高靈敏度的質(zhì)敏傳感器對于公共安全至關(guān)重要,例如在機(jī)場、車站、地鐵站以及人流密集的區(qū)域,能夠及時檢測到微量有毒有害氣體的泄露將大大地減小經(jīng)濟(jì)損失并保障公眾的人身安全。但傳統(tǒng)的氣體傳感器存在著靈敏度低、效率低、體積大以及成本高等限制,無法大規(guī)模應(yīng)用于上述場景。因此,需要找到新的敏感機(jī)理,以實現(xiàn)對多種物質(zhì)高靈敏度的識別。其中,模態(tài)局部化現(xiàn)象由諾獎得主安德森先生提出,被證明可以有效提高感測靈敏度達(dá)幾個數(shù)量級之多,為解決上述問題提供了思路。本文提出了三種基于模態(tài)局部化現(xiàn)象并利用耦合梁陣列結(jié)構(gòu)實現(xiàn)多物質(zhì)識別的方法,探討了基于模態(tài)局部化原理進(jìn)行多種質(zhì)量擾動感測的機(jī)理,并分析了三自由度系統(tǒng)的振動特性,以找到最優(yōu)的局部化表征方式實現(xiàn)高靈敏度寬線性范圍的質(zhì)量檢測,具體的研究內(nèi)容包括:建立了多自由度弱耦合梁陣列的等效物理模型,并分析了無質(zhì)量擾動情況下特征值與特征向量的一般形式,發(fā)現(xiàn)特征值存在最大值而一階特征向量均為同相振動狀態(tài),并基于一階攝動法求解了三自由度系統(tǒng)中存在兩種質(zhì)量擾動時特征值與特征向量的表達(dá)式,以及將制造誤差等效為剛度擾動,推導(dǎo)了誤差與諧振頻率之間的函數(shù)關(guān)系。研究了特征值靈敏度與自由度數(shù)的關(guān)系,... 

【文章來源】：吉林大學(xué)吉林省211工程院校985工程院校教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：92 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

(a)典型的原子力顯微鏡(AFM)；(b)用于重量分析氣相色譜的氮化硅納米懸臂梁；(c)制造的硅納米橋形結(jié)構(gòu)

方法相比，這種方法的感測靈敏度可以高出幾個數(shù)量級之多；2.基于這種機(jī)制的傳感器可以實現(xiàn)共模抑制，從而避免基于頻移量檢測帶來的假陽性讀數(shù)的影響；3.這種傳感器對于氣壓以及溫度的變化不敏感，測量的結(jié)果更準(zhǔn)確。關(guān)于模態(tài)局部化傳感器的相關(guān)研究從耦合方式這一維度分類，主要分為靜電耦合和機(jī)械耦合。靜電耦合的優(yōu)點在于耦合強(qiáng)度的調(diào)節(jié)相比于機(jī)械耦合更容易，但靜定耦合結(jié)構(gòu)的制造工藝較為復(fù)雜。代表性的研究例如劍橋大學(xué)的P.Thiruvenkatanathan，他們團(tuán)隊設(shè)計了靜電耦合的音叉陣列[64]，實現(xiàn)了對剛度擾動的檢測，如圖1.2(a)所示。來自南安普頓大學(xué)的zhao等人采用了類似的靜電耦合結(jié)構(gòu)[65]，如圖1.2(b)所示，他們在劍橋團(tuán)隊的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展，提出了一種基于振幅比的靈敏度表征方式，對于剛度擾動的靈敏度進(jìn)一步提高。圖1.2(a)雙端固定耦合音叉陣列光學(xué)顯微圖像；(b)三自由度靜電耦合電鏡圖。機(jī)械耦合的方式又分為直接機(jī)械耦合和間接機(jī)械耦合,如圖1.3所示。直接機(jī)械耦合例如Spletzer[66]團(tuán)隊提出的每個諧振單元僅與相鄰單元耦合的結(jié)構(gòu)，并利用2根直接機(jī)械耦合懸臂梁陣列，檢測了一種質(zhì)量擾動，檢測的靈敏度與基于頻移信號相比高了3到4個數(shù)量級。間接機(jī)械耦合例如DeMartini團(tuán)隊[67,68]利用4個從屬振蕩器通過附屬于一個主振蕩器實現(xiàn)了間接機(jī)械耦合，并實現(xiàn)了兩種物質(zhì)的檢測，通過測量主振蕩器的頻移量反求從屬振蕩器上附著質(zhì)量的變化。DeMartini的方法前提是要求每個從屬諧振器需要差異化并且具有足夠高的品質(zhì)因子（在準(zhǔn)真空環(huán)境下檢測）。換言之，DeMartini方法必須確保傳感器具有完全局部化的系統(tǒng)模態(tài)。Glean[69]也采用了類似的物理模型并綜合利用局部化的模態(tài)振型以及頻率進(jìn)行多種物質(zhì)的感測。

吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文6圖1.3(a)直接機(jī)械耦合的兩根懸臂梁陣列；(b)間接機(jī)械耦合的4根懸臂梁陣列。1.2.3微納制造過程中的加工誤差根據(jù)現(xiàn)有的微納制造技術(shù)，加工誤差是不可避免的，而加工誤差的存在將影響產(chǎn)品的特性和表現(xiàn)[70]，Adams等人揭示，即使相同尺寸的微機(jī)械諧振子在同一個模具上加工，其諧振頻率依然與設(shè)定的頻率有偏差[71]。關(guān)于微納制造過程中制造誤差的研究有很多。大部分研究集中在設(shè)計階段降低MEMS器件的性能變化[70,72,73]，其他研究則關(guān)注于如何估計MEMS器件的性能變化和提出量化制造誤差的方法[75]-[78]。針對在設(shè)計層面降低制造誤差帶來的影響，Mawardi和Pitchumani[70]研究了一種基于結(jié)構(gòu)尺寸和材料特性變化量兩種參數(shù)的分析模型，用以分析諧振頻率的變化。Dewey等人[72]提出了一種穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，可最大程度地減少參數(shù)變化量對靜電梳狀驅(qū)動微諧振器整體性能的影響。Codreanu等人[73]應(yīng)用ANSYS軟件進(jìn)行了確定性建模和蒙特卡洛仿真，以便研究設(shè)計參數(shù)變化對微梳諧振器性能的影響。針對估計并量化制造誤差的方法，Schenato等人[75]提出了多種估算應(yīng)用于低頻檢測環(huán)境的MEMS平面懸垂結(jié)構(gòu)性能變化的方法，應(yīng)用了蒙特卡洛模擬、魯棒優(yōu)化和半定規(guī)劃估算（SDP）等數(shù)學(xué)方法。Wittwer等人[76]通過將結(jié)構(gòu)的材料特性和尺寸參數(shù)視為隨機(jī)變量，在制造前分析并預(yù)測了懸臂梁的性能，研究得出結(jié)論，材料性能和尺寸參數(shù)的變化帶來的測量不確定性對于大撓度形變懸臂梁的性能影響很大。Li等人[77]研究和討論了各種深反應(yīng)離子刻蝕制造過程中的制造誤差原因，并從靜電力，機(jī)械剛度，穩(wěn)定性和位移四個角度分析了制造誤差對于側(cè)向梳齒驅(qū)動執(zhí)行器性能的影響。Hong等人[78]將諧振器設(shè)計成一種具有自調(diào)諧功能的微型陀螺儀，并驗證了其可行性，他們發(fā)現(xiàn)制?

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]高階諧振模態(tài)的超高質(zhì)量分辨硅微懸臂梁壓阻傳感器[J]. 劉劍,李昕欣,金大重,劉民,王躍林,左國民,余海濤,包菡涵.  半導(dǎo)體學(xué)報. 2006(08)

博士論文
[1]復(fù)雜耦合失諧葉片—輪盤系統(tǒng)振動局部化問題研究[D]. 王紅建.西北工業(yè)大學(xué) 2006

碩士論文
[1]基于模態(tài)局部化的耦合懸臂梁質(zhì)敏機(jī)理研究[D]. 李曉東.吉林大學(xué) 2018



本文編號：3619713