液体中基于动态微悬臂梁的质量检测技术

当利用微悬臂梁动态模式的基频谐振在液体环境检测微弱被测量时,液体中的流体动力阻尼导致检测灵敏度降低。针对此问题,提出了利用微悬臂梁的高次谐振进行质量检测的方法。对于相同的被测量质量变化,微悬臂梁的谐振次数越高,其频率偏移越大,从而达到比基频检测法更高的分辨力。以表面修饰三乙基氢硫基十二基铵层(敏感层)的微悬臂梁为传感元件,以CrO42-为被测物,在原子力显微镜上检测了敏感层吸附CrO42-前后,微悬臂梁的5~8次谐波频率的变化情况。结果显示,该质量检测法能检测出约0.82 ng的质量增量。     

微悬臂梁谐振技术检测溶液粘度的研究

提出了一种测量溶液粘度的微悬臂梁谐振技术。推导了溶液粘度与微悬臂梁的谐振频率的理论关系式，并利用原子力显微镜的微悬臂梁测量了不同质量分数的甘油溶液和蔗糖溶液的粘度。与落球法测量结果的比较表明，利用微悬臂梁谐振频率技术测量液体粘度的误差小于4％。这种方法不仅可以作为液体粘度的一般性测量方法，也可以通过检测溶液粘度变化来监测溶液中的化学反应。     

SiO2微悬臂梁制备及其高阶谐振的传感器研究

为了提高SiO₂微悬臂梁动态检测灵敏度,对T 型SiO₂微悬臂梁的制备和高阶谐振模态传感器进行 了研究。以绝缘体上Si(SOI)为起始材料制备了不同长度T型SiO₂微悬臂梁,利用原子 力显微镜(AFM)中精密的光学 位置敏感检测器及数据处理系统对其频率进行表征,获得了与仿真结果相一致的数据。基于 高阶谐振模态 的免疫反应结果表明,对于相同的质量变化量,微悬臂梁的弯曲振动模式阶数越高,其频率 偏移越大,从 而达到较高的灵敏度;实验制备的SiO₂微悬臂梁前三阶弯曲振动模式的检测灵敏度分别 为1.36、9.78和26.92Hz/pg,利用二阶弯曲 振动模式可检测出21.5 pg的分子吸附。     

高阶谐振模态的超高质量分辨硅微悬臂梁压阻传感器

开发了一种在空气中具有几十飞克质量分辨率的谐振式微机械悬臂梁生化质量检测传感器.在悬臂梁上面实现了使用惠斯通压阻电桥检测和洛伦兹力线圈驱动集成结构.与通常的一阶模态谐振传感器不同,为了显著提高传感器特异性反应吸附质量以实现分子水平的检测分辨率,提出了一种二阶弯曲谐振模态优化驱动的方法.在悬臂梁上集成了一种回形针状的驱动电流回路,实现了与第二模态悬臂梁运动两个相反运动峰值相吻合的两处同时反方向驱动.研究中采用硅微机械技术实现了集成谐振悬臂梁的制作,并研制出了高性能的谐振传感器闭环接口电路.在空气中进行谐振实验,与传统一阶模态传感器相比,采用该优化驱动的二阶模态,谐振品质因数从195提高到857,谐振频率从49.156提高到298.132kHz,采用Allen方差的方法对谐振频率噪声进行分析,表明该优化驱动的二阶模态传感器将传统的一阶模态传感器质量分辨率从0.17改善到0.029pg,达到了4个痘病毒的质量分辨水平.     

高阶谐振模态的超高质量分辨硅微悬臂梁压阻传感器

开发了一种在空气中具有几十飞克质量分辨率的谐振式微机械悬臂梁生化质量检测传感器.在悬臂梁上面实现了使用惠斯通压阻电桥检测和洛伦兹力线圈驱动集成结构.与通常的一阶模态谐振传感器不同,为了显著提高传感器特异性反应吸附质量以实现分子水平的检测分辨率,提出了一种二阶弯曲谐振模态优化驱动的方法.在悬臂梁上集成了一种回形针状的驱动电流回路,实现了与第二模态悬臂梁运动两个相反运动峰值相吻合的两处同时反方向驱动.研究中采用硅微机械技术实现了集成谐振悬臂梁的制作,并研制出了高性能的谐振传感器闭环接口电路.在空气中进行谐振实验,与传统一阶模态传感器相比,采用该优化驱动的二阶模态,谐振品质因数从195提高到857,谐振频率从49.156提高到298.132kHz,采用Allen方差的方法对谐振频率噪声进行分析,表明该优化驱动的二阶模态传感器将传统的一阶模态传感器质量分辨率从0.17改善到0.029pg,达到了4个痘病毒的质量分辨水平.     

