微悬臂梁阵列传感系统设计与实现

摘要

微悬臂梁传感器是在原子力显微镜技术上发展起来的，原子力显微镜(AFM)的出现导致微悬臂梁作为一种能够检测许多生物、化学和物理现象的传感器。其因具有灵敏度高，响应速度快和非标记等优点得到了广泛应用。利用微梁传感平台进行相应的传感检测研究是当前微纳传感技术研究的新热点。目前微梁传感器的研究都向着大尺度、高通量以及实时测量等方向发展，因此需要能够完成对多试样测量的平台以达到检测目的。
　　本文以微梁传感技术为基础，通过对国内外微梁传感系统平台以及微梁传感的光学读出检测方式等进行探究，提出本文的探究方案并开展相关探究工作。在确定采用光学读出方式之后，为实现激光束空中变向的目标，本文提出利用转动方式实现对阵列微梁的扫描检测。通过转动台不同位置上平面镜的反射，使激光束依次通过平面镜下方的通光孔垂直反射到微梁阵列尖端，利用光杠杆原理将微梁尖端纳米量级的位移进行放大，再通过光电位置敏感探测器对位移信号进行时序检测，利用转动台的转动实现系统循环扫描，从而实现对各微梁上产生的信息进行实时监测。
　　本文首先介绍微梁传感器及其作为检测手段的发展历程，其中，对已有的采用光学方式读出阵列微梁系统的现状及趋势进行介绍，总结采用旋转方式实现对阵列微梁扫描进行传感检测这一研究项目设计思想的来源。在上述工作基础上，进一步对旋转扫描阵列微梁的传感检测系统的实验方案加以探讨，对其工作原理、结构设计方案的优化以及相关研究进行阐述。
　　本文对以转动方式扫描微梁阵列进行传感检测系统中的数据采集和处理部分，利用Labview软件平台实现，并对数据采集系统中的各个模块功能进行了介绍。
　　以上各环节完成后，本文通过对所搭建的微梁传感系统进行了稳定性测试，之后验证不同温度下的阵列信号是否具有一致性，最后开展了光响应测试，验证了转动扫描阵列微梁进行检测的传感系统设计的合理性与可操作性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．1．1 传感器概述

1．1．2 MEMS技术简介

1．2 微悬臂梁传感技术

1．2．1 微梁传感器的工作模式

1．2．2 微梁传感的数据读出方式

1．3 微悬臂梁传感器研究进展

1．3．1 微悬臂梁传感器发展历史

1．3．2 微悬臂梁传感器的应用

1．4 微悬臂梁阵列实现方式研究进展

1．4．1 多激光检测法

1．4．2 单激光器逐点检测方法

1．5 本文主要内容

2 微悬臂梁阵列传感系统结构设计及研究

2．1 系统结构设计原理

2．2 系统结构的优化设计

2．2．1 激光器的选型

2．2．2 夹持装置的优化设计

2．2．3 电机的选择

2．2．4 转动台结构设计

2．2．5 通光孔的遮光板设计

2．3 显微放大技术

2．4 光电位置敏感探测器工作特性的研究

2．4．1 四象限探测器的工作原理

2．4．2 光强对四象限探测器测量精度的影响

2．4．3 光斑半径大小对四象限探测器测量精度的影响

2．5 本章小结

3 微悬臂梁阵列传感系统数据采集技术的研究

3．1 微梁数据采集系统中数据采集卡的硬件设计

3．1．1 数据采集卡选型主要技术指标

3．1．2 数据采集卡的结构组成

3．1．3 数据采集卡的技术规范

3．2 微梁数据采集系统中软件技术设计

3．2．1 虚拟仪器

3．2．2 Labview图形化编程软件

3．3 微梁阵列系统中基于Labview的数据采集程序设计

3．3．1 数据采集模块

3．3．2 数据处理模块

3．4 本章小结

4 微悬臂梁阵列传感系统实现与研究

4．1 转动方式扫描阵列微梁传感系统的实现

4．1．1 系统硬件平台搭建

4．1．2 系统软件平台设计

4．2 稳定性测试

4．3 阵列信号一致性测试

4．4 光响应测试

4．5 本章小结

5 总结与展望

5．1 全文工作总结

5．2 展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果