微悬臂梁传感器的光致振动特性及其应用研究

摘要

微机电系统(Microelectromechanical systems，MEMS)是指由微型传感器、微型机械结构和高性能电子集成器件等于一体的微型器件或系统，在高新技术领域取得了广泛应用。微悬臂梁作为MEMS器件中常用的微传感器，其所具有的成本低、质量轻、功耗低、体积小、灵敏度高、响应速度快以及可批量生成的优点，使其在物理量探测、化学量探测、生物分子检测及环境监测等诸多领域都具有广泛的应用。微悬臂梁作为传感器应用时，其检测方式主要为静态检测方式和动态检测方式。动态检测模式因具有更高的稳定性和灵敏度而取得了广泛应用。动态检测模式应用的前提条件是对微悬臂梁进行有效地共振激励。基于以上背景，本论文对微悬臂梁的新型激励方法、光热激励效率的提高、光对微悬臂梁共振特性的调控、高阶共振激励及相关应用出口等方面做了深入的研究。
　　本论文的正文部分共有六章，分别是第一章绪论;第二章基于光声效应激励微悬臂梁振动;第三章利用局域等离激元结构提高光热激励效率;第四章利用双光束系统调节微悬臂梁的共振特性及其应用;第五章基于低频调制光的高阶傅里叶谐波激发微悬臂梁的高阶共振;第六章结论与展望。主要研究内容和结论包括:
　　第一章:对微悬臂梁的结构、性质、工作模式及品质因子做了综述性介绍，并总结了激励微悬臂梁振动的方法。最后，介绍了微悬臂梁及其传感器的当前研究现状并对其发展趋势进行了总结。
　　第二章:研究了基于光声效应激励微悬臂梁振动的新型激励方法，并对其振动特性进行了研究，主要研究内容包括:
　　(1)研发了基于光声效应激励微悬臂梁振动的方法。
　　(2)阐明了光热激励与光声激励对梁共振频率和品质因子的影响。对于常用的硅材料微悬臂梁，光热激励产生的热效应使其杨氏模量减小从而降低微悬臂梁的共振频率和品质因子。
　　(3)发现光声激励对微悬臂梁的共振频率和品质因子无影响，证明了光声激励的方法有效地消除了热效应。
　　(4)研究了光声效应激励微悬臂粱的前两阶弯曲共振振幅与激光功率的关系，表明两者之间具有良好的线性关系。
　　(5)发现振幅与微悬臂梁和铝箔之间的距离近似成反比关系，这主要是因为点声源发出的声波在空气中传播时会产生扩散，并导致在单位面积上的声波能量减小。
　　第三章:利用金纳米颗粒的局域等离激元效应(LSP)提高光热激励效率。主要研究内容包括:
　　(1)利用溅射退火的方法在微悬臂梁表面构造了金纳米颗粒，通过控制溅射时间可以实现对纳米颗粒尺寸和占空比的调控。另外，利用反射谱表征了AuLSP的光学性质。
　　(2)研究并证明了金纳米颗粒的存在可以有效地提高光热激励微悬臂梁振动的效率，且在局域等离激元共振处效率最高。
　　(3)阐明了纳米颗粒尺寸和密度对激励效率的影响，证明单个金纳米颗粒的尺寸效应和多个金纳米颗粒的累积效应共同影响激励效率。
　　(4)研究了在相同光功率的LED激励下，微悬臂梁的共振振幅与梁长度的关系。
　　第四章:利用双光束系统调节微悬臂梁的共振特点，并研究了该方法的相关应用。主要研究内容包括:
　　(1)对梁进行激光加热会造成其共振频率的下降，并且随着激光功率的增加，共振频率下降速率加快，这可以归结为:随着梁温度的升高，杨氏模量与温度二次方有关的依赖系数β2开始占据主导作用;另外，微悬臂梁受热导致的频率改变量具有阶次依赖性，振动阶次越高，频移量越大。
　　(2)基于激光加热的方式可以调谐梁共振频率的特点，梁可以作为一种检测物理量频率的探测器使用。我们利用光热调谐微悬臂梁前两阶共振频率的方式实现了对声波频率的探测，并发现微悬臂梁的振动阶次越高，可探测频率范围越宽，且信噪比也越高。
　　(3)对于光热激励微悬臂梁振动，我们利用另一束激光加热微悬臂梁并使其温度升高。由于硅（梁材料）的热导率随着温度的升高而降低，热膨胀系数随着温度的升高而增加，导致梁在厚度方向的热梯度变大，提高了光热激励效率。
　　(4)利用解析计算的方式证明了光热激励效率的增加有利于提高微悬臂梁传感器对力和质量的检测灵敏度。
　　第五章:主要研究了利用低频调制光的高阶傅立叶谐波激励微悬臂梁的二阶共振，主要研究内容包括:
　　(1)证明了微悬臂梁的第二阶弯曲共振可以通过调制频率为梁共振频率的1/n的方波来激励。这主要是因为方波信号的n阶傅利叶谐波的频率与梁高阶共振频率相同，从而这个谐波可以激发梁高阶共振。
　　(2)研究并证明了光热激励效率和调制激光的傅里叶谐波的级数的关系，发现级数越低，激励效率越高。这主要是因为梁的共振振幅由第n阶傅利叶谐波的系数的绝对值决定，n越小，其系数的绝对值越大，照射在梁上的激光能量越多。
　　(3)梁二阶共振的激发依赖于激光能量是高斯分布的特点。
　　(4)研究了激励效率与光斑在梁不同位置的依赖关系。
　　第六章:对本文的研究工作进行了归纳总结，并对今后的研究方向进行了展望。
　　本论文的创新之处在于:
　　(1)采用实验研究、解析计算和仿真模拟三种手段，研发了基于光声效应激励微悬臂梁振动的方法，证明了光声效应不但是一种远程非接触式的激发方式，还有效地消除了激光直接照射微悬臂梁所产生的热效应，对于检测诸如细胞或化学分子等对热敏感的目标物具有重要的应用价值。
　　(2)基于微悬臂梁的光热激励，研发了利用金纳米颗粒的局域等离激元效应提高光热激励效率的方案。光热激励效率的提高有利于减小光和热在微悬臂梁探测过程中对周围介质的影响，同时光热激励效率的提高有利于梁作为高灵敏度的光功率计使用。
　　(3)利用光热效应可调谐梁共振频率的特点，实现了对远离梁固有频率的声波频率的探测。另外，对梁加热可提高光热激励微悬臂梁振动的能量转换效率。
　　(4)利用低频调制激光的傅利叶谐波实现了微悬臂梁的二阶共振激发，为用低频信号激发微悬臂梁的高阶振动提供了一种可行的方案，并且可以适用于其它需要高灵敏度检测的谐振系统中。

