专利名称：一种微悬臂梁传感器的共振激发方法
技术领域：
本发明涉及一种微悬臂梁传感器的共振激发方法，属于微机电系统技术领域。
背景技术：
微悬臂梁属于一种结构相对简单的微机电系统(MEMS),它由一个底座和固定在底座上的探针构成。探针通常由三角形或长方形的硅或氮化硅材料制成，根据在探针的自由端是否设有垂直于探针表面的针尖，可将微悬臂梁分为有针尖微悬臂梁和无针尖微悬臂梁。对于长方形探针，其尺寸是长度在几十微米到几百微米，宽度在几微米到几十微米，厚度在一到两个微米。微悬臂梁探针具有共振频率高，弹性系数小的力学特征，对外界的应力和附加质量极度敏感，从而非常适合用做微弱信号的传感。它在微米与纳米尺度实现了对微弱信号的实时检测，具有速度快，精度高，重复性好等优点。近年来，随着研究的深入，基于微悬臂梁的传感器已在安全检测，环境监测，生物学探测等领域得到了广泛的应用。微悬臂梁通过探针对目标分子的表面吸附实现检测，检测方法包括静态方法和动态方法。静态方法通过检测吸附在微悬臂梁探针表面的目标分子造成的表面弯曲来实现传感；动态方法首先激发微悬臂梁探针在共振频率振动，然后通过检测吸附在微悬臂梁探针表面的目标分子造成的本征频率改变，振动相位改变来实现传感。相比于静态方法，动态方法具有响应速度快，检测精度高等优点。动态检测下，可以实现阿克(ag)量级的质量分辨率和皮牛(PN)量级的力学分辨率。原子力显微镜就是基于微悬臂梁的动态检测方式工作，可以实现对单原子精度的测量。基于微悬臂梁的传感器可以实现有效检测的物质还包括汞蒸汽，氟化氢气体，TNT爆炸物，DNA，蛋白质分子等。随着近年来对微悬臂梁传感器研究的深入，目前研究领域正在向微米尺度悬臂梁的高阶共振模式以及纳米尺度悬臂梁发展。它们的优点在于具有更高的品质因子，而高品质因子对于提高检测精度具有重要的意义；而不足之处在于难以实现其共振激发。微米尺度悬臂梁的高阶共振频率通常在几百个kHz到几百个MHz，而纳米尺度悬臂梁的共振频率更是高达GHz量级。常用的信号发生器只能产生几十个MHz频率的电信号，对于高共振频率的微悬臂梁，无法达到其共振频率。通常情况下对微悬臂梁探针的共振激发都是用和共振频率一致的外部电信号来实现，当探针共振频率高于外部电信号频率时，无法实现探针的共振激发，从而不能进行动态检测，影响了科研的进展。磁驱动探测技术(magnetomotivedetection technique)可以实现对GHz频率的激发和检测,但这项技术只适用于两端固定的微悬臂梁，对于最常用的一端固定的微悬臂梁无法使用。

发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种微悬臂梁传感器的共振激发方法。本发明的技术方案是这样实现的—种微悬臂梁传感器，该微悬臂梁传感器是一种电容式微悬臂梁传感器，包括一个n型掺杂硅材料的微悬臂梁底座和一个与微悬臂梁底座平行放置的金属电极；微悬臂梁底座的一端设有与微悬臂梁底座一体的、同材料的无针尖探针，微悬臂梁底座和金属电极上分别设有脉冲电信号接入引线和直流偏压接入引线。所述微悬臂梁的 无针尖探针的尺寸是长度在100-300微米，宽度在20-40微米，厚度在1-2微米。所述微悬臂梁底座和金属电极之间的距离在100-1000微米。上述微悬臂梁传感器的共振激发方法如下由信号发生器通过金属电极上的导线向金属电极提供幅值为5-10伏的直流电压信号，同时由信号发生器通过微悬臂梁底座上的导线向微悬臂梁无针尖探针提供幅值为5-10伏、偏压为0伏的脉冲电信号，该脉冲信号的频率是微悬臂梁探针共振频率的分数倍，从1/3倍到1/10倍。脉冲电信号的频率是微悬臂梁探针共振频率的分数倍时，脉冲电信号的高阶傅利叶谐波包含频率与悬臂梁探针共振频率相同的成分，此成分配合施加在金属电极上的直流偏压，形成探针和金属电极之间的电位差，进而形成作用于微悬臂梁探针上的电场力，此电场力驱动微悬臂梁探针在其共振频率上振动。从技术方案可以看出，本发明与现有技术相比，具有如下优点I.