[發明專利]基于模態局部化效應的大量程室溫單電子分辨率靜電計

有效

• 申請號: 201810024688.5
• 申請日: 2018-01-11
• 公開（公告）號: CN108344900B
• 公開（公告）日: 2020-11-06
• 發明（設計）人: 常洪龍;康昊;鐘紀明;楊晶
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G01R29/12
• 分類號: G01R29/12;G01R29/24
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 呂湘連

本發明公開了一種基于模態局部化效應的大量程室溫單電子分辨率靜電計，屬于微傳感器技術領域。它基于多自由度弱耦合諧振器的模態局部化效應，通過檢測兩側弱耦合諧振器的振幅比變化來檢測輸入電荷量。其包括諧振器Ⅰ201、諧振器Ⅲ203，諧振器Ⅰ201通過彈簧Ⅱ204與固定錨點連接；諧振器Ⅲ203通過彈簧Ⅲ207與固定錨點連接。其特征在于，還包括諧振器Ⅱ202，所述諧振器Ⅰ201與諧振器Ⅱ202通過耦合梁Ⅰ205連接，所述諧振器Ⅱ202與諧振器Ⅲ203通過耦合梁Ⅱ206連接，諧振器Ⅱ202通過彈簧Ⅱ208與固定錨點連接。本發明d的靜電計不僅能夠在室溫下進行工作，而且具有數百萬個電子的動態測量范圍，能夠同時實現室溫條件下工作，大動態測量范圍以及單電子分辨率的測量水平。

所屬領域：

本發明涉及一種基于模態局部化效應的大量程室溫單電子分辨率靜電計，屬于微傳感器技術領域。

背景技術：

靜電計是一種能夠測量電荷量或微弱電勢差的電子儀器，其歷史最早可追溯到1748年法國諾雷發明的金箔驗電器。該儀器主要作用是測定物體所帶電荷量的有無，尚無法準確測量電荷量的多少。而隨后出現了布勞恩靜電計、開爾文靜電計等傳統的機械式靜電計，分辨率最高能達到pC量級，但是已難以滿足當今生產與科研中的應用需求，而且它們體積龐大，進一步限制了其應用場合。

在現代靜電計的設計研究中，微型靜電計的研制占據了主導地位。目前已報道的且被公認為分辨率最高的微型靜電計是基于超低溫環境下超導型金屬隧穿結處的庫倫阻塞效應所制成的納米單電子分辨率晶體管靜電計。目前單電子分辨率晶體管靜電計的分辨率可達到4×10^-6e/√Hz。但由于該單電子晶體管需要依托于實驗室中創造的極低溫環境(低于0.3K)進行工作。因此，雖然其具有檢測單個電子的能力，卻難以真正地作為“靜電計”在實際運用中得以使用。欲真正地使靜電計能夠獲得廣泛的應用，則必須要使其同時具備大動態測量范圍、高分辨率以及在室溫條件下工作的能力等三個條件。而針對室溫條件下工作的高分辨率微型靜電計，2013年，G.A.Steele等人利用場效應管成功研制了室溫下分辨率最高的靜電計，其分辨率為：2ⅹ10^-4e/√Hz。但是這種納米場效應管靜電計有著一個十分明顯的缺點，即動態測量范圍僅能夠達到數個電子，因此該類場效應管靜電計作為一種測量儀器仍然有著顯著的缺陷。

2008年，J.Lee等人在“An Axial Strain Modulated Double Ended Tuning ForkElectrometer”一文中提出了一種微機械諧振式靜電計。該諧振式靜電計包括一個可加載電荷的門電極、一個單自由度諧振器；當有外部電荷輸入時，門電極和諧振器之間由于靜電吸引作用會在諧振器的彈性梁上產生軸向應力，該軸向應力會改變諧振梁的剛度，從而改變諧振器的諧振頻率，通過檢測諧振頻率的變化量就可以得到此時加載在門電極上的電荷量。這種靜電計可在室溫下工作，且動態測量范圍大，達到100萬個電子。但是這種靜電計靈敏度低，且分辨率僅為25000e/√Hz。之后，為提高微機械諧振式靜電計的靈敏度與分辨率，A.A.Seshia等人在2010年A.A.Seshia等人在“Ultrasensitive Mode-LocalizedMicromechanical Electrometer”一文中首次將模態局部化效應應用于微機械諧振式靜電計中，取得了相比于傳統諧振式靜電計更高的靈敏度。2016年，張和民等人在“A High-Sensitive Resonant Electrometer Based on Mode Localization of the WeaklyCoupled Resonators”一文中，通過優化弱耦合諧振器的結構、增加調節電極等方法設計出一款基于模態局部化效應的超高靈敏度靜電計，其靈敏度比先前Seshia等人研制的基于模態局部化效應的靜電計高200多倍，分辨率為8000e/√Hz，動態測量范圍為100萬電子。這兩種基于模態局部化效應的靜電計都可以等效地看作是一個如圖1所示的具有兩個諧振器的全對稱雙自由度諧振系統。在該雙自由度諧振系統中，當其中一個諧振器的物理性質(剛度或質量)受到微弱干擾時，兩個諧振器的振幅比會發生明顯變化，且振幅比變化率遠大于諧振頻率變化率。