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微悬臂梁力学传感器的振动激发研究及在材料学中的应用探索

作　者: 冯兆斌
导　师: 刘铎
学　校: 山东大学
专　业: 材料学
关键词: 微悬臂梁脉冲激发高阶共振激光远程激发 GaN表面束缚电荷
分类号: TP212
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

传感器种类繁多、功能各异,按其工作原理通常可以分为电化学电极传感器、场效应管传感器、压电传感器、光电信号传感器、热信号传感器等。针对淹没在噪音中的微弱信号以及信号的微弱改变,如何设计灵敏度高,重复性好,准确度高的传感装置,成为科学技术发展的一个重要组成部分。近年来,随着半导体工艺的迅速发展以及检测技术的不断进步,使得精确制作微米乃至纳米尺度的微悬臂梁结构成为可能,并对其运动学行为实现了有效的测量。在此基础上,基于微悬臂梁的传感器引起了国际研究人员的广泛关注,并取得了一系列新颖的研究成果,已在国家安全、食品卫生、环境监测、临床医学等诸多领域都取得了广泛的应用。随着技术的不断进步,对微悬臂梁传感器的研究还在向以下领域不断深入：(1)向高阶共振模式方向发展。这方面的典型应用是原子力显微镜的TR扫描模式。(2)向纳米尺度加工。纳米尺寸悬臂梁具有更高的共振频率,从而作为探测器就有更高的分辨率。(3)对微悬臂梁的表面改性。通过表面改性,使得微悬臂梁只对特定物质产生吸附作用,从而达到针对性检测的目的。(4)计算机仿真模拟。计算机辅助设计已是当今诸多科研领域及工程应用领域不可或缺的工具。对于微悬臂梁传感器而言,由于当今的微悬臂梁正在向越来越小的尺度发展,尺寸效应越来越凸现,加上表面修饰和内部结构加工引起的微悬臂梁结构的复杂化,使得经典悬臂梁力学在大多数情况下难以求解甚至不再适用。因此,借助计算机对微悬臂梁进行建模和计算也是当今这一领域的发展趋势之一当前的研究成果已经证实,微悬臂梁传感器可以实现在微米及纳米尺度对微弱信号的高速度和高精度实时检测。然而,长期以来我国在高精度测量技术上落后于发达国家,导致精密检测设备长期依赖进口,阻碍了国家的现代化进程。随着我国向自主创新型国家发展的深入,对具有新科学原理的检测方法和识别技术的研究,已成为我国科技发展的重要趋势和方向。本论文的工作正是在这一大的时代背景下开展,从设备搭建、软件开发、激发方式、应用出口等方面对微悬臂梁传感器进行了系统的研究。本论文共分六章,依次为：第一章绪论；第二章微悬臂梁力学简介;第三章微悬臂梁振动激发和探测系统设备搭建及应用程序开发；第四章微悬臂梁共振激发研究；第五章微悬臂梁传感器应用研究;第六章总结与展望。主要研究内容包括：第一章：从基本构造、力学特点、探测原理、共振激发方法等方面对微悬臂梁进行了综述性介绍,同时介绍了微悬臂梁传感器的当前研究现况以及当前研究中面临的问题。最后,对微悬臂梁传感器的发展趋势进行了总结。第二章：首先介绍了处理微悬臂梁力学的经典理论,包括简化处理微悬臂梁振动的一维谐振子模型和严格处理微悬臂梁振动的“欧拉-伯努利(Euler-Bernoulli)梁”模型。其次介绍了计算机模拟仿真在微悬臂梁传感器研究中的应用,即基于COMSOL Multiphysics有限元模拟仿真软件对微悬臂梁相关问题进行的计算。