一种微悬臂梁探针二阶共振激发装置

摘要

一种微悬臂梁探针二阶共振激发装置，属于微机电系统技术领域。装置包括一个由导电材料构成的微悬臂梁底座，一个与微悬臂梁底座一体的、同材料的微悬臂梁探针和与微悬臂梁底座平行放置的共面电极；共面电极由一对在同一平面上的、由相同材料构成的子电极组成。在微悬臂梁底座上施加频率等同于微悬臂梁探针二阶共振频率的正弦电信号，同时在两个子电极上分别施加正、负直流偏压，在正弦电信号和正、负直流偏压的共同作用下，形成两个子电极对微悬臂梁探针的周期性电场力，电场力在探针上形成周期性扭力，从而实现微悬臂梁探针二阶共振的有效激发。本发明有效解决了微悬臂梁探针二阶共振难以激发的问题，对微悬臂梁的应用和研究具有重要的价值。

权利要求

1.一种微悬臂梁探针二阶共振激发装置，其特征在于，装置包括一个由导电材料构成的微悬臂梁底座，一个与微悬臂梁底座一体的、同材料的微悬臂梁探针，一个与微悬臂梁底座平行放置的共面电极；所述的共面电极由一对在同一平面上的、由相同材料构成的子电极组成，所述微悬臂梁探针二阶共振激发装置还包括信号发生器（11）通过连接在微悬臂梁底座上的引线（6）向微悬臂梁底座（3）提供频率等同于微悬臂梁探针二阶共振频率的正弦电信号；直流电压源（7）通过连接在共面电极上的引线（5）向共面电极的两个子电极分别提供直流偏压。

2.如权利要求1所述的一种微悬臂梁探针二阶共振激发装置，其特征在于，所述的微悬臂梁探针的尺寸是：长度为100－500微米，宽度为10－50微米，厚度为1－2微米。

3.如权利要求1所述的一种微悬臂梁探针二阶共振激发装置，其特征在于，所述的微悬臂梁底座和共面电极之间的距离为100-1000微米。

4.如权利要求1所述的一种微悬臂梁探针二阶共振激发装置，其特征在于，所述的共面电极的两个子电极之间的距离为100－1000微米。

5.一种微悬臂梁探针二阶共振激发方法，其特征在于，共振激发方法如下：

在微悬臂梁底座上施加频率等同于微悬臂梁探针二阶共振频率的正弦电信号，同时在共面电极的两个子电极上分别施加正、负直流偏压，在正弦电信号和正、负直流偏压的共同作用下，形成两个子电极对微悬臂梁探针的周期性电场力，两个电场力周期相同、相位相反；两个周期性电场力在微悬臂梁探针上形成周期性扭力，从而实现微悬臂梁探针二阶共振的有效激发。

说明书

一种微悬臂梁探针二阶共振激发装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种微悬臂梁探针二阶共振激发装置，属于微机电系统技术领域。

背景技术

[0002] 电容式微悬臂梁结构是当前广泛应用于微机电系统中的一种结构，它可以用于对微弱信号的采集和测量。传统的电容式微悬臂梁结构通常包含一个微悬臂梁和一个电极。当把带有直流偏压的正弦交流信号施加在电容式微悬臂梁结构上时，微悬臂梁探针和电极之间形成的周期性电场力驱动微悬臂梁探针振动。由于微悬臂梁探针的振动行为对周围环境中被检测物质的影响极其敏感，因此通过监测微悬臂梁探针振动行为的变化，可以实现对周围环境中被检测物质的监测。基于电容式微悬臂梁的传感器可以实现有效检测的物质包括：汞蒸汽，氟化氢气体，TNT爆炸物，DNA，蛋白质分子等。

