提出了利用低頻信號(hào)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(wèn)題提供了方法；⑶在高階共振激發(fā)、遠(yuǎn)程非接觸式激發(fā)等新型激發(fā)領(lǐng)域提出了自己的見(jiàn)解；⑷在材料表面束縛電荷測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，提出了利用微懸臂梁進(jìn)行“面檢測(cè)”的概念，解決了傳統(tǒng)的“點(diǎn)檢測(cè)”中存在的部分問(wèn)題；⑸將微懸臂梁與傳統(tǒng)器件場(chǎng)效應(yīng)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(chǔ)測(cè)量問(wèn)題