第三章：详细描述了我们独立设计开发的一整套微悬臂梁传感器软硬件环境。硬件搭建方面实现了以激光测振仪、锁相放大器、信号发生器为主体的共振激发与检测设备的搭建,并可与数字示波器、数据采集卡等配套设备协同工作。软件开发方面实现了基于工业控制中最为广泛使用的开发环境LabVIEW为平台的一套用于微悬臂梁传感器共振激发及振动检测的应用软件。本应用软件完全是独立自主开发,并申请软件著作权一项。第四章：我们在微悬臂梁共振激发方面所做的工作,具体包括：(1)实现了利用低频脉冲信号激发微悬臂梁高频共振,并通过傅利叶谐波分析方法对激发机制进行解释。同时我们对不同脉冲宽度的脉冲信号以及不同波形的信号的激发效果进行了比较,提出了具有最佳激发效果的方案。这一成果发表在Applied Physics Letters上(Appl. Phys. Lett.101,061901(2012).).(2)通过合理的电极设计,实现了微悬臂梁二阶共振的有效激发。高阶共振因其高品质因子和高探测精度而受到关注,成为微悬臂梁传感器的重要研究方向之一。我们通过一个相对容易实现的方案,提出了一个有效激发微悬臂梁二阶共振的方法。这一成果发表在Chinese Physics Letters上(Chin. Phys. Lett.30,100701(2013).)。(3)通过对激光波形的调制实现了基于激光照射的微悬臂梁远程非接触式共振激发。远程激发使得微悬臂梁不必在捆绑到换能装置上,为传感器的小型化和集成化提供了途径。相比于基于超声波的激发,激光激发具有容易聚焦、可以在真空中传播等优点,有利于提高能量利用率以及获得更高的探测精度。第五章：我们在微悬臂梁传感器应用出口方面所做的工作,具体包括：(1)在GaN薄膜上实现了对极性材料表面束缚电荷的测量。测量是基于无针尖探针,利用微悬臂梁整个探针表面进行的,而传统上通过原子力显微镜进行的测量中,存在针尖处有强电场从而影响样品电荷分布的问题。(2)设计了将微悬臂梁用作浮动栅极的场效应管结构。本工作首先设计了一种可以通过有限元方法模拟出传统场效应管的Vds-Ids曲线的方法,在此基础上对我们设计的器件结构进行仿真模拟。模拟结果表明了我们设计的器件结构的可行性,通过模拟也给出了优化器件参数的方案。(3)将微悬臂梁用在辅助研究石英天平在激光照射下的热效应。微悬臂梁与石英天平是当前精度最高的质量传感器,它们有本质上相同的工作原理。基于这一点,我们利用激光照射微悬臂梁时的效应做为辅证,来支持我们研究激光照射石英天平时得到的结论。第六章：对本论文的工作进行了总结,并提出了可进一步研究的方向。本论文的创新之处包括：(1)自主开发了一套用于微悬臂梁传感器共振激发及振动检测的应用软件；(2)提出了利用低频信号激发高频共振的方案,为解决超高共振频率的微悬臂梁的共振激发问题提供了方法；(3)在高阶共振激发、远程非接触式激发等新型激发领域提出了自己的见解；(4)在材料表面束缚电荷测量实验中,提出了利用微悬臂梁进行“面检测”的概念,解决了传统的“点检测”中存在的部分问题；(5)将微悬臂梁与传统器件场效应管相结合,提出了新的器件结构。综上所述,本论文立足于纳米科技领域中的基础测量问题,针对微悬臂梁传感器的科学特征和技术难点,在综合考虑系统中力学,电学,化学,机械控制等要素的基础上,对相关科学和技术问题进行深入探索和分析,具有较重要的科学研究和应用价值。