本发明可以实现用微悬臂梁探针共振频率分数倍的低频脉冲信号激发探针高频共振，从而解决了微悬臂梁探针高频共振由于振动频率过高而难以用常规信号发生设备来激发的困难。2.设备结构简单，仅包含一个微悬臂梁和一个金属电极，易于制作加工。3.易于精确控制。信号发生器对电压的控制可达到微伏量级。4.通用性好。可以将本发明所涉及的无针尖微悬臂梁换成其它形式的微悬臂梁或微机电结构，基于上述激发方法，实现不同用途下的激发。5.应用广泛。本发明可以广泛应用于安全检测，环境监测，生物学探测等领域，实现对微弱信号的高精度，高速度的实时检测。


图I是微悬臂梁传感器结构示意图。图2是传感器共振激发与共振检测的原理图。图3是低频脉冲电信号激发微悬臂梁探针高频共振振动的效果图。图4是相同脉冲频率不同脉冲宽度的脉冲电信号的激发效果图。其中，I、微悬臂梁底座，2、微悬臂梁无针尖探针，3、金属电极，4、直流偏压接入引线，5、脉冲电信号接入引线，6、激光测振仪发出的用来探测探针振动的激光，7、激光测振仪光学探头，8、激光测振仪控制器，9、激光测振仪信号输出端口，10、数据采集卡，11、数据采集卡信号输入端口，12、信号发生器,13、信号发生器电压信号输出端口，14、信号发生器同步信号输出端口，15、锁相放大器,16、锁相放大器参考信号输入端口，17、锁相放大器外部信号输入端口，18、PCI接口，19、GPIB接口，20、设备控制及数据分析计算机。
具体实施例方式为了使本发明的目的更加清楚，技术方案更加明了，以下结合具体实施例证，并参照附图，对本发明进行进一步的详细说明。
实施例I :
一种微悬臂梁传感器，如图I所示，微悬臂梁传感器包括一个n型掺杂硅材料的微悬臂梁底座(I)和一个与微悬臂梁底座平行放置的金属电极(3);微悬臂梁底座(I)的一端设有与微悬臂梁底座一体的、同材料的无针尖探针(2)，微悬臂梁底座(I)和金属电极
(3)上分别设有脉冲电信号接入引线(5)和直流偏压接入引线(4)。微悬臂梁的无针尖探针的尺寸是长度为100微米，宽度为20微米，厚度为I微米。所述微悬臂梁底座和金属电极之间的距离为100微米。上述微悬臂梁传感器的共振激发方法如下由信号发生器通过金属电极上的导线向金属电极提供幅值为5伏的直流电压信号，同时由信号发生器通过微悬臂梁底座上的导线向微悬臂梁无针尖探针提供幅值为5伏、偏压为0伏的脉冲电信号，该脉冲信号的频率是微悬臂梁探针共振频率的分数倍，为1/3倍。脉冲电信号的频率是微悬臂梁探针共振频率的分数倍时，脉冲电信号的高阶傅利叶谐波包含频率与悬臂梁探针共振频率相同的成分，此成分配合施加在金属电极上的直流偏压，形成探针和金属电极之间的电位差，进而形成作用于微悬臂梁探针上的电场力，此电场力驱动微悬臂梁探针在其共振频率上振动。实施例2 一种微悬臂梁传感器的共振激发方法，微悬臂梁传感器的结构及其共振激发方法与实施例I相同，不同之处在于微悬臂梁的无针尖探针的尺寸是长度为200微米，宽度为30微米，厚度为I. 5微米。所述微悬臂梁底座和金属电极之间的距离为500微米。由信号发生器通过金属电极上的导线向金属电极提供幅值为8伏的直流电压信号，同时由信号发生器通过微悬臂梁底座上的导线向微悬臂梁无针尖探针提供幅值为8伏、偏压为0伏的脉冲电信号，该脉冲信号的频率是微悬臂梁探针共振频率的1/7倍。实施例3 一种微悬臂梁传感器的共振激发方法，微悬臂梁传感器的结构及其共振激发方法与实施例I相同，不同之处在于微悬臂梁的无针尖探针的尺寸是长度为300微米，宽度为40微米，厚度为2微米。所述微悬臂梁底座和金属电极之间的距离为1000微米。由信号发生器通过金属电极上的导线向金属电极提供幅值为10伏的直流电压信号，同时由信号发生器通过微悬臂梁底座上的导线向微悬臂梁无针尖探针提供幅值为10伏、偏压为0伏的脉冲电信号，该脉冲信号的频率是微悬臂梁探针共振频率的1/10倍。如图2所示，是本发明中微悬臂梁探针共振激发与共振检测的设备连接图。微悬臂梁底座通过信号发生器接入微悬臂梁探针共振频率分数倍的脉冲电信号，金属电极通过另外一个信号发生器接入直流偏压。脉冲电信号的频率是微悬臂梁探针共振频率的分数倍时，脉冲电信号的高阶傅利叶谐波包含频率与悬臂梁探针共振频率相同的成分，此成分配合施加在金属电极上的直流偏压，形成探针和金属电极之间的电位差，进而形成作用于微悬臂梁探针上的电场力，此电场力驱动微悬臂梁探针在其共振频率上振动。微悬臂梁探针的震动通过激光测振仪检测，并将检测到的振动信号同时输入数据采集卡和锁相放大器，进行数据分析。
