[发明专利]一种微悬臂梁传感器的共振激发方法

说明书

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(magnetomotive detection 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：

一种微悬臂梁传感器，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：

1.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。