[0003] 在传统的单电极的电容式微悬臂梁结构中，周期性电场力在整个探针的表面上具有相同的相位，这导致了容易激发微悬臂梁探针的一阶共振而不容易激发高阶共振。然而，近年来越来越多的研究和应用关注于微悬臂梁探针的高阶共振，因为高阶共振具有更高的品质因子，从而具有更高的检测极限。品质因子是微悬臂梁探针的重要参数，它的高低决定了微悬臂梁的检测精度和极限分辨率。研究如何提高品质因子是当前微悬臂梁研究的重要课题，可以采用的方法包括：（1）把微悬臂梁结构放在抽真空环境中，通过降低环境中流体的阻尼达到提高品质因子的目的。用这种方法通常可以把品质因子提高3到4个数量级；（2）降低环境噪音。材料分子的无规则热运动和微悬臂梁结构所处环境的无规则振动是影响信噪比的重要因素，通过降低温度，降低环境干扰，可以一定程度上提高品质因子；（3）-6
采用高阶共振。由于抽真空技术已可以使气压降到10 mbar以下，而低温技术可以让温度接近绝对零度，因此在这方面可努力的空间已经不多。但高阶共振对于一个有无数自由度的系统是没有上限的，对应着无数多的本征振动。根据振动力学的结论，共振的阶数越高，相应的品质因子也越高。因此，如何有效激发高阶共振，是当前的重要研究方向。二阶共振做为高阶共振中最简单也是最容易实现的一种，具有重要的研究价值和应用价值。

发明内容

[0004] 针对现有技术的不足，本发明提供一种微悬臂梁探针二阶共振激发装置。

[0005] 本发明的技术方案是这样实现的：

[0006] 一种微悬臂梁探针二阶共振激发装置，包括一个由导电材料构成的微悬臂梁底座，一个和微悬臂梁底座一体的、同材料的微悬臂梁探针，一个与微悬臂梁底座平行放置的共面电极；所述的共面电极由一对在同一平面上的、由相同材料构成的子电极组成。

[0007] 所述的微悬臂梁探针的尺寸是：长度为100－500微米，宽度为10－50微米，厚度为1－2微米。

[0008] 所述的微悬臂梁底座和共面电极之间的距离为100-1000微米。

[0009] 所述的共面电极的两个子电极之间的距离为100－1000微米。

[0010] 上述微悬臂梁探针二阶共振激发方法如下：

[0011] 在微悬臂梁底座上施加频率等同于微悬臂梁探针二阶共振频率的正弦电信号，同时在共面电极的两个子电极上分别施加正、负直流偏压，在正弦电信号和正、负直流偏压的共同作用下，形成两个子电极对微悬臂梁探针的周期性电场力，两个电场力周期相同、相位相反；两个周期性电场力在微悬臂梁探针上形成周期性扭力，从而实现微悬臂梁探针二阶共振的有效激发。

[0012] 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：

[0013] 1.本发明解决了传统微悬臂梁结构中作用于探针表面的力由于只具有单一相位而无法有效激发二阶共振的困难。

[0014] 2.设备结构简单，易于制作加工。

[0015] 3.共振通过电信号进行驱动，易于精确控制。

[0016] 4.易于推广。通过合理的电极设计，本方法可以很容易地推广到更高阶的共振模式的激发。

附图说明

[0017] 图1是具有共面电极设置的电容式微悬臂梁结构示意图。

[0018] 图2是微悬臂梁探针二阶共振的激发与检测的原理图。

[0019] 图3是微悬臂梁探针一阶共振示意图。

[0020] 图4是微悬臂梁探针二阶共振示意图。

[0021] 图5是共面电极设置下的二阶共振激发效果图。

[0022] 其中，1、共面电极的子电极，2、共面电极固定架，3、微悬臂梁底座，4、微悬臂梁探针，5、子电极的引线，6、微悬臂梁底座的引线，7、直流电压源，8、激光测振仪光学探头，9、激光测振仪控制器，10、激光测振仪信号输出端口，11、信号发生器，12、信号发生器电压信号输出端口，13、信号发生器同步信号输出端口，14、锁相放大器，15、锁相放大器参考信号输入端口，16、锁相放大器外部信号输入端口，17、设备控制及数据分析计算机，18、微悬臂梁探针二阶共振的不动点，19、微悬臂梁探针上的振动检测点，20、共面电极的子电极与微悬臂梁探针之间的电场力。

具体实施方式

[0023] 以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

[0024] 实施例1：

[0025] 一种微悬臂梁探针二阶共振激发装置，如图1所示，包括一个由导电材料构成的微悬臂梁底座（3），一个和微悬臂梁底座一体的、同材料的微悬臂梁探针（4），一个与微悬臂梁底座（3）平行放置的共面电极；所述的共面电极由一对在同一平面上的、由相同材料构成的子电极（1）组成。