数据采集卡和锁相放大器分别通过PCI接口和GPIB接口同计算机相连，并在计算机中通过由LabVIEW编写的程序来对设备进行控制和对数据进行处理。如图3所示，是用微悬臂梁探针共振频率1/7倍的低频脉冲电信号作用于微悬臂梁探针，激发微悬臂梁探 针高频共振的效果图。脉冲电信号的幅值是10伏，脉冲宽度是10微秒。计算和检测均表明，示例中所用微悬臂梁探针在无外力自由振动的情况下，由于空气阻力，经过7个周期振幅会降至原来一半。当振幅降至一半时，用脉冲信号激发微悬臂梁一次，使探针恢复到原有振幅。只要脉冲信号存在，微悬臂梁探针的振动可以保持下去。如图4所示，是在不同脉冲电信号的脉冲宽度下，微悬臂梁探针的共振振幅随脉冲宽度变化的测量图。微悬臂梁探针在共振频率下的振幅用锁相放大器提取。脉冲宽度的调节是利用信号发生器，通过改变施加在微悬臂梁底座上的脉冲电信号的脉冲宽度来实现。当脉冲宽度是微悬臂梁探针共振频率下的半周期的奇数倍时，激发效果最好，SP图4中极大值点处；当脉冲宽度是微悬臂梁探针共振频率下的半周期的偶数倍时，激发效果最差，即图4中极小值点处。
权利要求
1.一种微悬臂梁传感器，其特征在于，该微悬臂梁传感器是一种电容式微悬臂梁传感器，包括一个n型掺杂娃材料的微悬臂梁底座和一个与微悬臂梁底座平行放置的金属电极；微悬臂梁底座的一端设有与微悬臂梁底座一体的、同材料的无针尖探针，微悬臂梁底座和金属电极上分别设有脉冲电信号接入引线和直流偏压接入引线。
2.如权利要求I所述的一种微悬臂梁传感器，其特征在于，所述微悬臂梁的无针尖探针的尺寸是长度在100-300微米，宽度在20-40微米，厚度在1-2微米。
3.如权利要求I所述的一种微悬臂梁传感器，其特征在于，所述微悬臂梁底座和金属电极之间的距离在100-1000微米。
4.一种微悬臂梁传感器的共振激发方法，其特征在于，微悬臂梁传感器的共振激发方法如下 由信号发生器通过金属电极上的导线向金属电极提供幅值为5-10伏的直流电压信号，同时由信号发生器通过微悬臂梁底座上的导线向微悬臂梁无针尖探针提供幅值为5-10伏、偏压为0伏的脉冲电信号，该脉冲电信号的频率是微悬臂梁探针共振频率的分数倍，从1/3倍到1/10倍；脉冲电信号的频率是微悬臂梁探针共振频率的分数倍时，脉冲电信号的高阶傅利叶谐波包含频率与悬臂梁探针共振频率相同的成分，此成分配合施加在金属电极上的直流偏压，形成探针和金属电极之间的电位差，进而形成作用于微悬臂梁探针上的电场力，此电场力驱动微悬臂梁探针在其共振频率上振动。
全文摘要
一种微悬臂梁传感器的共振激发方法，属于微机电系统技术领域。微悬臂梁传感器是一种电容式微悬臂梁传感器，包括一个n型掺杂硅材料的微悬臂梁底座和一个与微悬臂梁底座平行放置的金属电极；微悬臂梁底座的一端设有与微悬臂梁底座一体的、同材料的无针尖探针，微悬臂梁底座和金属电极上分别设有脉冲电信号接入引线和直流偏压接入引线。通过在微悬臂梁底座上加微悬臂梁探针共振频率分数倍的脉冲电信号以及在金属电极上加直流偏压，实现用低频脉冲电信号激发微悬臂梁探针的高频共振。本发明有效解决了微悬臂梁探针高频共振难以激发的问题，对基于微悬臂梁的传感器的发展具有重要的实用价值。
文档编号G01D5/12GK102620751SQ20121010492
公开日2012年8月1日 申请日期2012年4月11日 优先权日2012年4月11日
发明者冯兆斌, 刘铎 申请人:山东大学