全文目录

目录  4-8
CONTENTS  8-12
摘要  12-15
ABSTRACT  15-19
第一章绪论  19-38
  1.1 微悬臂梁传感器概述  19-22
  1.2 微悬臂梁共振激发方式  22-26
    1.2.1 压电式激发  22-23
    1.2.2 电场力激发  23-24
    1.2.3 磁场力激发  24-25
    1.2.4 超声波激发  25-26
  1.3 微悬臂梁传感器研究现状  26-28
    1.3.1 当前研究成果概述  26-27
    1.3.2 当前研究中的不足  27-28
  1.4 微悬臂梁传感器发展趋势  28-32
    1.4.1 利用高阶共振进行探测  28
    1.4.2 利用纳米尺度微悬臂梁进行探测  28-30
    1.4.3 新型激发方式  30
    1.4.4 新型微悬臂梁结构  30-31
    1.4.5 微悬臂梁表面修饰及内部结构加工  31-32
  1.5 本论文研究目的  32-34
  参考文献  34-38
第二章微悬臂梁力学简介  38-49
  2.1 引言  38
  2.2 一维谐振子近似下的微悬臂梁运动方程  38-42
    2.2.1 无驱动力阻尼振动  38-40
    2.2.2 有驱动力阻尼振动  40-41
    2.2.3 微悬臂梁品质因子  41-42
  2.3 处理微悬臂梁问题的严格理论——Euler-Bernoulli梁模型  42-44
    2.3.1 经典力学对Euler-Bernoulli梁的描述  42-44
    2.3.2 小尺度下Euler-Bernoulli梁的尺寸效应及理论修正  44
  2.4 微悬臂梁的有限元仿真模拟  44-47
    2.4.1 有限元方法概述  44-45
    2.4.2 有限元模拟软件COMSOL Multiphysics简介  45
    2.4.3 基于软件仿真的微悬臂梁振动分析  45-47
  2.5 本章小结  47-48
  参考文献  48-49
第三章设备搭建及应用程序开发  49-65
  3.1 引言  49-51
  3.2 系统主要设备及其功能  51-55
    3.2.1 激光测振仪  51-52
    3.2.2 锁相放大器  52-53
    3.2.3 数据采集卡  53-54
    3.2.4 其它辅助设备及不同设备的功能比较  54-55
  3.3 基于LabVIEW开发的微悬臂梁测控主程序  55-62
    3.3.1 LabVIEW简介  55-58
    3.3.2 主程序功能介绍  58-61
    3.3.3 微悬臂梁频率响应测试功能  61-62
  3.4 本章小结  62-64
  参考文献  64-65
第四章微悬臂梁共振激发研究  65-92
  4.1 引言  65-66
  4.2 脉冲激发  66-73
    4.2.1 激发特点  66
    4.2.2 脉冲激发的实验设计  66-71
    4.2.3 傅利叶分析方法对实验结果的解释  71-72
    4.2.4 不同波形激发效果比较  72-73
    4.2.5 实验总结  73
  4.3 二阶共振激发  73-80
    4.3.1 高阶振动的优点  73-74
    4.3.2 二阶共振激发的实验设计  74-77
    4.3.3 实验结果及分析  77-79
    4.3.4 激发方法对频率响应曲线的调制  79-80
    4.3.5 实验总结  80
  4.4 激光远程激发  80-87
    4.4.1 远程激发的优点  80-81
    4.4.2 激光远程激发实验设计  81-84
    4.4.3 激光与微悬臂梁相互作用分析  84-87
    4.4.4 实验总结  87
  4.5 本章小结  87-89
  参考文献  89-92
第五章微悬臂梁传感器应用研究  92-127
  5.1 引言  92-94
  5.2 基于微悬臂梁的GaN晶体表面束缚电荷测量  94-103
    5.2.1 GaN晶体的表面带电现象  94-96
    5.2.2 GaN表面电荷检测实验设计  96
    5.2.3 GaN表面电荷检测理论分析  96-99
    5.2.4 实验结果及讨论  99-102
    5.2.5 实验总结  102-103
  5.3 基于微悬臂梁和场效应管的加速度传感器有限元分析  103-114
    5.3.1 传感器结构设计及检测原理  103-106
    5.3.2 场效应管的有限元模拟  106-108
    5.3.3 微悬臂梁用做场效应管浮动栅极的加速度传感器有限元模拟  108-111
    5.3.4 通过有限元方法分析不同参数对传感器性能的影响  111-114
    5.3.5 实验总结  114
  5.4 微悬臂梁辅助研究石英天平的激光热效应  114-124
    5.4.1 研究背景  114-115
    5.4.2 激光照射引起的石英晶体压电共振频率偏移  115-121
    5.4.3 微悬臂梁对石英天平结论的支持  121-124
    5.4.4 实验总结  124
  5.5 本章小结  124-125
  参考文献  125-127
第六章总结与展望  127-133
  主要结论  127-128
  论文创新点  128-129
  需要进一步研究的课题  129-133
致谢  133-134
攻读博士期间已发表的论文  134-143
学位论文评阅及答辩情况表  143

微悬臂梁力学传感器的振动激发研究及在材料学中的应用探索

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