光动量激励纳米梁纳微颗粒质量测量装置与方法

摘要

本发明提供一种光动量激励纳米梁质量测量装置，包括类正弦光动量激励发生装置和微质量检测装置，上激光器和下激光器的单色光分别照射上圆盘和下圆盘通光孔，驱动电动机带动轴旋转，可以产生类似正弦分布光动量激励，激励纳米梁振动，纳米梁在交变光动量激励作用下产生受迫振动，粘贴于纳米梁根部的电阻层电阻阻值发生变化，利用惠斯通电桥电路可以将该信号输出，经信号放大器放大后，可以进行频谱分析，得到振动时域和频域振动信息图像，得到振动幅值和振动频率等振动参数。改变光动量激励发生装置驱动电机转速，光动量激励频率随着发生变化，纳米梁共振时，输出电流信号值最大，测量电压变化峰值可以检测纳米梁的共振振动频率，通过计算得到纳米梁末端粘附的附加质量的大小，达到测量纳微颗粒质量的目的。

说明书

技术领域

本发明专利是一种纳微质量检测装置，特别是一种用于纳微质量测量装置，属于纳微质量检测领域。

背景技术

对于机械谐振器，纳微悬臂梁是用于探测弱力信号的重要装置。为了实现更高的力学灵敏度，需要采用尺寸更小的微振子，然而如何驱动和探测微小谐振子的振动，成为制约测量纳微颗粒质量精度提高的难题之一。基于量子力学的基本原理，在驱动和测量过程中，驱动和测量设备会对被测对象造成扰动和破坏，引入多余的噪声，降低测量的精确度。在纳微谐振器的振动信号提取方面，通常采用检测位移信号的方法，将位移信号转化为光、电、磁等信号，通过测量这些信号，实现高灵敏度的位移测量，然而这些手段对被测机械振子的尺寸和几何形状有着苛刻的要求，难以应用到纳米、亚纳米尺度机械振子的测量，潜在制约了高精度质量的测量工作。光动量驱动是一种无接触驱动方法，作为纳微谐振器的驱动激励源，减少驱动对被测对象的影响，可以激励尺寸更小的微振子，提高纳微质量测量的精确度和测量的分辨率。

本发明可以广泛应用于细菌、病毒检测，大气污染物检测等领域纳微粒子检测工作，甚至可以用于单分子或者原子质量检测。

发明内容

本发明针对纳微颗粒质量难以测量的现状，提出一种纳微颗粒质量测量装置与方法。

本发明解决其技术问题所采用的方案是：所述的光动量激励纳米梁质量测量装置，包括类正弦光动量激励发生装置和微质量检测装置，其特征在于：

所述光动量激励发生装置由两个固定在同一个轴上的上圆盘、下圆盘、上激光器、下激光器、轴、上轴承、下轴承、驱动电动机和固定端组成，轴的上端和下端分别安装一个轴承，轴下端铰接一个驱动电动机，驱动电动机带动轴旋转；上圆盘和下圆盘半径均为12mm，上圆盘和下圆盘盘面沿着距离轴心等距离开等面积正方形的通光孔，正方形的通光孔边长为5μm，边长远大于光的波长，以半径为10mm的圆周线为中心线布置，相邻两通光孔间距离相等，相邻两个通光孔间距离为通光孔宽度的四倍，上圆盘和下圆盘相邻两通光孔间距离为通光孔宽度的两倍。上激光器和下激光器固定在底座上，当上激光器和下激光器的单色光分别照射通光孔，驱动电动机带动轴旋转，可以产生类似正弦分布光动量激励，激励纳米梁振动。

所述微质量检测装置由纳米梁、电阻层电阻、惠斯通电桥和需要测量的纳微颗粒组成，其特征在于：

所述纳米梁一端固定，另一端自由，纳米梁用硅单晶材料制作，长度、宽度和高度分别为40μm、5μm和0.8μm，纳米梁宽度小于正方形通光孔的边长，被测量纳微颗粒安放在纳米梁末端，正弦光激励作用于纳米梁离末端四分之一处附近。

所述纳米梁上层靠近固定端部分通过氩离子溅射，形成一薄层电阻层电阻，氩离子溅射深度10-50nm，该电阻层电阻值随着纳米梁的变形而发生变化，电阻层长度变长时，电阻变大，相反则变小，电阻层电阻初始电阻15kΩ，惠斯通电桥其它电阻均为15kΩ。

所述惠斯通电桥接在电阻层电阻两端，惠斯通电桥另外两个端子接恒定外电压，电压源电压为5伏特；所述正弦光动量激励作用在纳米梁上、下表面，光子运动动量驱动纳米梁的振动，纳米梁振动时与纳米梁电阻层电阻阻值发生变化，电阻变化引起惠斯通电桥电路中电流信号发生变化，检测电流信号的变化，可以检测纳米梁的振动频率。

纳米梁在交变光动量激励作用下产生受迫振动，粘贴于纳米梁根部的电阻层电阻阻值发生变化，利用惠斯通电桥电路可以将该信号输出，经信号放大器放大后，可以进行频谱分析，得到振动时域和频域振动信息图像，得到振动幅值和振动频率等振动参数。改变光动量激励发生装置驱动电机转速，光动量激励频率随着发生变化，纳米梁共振时，输出电流信号值最大，测量电压变化峰值可以检测纳米梁的共振振动频率，通过计算得到纳米梁末端粘附的附加质量的大小，达到测量纳微颗粒质量的目的。

