[發(fā)明專利]一種利用激光遠程激發(fā)微米尺度的微懸臂梁探針共振的方法

無效

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• 申請日: 2012-11-07
• 公開（公告）號: CN102944615A
• 公開（公告）日: 2013-02-27
• 發(fā)明（設計）人: 劉鐸;馮兆斌
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: G01N30/00
• 分類號: G01N30/00;G01N21/00
• 代理公司: 濟南金迪知識產權代理有限公司 37219
• 代理人: 呂利敏

技術領域

本發(fā)明涉及一種利用激光遠程激發(fā)微米尺度的微懸臂梁探針共振的方法，屬于微機電系統(tǒng)的技術領域。

背景技術

微懸臂梁傳感器當今被廣泛應用于微弱信號的測量，可用于檢測的物質包括水銀蒸汽、氟化氫氣體、TNT爆炸物、DNA、蛋白質分子等。其工作原理是通過微懸臂梁探針對目標分子的表面吸附從而改變探針的運動狀態(tài)實現(xiàn)檢測，它具有速度快，精度高，重復性好等優(yōu)點。傳感過程中最核心的技術是如何實現(xiàn)對微懸臂梁探針的共振激發(fā)，它對傳感器的應用范圍、響應速度、探測精度都有重要影響。

傳統(tǒng)的激發(fā)技術基于壓電效應，電場力，磁驅動技術等。傳統(tǒng)激發(fā)技術的共同不足之處是它們都不是“非接觸”式激發(fā)，因為在這些激發(fā)方法中，微懸臂梁必須捆綁到壓電換能器（或其它的機械振蕩器），電極，或永磁體上。這不但增加了傳感器的制作步驟及成本，而且還對器件材料與探測方法有額外的要求。對基于電場力或電磁相互作用的共振激發(fā)技術，要求微懸臂梁必須是由導電材料制作。因此，對于由氮化硅或本征硅等非導電材料制作的微懸臂梁，電磁激發(fā)不能被直接應用。而在基于壓電換能器共振激發(fā)中，在頻率響應測量中必須引入額外的歸一化過程，因為壓電材料的壓電系數(shù)是依賴于電信號的頻率的。與傳統(tǒng)的激發(fā)技術相比，“非接觸”式激發(fā)，或者說“遠程”激發(fā)，具有的重要優(yōu)勢之一就是激發(fā)技術對微懸臂梁本身沒有任何限制和影響，因而具有制作成本低，應用領域廣等優(yōu)點。

超聲波激發(fā)和激光激發(fā)是可供選擇的兩種遠程激發(fā)技術，Thomas?M.Huber等已實現(xiàn)了基于超聲波的微懸臂梁遠程共振激發(fā)（參考文獻：T.M.Huber,B.C.Abell,D.C.Mellema,M.Spletzer,and?A.Raman,Appl.Phys.Lett.97,214101(2010).），其激發(fā)理論也得到了深入的發(fā)展。然而，與激光激發(fā)相比，超聲波激發(fā)有兩個重要的不足：（1）難以實現(xiàn)聚焦。以空氣作為傳播媒介的超聲波，其力學特點決定了難以聚焦到微米尺度的微懸臂梁上，從而有能量利用率低的缺點。（2）不能在真空環(huán)境中應用。真空環(huán)境是提高微懸臂梁品質因子和檢測精度的重要手段。以上兩方面不足，在以激光為能量來源的激發(fā)技術中，可以被有效克服。國內方面，清華大學的顧利忠研究組實現(xiàn)了聲光調Q開關控制下的，10.5毫米長度懸臂梁的共振激發(fā)，參見《應用激光》1991年05期記載的《光激勵微型懸臂梁諧振器》文章。當今的微懸臂梁傳感器是基于微米尺度的微懸臂梁制作而成。微米尺度的微懸臂梁，具有尺寸小、共振頻率高等特點，因此一些宏觀尺度的技術將不在適用。微米尺度微懸臂梁在激發(fā)技術、檢測技術、數(shù)據分析技術等方面都有更高的要求。

綜合以上分析，可以看到利用激光來實現(xiàn)微米尺度的微懸臂梁的遠程共振激發(fā)，對于傳感器的發(fā)展以及激光技術的應用，都具有重要的意義。

發(fā)明內容

針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供一種利用激光遠程激發(fā)微米尺度的微懸臂梁探針共振的方法。

本發(fā)明的技術方案如下：

一種利用激光遠程激發(fā)微米尺度的微懸臂梁探針共振的方法，用周斯性脈沖激光聚焦于微懸臂梁探針表面，所述脈沖激光的頻率為微懸臂梁探針共振頻率的1/n，其中n為1~10。本發(fā)明利用激光熱效應在微米尺度的微懸臂梁探針中產生的熱應力的n階傅利葉諧波，實現(xiàn)對微米尺度的微懸臂梁探針的共振激發(fā)。

根據本發(fā)明優(yōu)選的，所述微米尺度的微懸臂梁探針的尺寸范圍：長，100－500μm；寬，10－50μm；厚，1－2μm；所述脈沖激光的波長范圍：405－650nm。

根據本發(fā)明優(yōu)選的，所述微米尺度的微懸臂梁探針的長，100μm；寬，10μm；厚，1μm，所述脈沖激光的波長為：405nm，所述脈沖激光的頻率為所述微懸臂梁探針共振頻率的1/7。

根據本發(fā)明優(yōu)選的，所述微米尺度的微懸臂梁探針的長，300μm；寬，35μm；厚，1μm，所述脈沖激光的波長為：532nm，所述脈沖激光的頻率為所述微懸臂梁探針共振頻率的1/5。

根據本發(fā)明優(yōu)選的，所述微米尺度的微懸臂梁探針的長，500μm；寬，50μm；厚，2μm，所述脈沖激光的波長為：650nm，所述脈沖激光的頻率為所述微懸臂梁探針共振頻率的1/3。