[發(fā)明專利]一種利用發(fā)光二極管陣列實現(xiàn)微懸臂梁高階共振激發(fā)的方法及應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510014828.7
• 申請日: 2015-01-12
• 公開（公告）號: CN104535172B
• 公開（公告）日: 2018-02-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉鐸;高乃坤;林貫軍;張茜;林曉煜;趙東方;賈冉
• 申請（專利權(quán)）人: 山東大學
• 主分類號: G01H9/00
• 分類號: G01H9/00;G01N29/02
• 代理公司: 濟南金迪知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司37219
• 代理人: 呂利敏

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種利用發(fā)光二極管陣列實現(xiàn)微懸臂梁高階共振激發(fā)的方法及應(yīng)用，屬于微機電器件振動的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

微懸臂梁(Micro-cantilever)作為一種常用的微機電器件，通常以晶體生長為基礎(chǔ)，通過半導體工藝加工而成。它由底座部分(Bulk)和梁部分(Beam)構(gòu)成，梁的一端為自由端，作為原子力顯微鏡使用時通常還要附著一探針，另一端則固定在底座上。對于常用的微懸臂梁，材料一般為硅或者氮化硅，其長度在幾十微米到幾百微米，寬度在幾微米到幾十微米，厚度在一到兩個微米不等。其所具有的質(zhì)量小、彈性系數(shù)小、共振頻率高等力學特點，使得它特別適合用于制造各種超高精度傳感器。

微懸臂梁的應(yīng)用本質(zhì)主要體現(xiàn)在對其共振頻率或品質(zhì)因子隨外界環(huán)境改變的基礎(chǔ)上進行檢測。對其共振頻率的激發(fā)主要包括以下幾種激勵源：

壓電式激發(fā):1991年D.Rugar等人在Physical Review Letters發(fā)表文章將微懸臂梁與壓電換能器(通常選擇壓電陶瓷片)粘貼在一起，并在壓電陶瓷的振動方向上施加一交流電信號從而使壓電陶瓷以外加電流的頻率振動，即可通過壓電陶瓷的振動帶動微懸臂梁的振動。但是由于壓電陶瓷片均有其諧振頻率，且外加電信號頻率在其諧振頻率附近時，壓電片具有比較大的振動。這造成當外加電信號在固定幅值下做頻率掃描時，壓電片在不同電信號頻率下的振幅也不同，因此測得的微懸臂梁振動強度隨頻率的變化關(guān)系，需要消去壓電片自身在相應(yīng)頻率下的振幅(歸一化)，才能真正得到微懸臂梁的頻率響應(yīng)曲線。歸一化過程需要額外的數(shù)據(jù)測量與數(shù)據(jù)處理，勢必造成實驗效率的下降和實驗誤差的增大。另外，通常選用的壓電器件為壓電系數(shù)較大的含鉛陶瓷，具有一定的毒性。

電場力激發(fā)：2006年J.Gaillard等人在Review of Scientific Instruments發(fā)表文章利用電場力成功激發(fā)微懸臂梁振動。主要結(jié)構(gòu)為微懸臂梁和與之平行放置的對電極。通過在微懸臂梁與對電極之間施加具有一定偏壓的交流信號，二者之間的交變電場力便可驅(qū)動微懸臂梁振動。電場力激發(fā)的缺點就是它仍然是一種接觸式激發(fā)方式，需要對電極的配合才能實現(xiàn)激發(fā)，這在一定程度上限制了其應(yīng)用范圍，比如在電化學過程中就難以應(yīng)用。

磁場力激發(fā)：1996年A.N.Cleland等人在Applied Physics Letters發(fā)表文章，令微懸臂梁的兩端固定在兩個固定端上，兩個固定端之間可通過外部信號發(fā)生裝置施加交流電信號。當在與微懸臂梁長度方向垂直的方向上加入磁場后，在安培力的驅(qū)動下，微懸臂梁就以外加交流電信號的頻率，在垂直于磁場和電流構(gòu)成的平面方向上振動。這種激發(fā)方式的缺點在于：(1)只適用于兩端固定的微懸臂梁，對于單端固定的微懸臂梁不適用；(2)要求微懸臂梁必須能夠?qū)щ姡?3)外圍設(shè)備復雜，成本昂貴。

超生波激發(fā)：2010年Thomas M.Huber等人在Applied Physics Letters發(fā)表文章利用超聲波激發(fā)懸臂梁振動。超聲波激發(fā)屬于區(qū)別于傳統(tǒng)接觸式激發(fā)的一種新型非接觸式激發(fā)方式，這種激發(fā)方式不需要將微懸臂梁與任何換能裝置綁定，使微懸臂梁得到“解放”，這增加了傳感器潛在的應(yīng)用領(lǐng)域。由于微懸臂梁周邊沒有任何綁定物，只需將超聲換能器發(fā)出的具有一定頻率的超聲波輻射微懸臂梁，微懸臂梁即可以超聲波的頻率進行振動。但是超聲波激發(fā)也有其不足之處：(1)超聲波難以聚焦，這勢必造成能量利用率下降；(2)超聲波的傳播需要一定的介質(zhì)作為載體，從而不能在真空中傳播，而為了讓微懸臂梁傳感器獲得更高的探測精度，將其置于真空環(huán)境是重要手段之一。

激光激發(fā)：1998年喻浩等人在光學學報發(fā)表文章，利用激光與物體的光熱效應(yīng)成功實現(xiàn)了微懸臂梁的振動。激光激發(fā)是一種新型的遠程非接觸式激發(fā)。由于激光聚焦容易，且可以長距離激發(fā)微懸臂梁振動，相較于其它激發(fā)方式具有一定的優(yōu)勢。但是一般利用斬波器或者外部電路調(diào)制激光脈沖，其頻率覆蓋范圍窄，脈沖激光設(shè)備昂貴、可調(diào)連續(xù)激光器調(diào)制頻率低下、光譜覆蓋范圍窄，為了有效激發(fā)，通常還要鍍一層金屬以利用兩層材料的熱膨脹系數(shù)差產(chǎn)生振動。