单色光垂直照射于纳米梁的上表面，光辐射通过通光孔产生的光动量激励力为式中，P为穿过通光孔的入射光的功率，α为入射光的作用力效率，n为周围介质的折射率，c为光速，k为圆盘上通光孔个数，ω为圆盘转速。

纳米梁发生共振时，测量得到共振时圆盘转速ω数值，纳微颗粒的质量为其中，ρ为纳米梁的线密度，E为纳米梁的弹性模量，l为纳米梁的长度，b纳米梁的宽度，h为纳米梁的高度。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.光动量驱动是一种无接触驱动方法，不会产生机械式噪声，测量干扰因素少，测量灵敏度高。

2.双盘透光装置能产生类似正弦分布光动量激励，激励纳米梁振动，进行扫频测量。

附图说明

图1纳米梁纳微颗粒检测装置；

图2通光盘光动量激励开关图；

图3光动量激励演示示意图。

图中，1、固定端 2、上轴承 3、上圆盘 4、下圆盘 5、纳微颗粒 6、下激光器 7、轴8、驱动电动机 9、下轴承 10、单色光 11、底座 12、纳米梁 13、电阻层电阻 14、惠斯通电桥15、电压源 16、信号放大器 17、上激光器 18、通光孔 19、光动量激励

具体实施方式

以下结合附图做作进一步详述：

本实施例的主体结构包括类正弦光动量激励19发生装置和微质量检测装置。所述光动量激励19发生装置由两个固定在同一个轴7上的上圆盘3、下圆盘4、上激光器17、下激光器6、轴7、上轴承2、下轴承9、驱动电动机8和固定端1组成，轴7的上端和下端分别安装一个轴承，轴7下端铰接一个驱动电动机8，驱动电动机8带动轴7旋转；上圆盘3和下圆盘4半径均为12mm，上圆盘3和下圆盘4盘面沿着距离轴心等距离开等面积正方形的通光孔18，正方形的通光孔18边长为5μm，边长远大于光的波长，以半径为10mm的圆周线为中心线布置，相邻两通光孔18间距离相等，相邻两个通光孔18间距离为通光孔18宽度的四倍，上圆盘和下圆盘相邻两通光孔间距离为通光孔宽度的两倍。上激光器17和下激光器6固定在底座11上，当上激光器17和下激光器6的单色光10分别照射通光孔18，驱动电动机8带动轴7旋转，可以产生类似正弦分布光动量激励19，激励纳米梁振动。

所述微质量检测装置由纳米梁12、电阻层电阻13、惠斯通电桥14和需要测量的纳微颗粒5组成。所述纳米梁12一端固定，另一端自由，纳米梁12用硅单晶材料制作，长度、宽度和高度分别为40μm、5μm和0.8μm，纳米梁12宽度小于正方形通光孔18的边长，被测量纳微颗粒5安放在纳米梁12末端，正弦光激励作用于纳米梁12离末端四分之一处附近。

所述纳米梁12上层靠近固定端部分通过氩离子溅射，形成一薄层电阻层电阻13，氩离子溅射深度10-50nm，该电阻层电阻值随着纳米梁12的变形而发生变化，电阻层长度变长时，电阻变大，相反则变小，电阻层电阻13初始电阻15kΩ，惠斯通电桥14其它电阻均为15kΩ。

所述惠斯通电桥14接在电阻层电阻13两端，惠斯通电桥14另外两个端子接恒定外电压，电压源15电压为5伏特；所述正弦光动量激励19作用在纳米梁12上、下表面，光子运动动量驱动纳米梁12的振动，纳米梁12振动时与纳米梁电阻层电阻13阻值发生变化，电阻变化引起惠斯通电桥14电路中电流信号发生变化，检测电流信号的变化，可以检测纳米梁12的振动频率。

纳米梁12在交变光动量激励19作用下产生受迫振动，粘贴于纳米梁12根部的电阻层电阻13阻值发生变化，利用惠斯通电桥14电路可以将该信号输出，经信号放大器16放大后，可以进行频谱分析，得到振动时域和频域振动信息图像，得到振动幅值和振动频率等振动参数。改变光动量激励19发生装置驱动电机8转速，光激励频率随着发生变化，纳米梁12共振时，输出电流信号值最大，测量电压变化峰值可以检测纳米梁12的共振振动频率，通过计算得到纳米梁12末端粘附的附加质量的大小，达到测量分子质量的目的。

单色光垂直照射于纳米梁12的上表面，光辐射通过通光孔18产生的光动量激励力为式中，P为穿过通光孔18的入射光的功率，α为入射光的作用力效率，n为周围介质的折射率，c为光速，k为圆盘上通光孔个数，ω为圆盘转速。

纳米梁12发生共振时，测量得到共振时圆盘转速ω数值，纳微颗粒的质量为其中，ρ为纳米梁12的线密度，E为纳米梁12的弹性模量，l为纳米梁12的长度，b纳米梁12的宽度，h为纳米梁12的高度。

实例1：单色光垂直照射于纳米梁12的上表面，穿过通光孔18的入射光的功率P为1×10^-6w，入射光的作用力效率α为0.8，周围介质的折射率n为1，光速c为3×10⁸m/s，圆盘上通光孔个数k为1256，纳米梁12的线密度为9.32×10^-9kg/m，纳米梁12的弹性模量E为170GPa，纳米梁12的长度l为40μm，纳米梁12的宽度b为5μm，纳米梁12的高度为h为0.8μm。光辐射通过通光孔18产生的光动量激励力幅值为2.0×10^-3nN。

纳米梁12发生共振时，测量得到共振时圆盘转速为1700转每秒，纳微颗粒5的质量为2.7358×10^-15kg。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进，均应包含在本发明所述的保护范围之内。