[0026] 所述的微悬臂梁探针（4）的尺寸是：长度为100微米，宽度为10微米，厚度为1微米。

[0027] 所述的微悬臂梁底座（3）和共面电极之间的距离为100微米。

[0028] 所述的共面电极的两个子电极（1）之间的距离为100微米。

[0029] 上述微悬臂梁探针二阶共振激发装置的激发方法如下：由信号发生器（11）通过连接在微悬臂梁底座上的引线（6）向微悬臂梁底座（3）提供幅值为5伏、偏压为0伏、频率等同于微悬臂梁探针二阶共振频率的正弦电信号，同时由直流电压源（7）通过连接在共面电极上的引线（5）向共面电极的两个子电极分别提供4.5伏、-0.5伏直流偏压。在正弦电信号和正、负直流偏压的共同作用下，形成两个子电极对微悬臂梁探针的周期性电场力（20），两个电场力周期相同、相位相反，其作用力形式可分别表示为f1(t)＝F1sin(胡)和f2(t)＝-F2sin(ωt)（其中F1和F2分别是f1(t)和f2(t)的幅值），它们之间可以形成相对于二阶共振不动点（18）的具有一定频率的扭力，其频率等同于微悬臂梁探针的二阶共振频率。在这个扭力的驱动下，可以实现如图4所示的二阶共振的激发，激发的强度可通过调节图2所示的参数Z来控制（参数Z的正方向向上）。而传统的单电极设置下，作用于探针表面的力只具有单一相位，只能激发如图3所示的一阶共振，不能激发二阶共振。

[0030] 实施例2：

[0031] 一种具有共面电极设置的微悬臂梁探针二阶共振激发装置，其结构和共振激发方法与实施例1相同，不同之处在于：

[0032] 所述的微悬臂梁探针（4）的尺寸是：长度为300微米，宽度为35微米，厚度为1微米。

[0033] 所述的微悬臂梁底座（3）和共面电极之间的距离为500微米。

[0034] 所述的共面电极的两个子电极（1）之间的距离为750微米。

[0035] 由信号发生器（11）通过连接在微悬臂梁底座上的引线（6）向微悬臂梁底座（3）提供幅值为4伏、偏压为0伏、频率等同于微悬臂梁探针二阶共振频率的正弦电信号，同时由直流电压源（7）通过连接在共面电极上的引线（5）向共面电极的两个子电极分别提供4伏、-1伏直流偏压。

[0036] 实施例3：

[0037] 一种具有共面电极设置的微悬臂梁探针二阶共振激发装置，其结构和共振激发方法与实施例1相同，不同之处在于：

[0038] 所述的微悬臂梁探针（4）的尺寸是：长度为500微米，宽度为50微米，厚度为2微米。

[0039] 所述的微悬臂梁底座（3）和共面电极之间的距离为1000微米。

[0040] 所述的共面电极的两个子电极（1）之间的距离为1000微米。

[0041] 由信号发生器（11）通过连接在微悬臂梁底座上的引线（6）向微悬臂梁底座（3）提供幅值为3伏、偏压为0伏、频率等同于微悬臂梁探针二阶共振频率的正弦电信号，同时由直流电压源（7）通过连接在共面电极上的引线（5）向共面电极的两个子电极分别提供3.5伏、-1.5伏直流偏压。

[0042] 图2所示，是本发明中微悬臂梁探针的二阶共振的激发与检测的设备连接图。对微悬臂梁探针振动的检测是在二阶共振有最大位移的位置（19）。振动检测通过激光测振仪来完成，激光测振仪包括用于采集振动信号的测振仪光学探头（8）和用于分析并输出信号的测振仪控制器（9）。检测到的信号输入锁相放大器（14）进行数据处理。锁相放大器与计算机（17）相连，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分析。

[0043] 二阶共振的典型激发效果如图（6）所示，在Z参数约为-220微米的位置处，二阶共振振幅有最大值，此位置即共面电极所形成的扭力最大的位置，此时可以明显加强对二阶共振的激发效果。