目录

声明

摘要

1．1 微悬臂梁概述

1．1．1 微悬臂梁结构

1．1．2 微悬臂梁振动模型

1．1．3 微悬臂梁的工作模式

1．2 微悬臂梁的品质因子

1．2．1 空气阻尼损耗

1．2．2 热弹性损耗

1．2．3 支撑损耗

1．2．4 表面能量损耗

1．3 基于微悬臂梁激励方法的研究现状

1．3．1 压电效应激励

1．3．2 电场力激励

1．3．3 挠曲电激发

1．3．4 肖特基势垒激励

1．3．5 磁场激励

1．3．6 声波激励

1．3．7 光热激励

1．4 微悬臂梁的发展现状及未来发展方向

1．4．1 悬臂梁的发展现状

1．4．2 微悬臂梁传感器的发展现状

1．4．3 微悬臂梁的发展方向

1．5 研究目的与拟解决的问题

参考文献

第二章 基于光声效应激励微悬臂梁振动特性的研究

2．1 引言

2．2 实验方案的设计及其可行性分析

2．2．1 光声效应理论

2．2．2 基于光声效应激励微悬臂梁振动的实验方案设计

2．2．3 实验方案的可行性分析

2．3 光声激励和光热激励对微悬臂梁共振特性的影响

2．3．1 光声激励和光热激励对微悬臂梁共振频率的影响

2．3．2 光声激励和光热激励对微悬臂梁品质因子的影响

2．4 光声激励微悬臂梁振动振幅的光功率依赖

2．5 光声效应声源和梁距离对微悬臂梁振幅的影响

2．6 本章小结

参考文献

第三章 利用局域等离激元结构提高光热激励效率

3．1 引言

3．2 金属局域表面等离激元结构及光热性质

3．2．1 单个纳米颗粒的光热效应

3．2．2 纳米颗粒群的光热效应

3．3 悬臂梁表面局域等离激元结构的制备和光学性质

3．3．1 溅射退火法制备金局域等离激元

3．3．2 金局域等离激元结构的光学性质

3．4 局域等离激元结构微悬臂梁的光热激发

3．4．1 实验设置

3．4．2 光热激发效率的波长依赖性

3．5 纳米颗粒尺寸和占空比对激励效率提高的影响

3．6 微悬臂梁长度对激励效率提高的影响

3．7 功率依赖及应用

3．8 本章小结

参考文献

第四章 利用双光束系统调节微悬臂梁的共振特性及应用

4．1 引言

4．2 实验设计方案

4．3 不同激光功率下的梁频率响应

4．4 光热效应调制共振频率及应用

4．4．1 共振频率的温度依赖性

4．4．2 应用

4．5 光热效应调制共振振幅及应用

4．5．1 共振振幅的温度依赖性

4．5．2 应用

4．6 本章小结

参考文献

第五章 基于低频调制光中的高阶傅里叶谐波激励微悬臂梁的高阶共振

5．1 引言

5．2 实验方案

5．3 光热激励效率的位置依赖性

5．4 激发机制

5．5 实验结果及讨论

5．6 本章小结

参考文献

第六章 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 论文创新点

6．3 需要进一步研究的问题

附录

致谢

攻读博士期间已发表的论文及专利