压电谐振式微悬臂梁气体传感器

介绍了压电谐振式微悬臂梁的设计、制作方法和作为质量传感器的工作原理,及其在空气质量检测上的应用。实验结果验证了设计方法正确,制作工艺可行。在特定敏感层的作用下,该传感器对氟利昂气体在500×10~(-6)范围内的响应呈指数衰减,在100×10~(-6)范围内呈线性响应,灵敏度达-0.002 4％×10~6,最小可测质量为3.5×10~(-9)g。     

压电微悬臂梁共振频率的检测系统

介绍了一种压电微悬臂梁共振频率检测系统.压电材料沉积在微悬臂梁上,在压电层的上下电极之间施加交变电压使其振动,当微悬臂梁的振动频率等于它的固有频率时,发生共振,此时微悬臂梁的振幅最大.结合所设计的激励电路以及微悬臂梁共振频率检测电路,对压电微悬臂梁进行了检测实验.实验结果表明,放大电路能够检测出压电微臂梁的共振频率,并且压电微悬臂梁达到共振时,共振频率附近振幅远大于其他频率对应的振幅,振幅最大值接近600 nm.     

电极层对压电微悬臂梁动态性能的影响

采用解析方法就电极层对压电微悬臂梁动态性能的影响进行了研究,并得出结论:当弹性层、压电层与电极层的厚度比值较大时,可忽略电极层对压电悬臂梁横向位移及谐振频率的影响。当各层的厚度都在微纳米量级时,电极层的影响不容忽视;同时,微纳尺度下该解析方法的适用性还有待进一步研究。这些对微纳尺度下压电悬臂梁的设计及应用都有一定的指导作用。     

一种具有“8悬臂梁-质量块”结构的新型硅微加速度计

提出了一种具有"8悬臂梁-质量块"结构的新型三明治式硅微机械电容式加速度计,用微机械加工工艺在(111)硅片上制作出了具有信号输出的器件.该加速度计的惯性质量块由同一(111)硅片上下表面对称分布的8根悬臂梁支撑.这些悬臂梁是利用(111)硅在KOH溶液中的各向异性腐蚀特性结合深反应离子刻蚀(DRIE)实现的,其尺度精确可控,保证了结构的对称性.该加速度计的谐振频率为2.08kHz,品质因子Q为21.4,灵敏度为93.7mV/g.     

一种具有"8悬臂梁-质量块"结构的新型硅微加速度计

提出了一种具有"8悬臂梁-质量块"结构的新型三明治式硅微机械电容式加速度计,用微机械加工工艺在(111)硅片上制作出了具有信号输出的器件.该加速度计的惯性质量块由同一(111)硅片上下表面对称分布的8根悬臂梁支撑.这些悬臂梁是利用(111)硅在KOH溶液中的各向异性腐蚀特性结合深反应离子刻蚀(DRIE)实现的,其尺度精确可控,保证了结构的对称性.该加速度计的谐振频率为2.08kHz,品质因子Q为21.4,灵敏度为93.7mV/g.     

压电微悬臂梁微弱压电信号检测

压电微悬臂梁是一种利用压电元件的逆压电效应驱动微悬臂梁使其振动，并利用压电元件的压电效应来检测梁的变形量的集成微驱动器和微传感器。文中讨论了压电微悬臂梁中的压电元件的两种等效电路模型，并且提出了检测微压电信号的检测系统以及两种前放电路。在检测微悬臂梁频率响应特性的实验中得到了较好的结果。     

微悬臂梁传感系统在CNT微热量检测中的应用

针对碳纳米管(CNT)微热量检测不易的问题,采用了一种基于微悬臂梁传感器的CNT微热量检测系统进行检测.通过光杠杆检测法测量微悬臂梁弯曲量,从而实现微悬臂梁对CNT的微热量检测,研究了CNT光热转换散发热量对微悬臂梁挠度的影响.用最小二乘法拟合出CNT薄膜温度变化与相应微悬臂梁偏移量关系.结果 显示,温度变化与微悬臂梁...     

