[發明專利]一種隔振構型的單分子電學測量裝置的設計方法

在審

• 申請號: 201711017869.7
• 申請日: 2017-10-26
• 公開（公告）號: CN107817384A
• 公開（公告）日: 2018-03-20
• 發明（設計）人: 洪文晶;郭維;師佳;楊揚;劉俊揚;鄭玨婷;陳招斌
• 申請（專利權）人: 廈門大學
• 主分類號: G01R27/00
• 分類號: G01R27/00;G01N27/00
• 代理公司: 廈門市首創君合專利事務所有限公司35204
• 代理人: 張松亭,張迪

技術領域

本發明涉及單分子電子學，尤其涉及到單分子電子測量裝置領域。

背景技術

單分子電學是在單分子(納米)尺度下研究單個或少數原子、分子、超分子和原子團簇電學性質的科學，主要的目的是發現和揭示單分子尺度下這些物質的基本電學性質，最終目標是以這些研究對象組裝成具有邏輯功能的電路乃至分子計算機。而單分子電學測量裝置是現代單分子電學研究中使用并以實現單分子原位電學性質測量為目標的一類精密儀器，典型的如機械可控裂結(MCBJ)裝置、掃描隧道顯微鏡(STM)、原子力學顯微鏡(AFM)等。由于是在納米尺度下對單分子的電學性質進行的精確測量，裝置的測量精度及穩定性極易受到外界振動、電磁、氣流以及噪音等環境因素干擾，因此如何減少外界的干擾信號是所有設計高精密單分子電學測量裝置過程中必須面對的挑戰。

在單分子測量裝置的所有干擾源中，環境中的機械振動是影響單分子電學測量精度的主要干擾源之一。形成機械振動的主要因素包括不可避免的環境振動，如大地振動、氣流變化以及設計不合理的機電結構共振等。當宏觀尺度的機械振動通過裝置或直接傳遞到單分子電學測量裝置的精密電極對時，就可能對納米尺度下單分子電學測量過程帶來災難性的影響，因此如何隔絕環境的機械振動以及盡量避免和減少測量裝置自身形成的振動，是所有高精密單分子測量裝置設計過程中需要重點考慮的問題。

目前，國際上用于隔絕和減少單分子測量裝置機械振動的常用元件包括彈簧元件、阻尼元件和質量元件。彈簧元件的主要作用是存儲外界傳遞過來的能量，通過將環境振動所攜帶的動能轉化為彈性勢能來隔絕振動對儀器測量的影響。阻尼元件的主要作用是消耗外界傳遞過來的能量，通過與彈簧元件的配合使用，能夠有效抵消和減少振動的傳遞，從而避免對儀器的影響。質量元件最重要的一個作用是可以調節測量儀器的本征振動頻率，從而可以避免裝置與環境以及自身形成共振。利用這三種元件設計高穩定性的懸掛系統對機械振動進行隔絕，是目前國際上單分子測量裝置設計中主要采用的隔振技術。由于不同的單分子測量裝置具有不同的機械結構和隔振需求，因此如何在實際測量裝置固有結構的基礎上，利用上述三種元件設計出結構合理、隔振性能最佳的懸掛系統是單分子測量裝置設計中不可缺少的一項重要任務。針對該項任務，本發明建立了一種基于計算機仿真技術的懸掛隔振系統快速設計方法，應用該方法，能夠在單分子電學測量裝置已有結構的基礎上，實現低價位、高性能定制化隔振系統的快速設計和優化，縮短裝置研發時間。

發明內容

本發明所要解決的主要技術問題是提供一種隔振構型的單分子電學測量裝置的設計方法，降低了設計的復雜度，同時也極大縮短了設計周期。

為了解決上述的技術問題，本發明提供了一種隔振構型的單分子電學測量裝置的設計方法，包括以下步驟：

1)在計算機中設計幾何模型；

該幾何模型包括屏蔽箱、彈簧、懸掛板、單分子電學測量裝置；所述彈簧設置于屏蔽箱的上頂面內壁與懸掛板的上表面的四個頂角之間，使得懸掛板與屏蔽箱的上頂面平行并位于屏蔽箱內部；所述單分子電學測量裝置放置于懸掛板的上表面；

2)添加材料；

對幾何模型填充材料，材料為不銹鋼；

3)劃分網格；

對于幾何模型進行網格劃分，并且彈簧以及單分子電學測量裝置與懸掛板的接觸部分的網格密度大于其它位置的網格密度；

4)設置物理場、邊界條件、參數；

①選擇COMSOL固體力學中的多體動力學模塊；

②選擇數學模型：其中為漢密爾頓算子：

其中

F是變形梯度，S是應力張量，f是體積力，ρ是材料密度，u是振動位移；

③選用Fixed joint關節將屏蔽箱、彈簧、懸掛鋼板和機械可控裂結裝置連接起來，并給整個幾何模型添加一個重力場；

④選擇屏蔽箱的下底面作為邊界，并設定邊界的振動條件；

⑤在COMSOL中，添加spring-damper選項，設定不同的彈性系數、阻尼系數；添加mass and moment of inertia選項，設置不同的質量；

5)選擇Time study求解器進行計算，得到屏蔽箱底部、機械可控裂結裝置在不同的外界振動頻率、方向下發生的振動速度對比關系；

6)進行實際實驗驗證計算機模擬結果的正確性。

在一較佳實施例中：所述單分子電學測量裝置為機械可控裂結裝置，具體包括底座、液池、芯片、壓電陶瓷、步進電機；