Design and fabrication of in-plane resonant microcantilevers

An in-plane resonant bimetal microcantilever based on thermal actuation mechanism was developed utilizing the photolithography technique. The microcantilever structure consists of a platform, a long narrow anchor, and a U-shape actuation loop. Niobium and gold are used as materials for fabrication of the microcantilever. In the cantilever design the shortcoming of low actuation frequency was overcome by separating the thermal actuator part and the microcantilever part. According to the dynamic property tests, the in-plane resonant frequency of our microcantilevers is one order of magnitude higher than the out-of-plane one. With further optimizing the design, our microcantilevers may have applications as actuators and biosensors.     

Toward Ultrasmall Mass Detection Using Adaptive Self-Sensing Piezoelectrically Driven Microcantilevers

Over the past decade, microcantilever-based mass sensing has grown to become a significant field of research in the engineering community. The ability of microcantilevers to detect extremely small biochemical particles is being investigated for a number of industrial applications. This paper presents an adaptive self-sensing strategy for ultrasmall tip mass estimation using piezoelectrically actuated microcantilevers. A piezoelectric patch actuator deposited on the cantilever surface actuates the beam through a capacitance bridge mechanism. The same patch is used to measure shifts in the beam natural frequency associated with increase in the mass, which is due to the addition of biochemical particles. The ability to measure frequency shifts due to tip masses as small as 1 fg (10^-15 g) is demonstrated through extensive numerical simulations. Uncertainty in the measurement of system parameters makes implementation of the self-sensing bridge network difficult at the microscale. The piezoelectric capacitance is also known to vary with temperature. To overcome these difficulties, a novel adaptive mechanism is presented to dynamically balance the capacitance bridge network. Lyapunov-based stability analysis demonstrates the global stability of the adaptation laws. Simulation results demonstrate the feasibility of this mechanism to perform self-sensing at the microscale. Experimental validation of the adaptation mechanism at the microscale involves a number of technical challenges, and hence, is performed on a macroscale cantilever system. This paper aims to motivate research in the development of a powerful, yet portable frequency shift detection-based microcantilever sensor for use in a variety of biochemical applications, where ultrasmall mass detection is a key requirement.     

振梁式负压传感器

对负压力的测量可采用各种真空计或者负压传感器，但其输出量大多为非电量或模拟式电量，本文制作了一种电热激励的微悬臂梁谐振式负压传感器，它利用随微悬臂梁振动的气体分子等效于增加微梁惯性质量的原理测量气压或气体密度，利用Navier-Stokes方程和连续性方程计算作用在微悬臂梁上的惯性阻力，进而计算出谐振器谐振频率与气压的关系，分析表明，增大梁的宽度，减小梁的厚度和长度可提高传感器的灵敏度。     

A simple prediction method for composite rectangular microcantilevers with equal width and the dimensional optimization

Resonant frequency is a key parameter in designing a resonant transducer with high sensitivity. Eigen-frequency calculation of a composite-layer microcantilever is quite useful for the design of a microcantilever resonant sensor. However, simple methods for predicting the resonant frequency of composite rectangular microcantilevers are poorly developed and invite further research. This paper presents a simple and accurate analytical method called “equivalent model method” to predict the fundamental resonant frequency of composite rectangular microcantilevers with equal width (CRMEW). This novel method, which is much more convenient for practical applications, is then confirmed by both experimental results and simulation results, and presents a strong potential to be used in the design and optimization of micromachined transducers.     

微悬臂梁在化学及生物传感器中的应用进展

微悬臂梁结构传感器以其低成本、小体积、高性能在当今传感器研完中愈来愈受到重视。文章概述了以微悬臂梁为主要结构的传感器在化学及生物探测中的应用进展，介绍了几种可能用于化学和生物探测的高性能微悬臂梁传感器。     

A Model-Based Processor Design for Smart Microsensor Arrays [Applications Corner]

In this article, we discuss the design of a smart-physics-based processor for microcantilever sensor arrays. The processor is coupled to a microelectromechanical sensor and estimates the presence of critical materials or chemicals in solution. We first briefly present microcantilever sensors and then discuss the microcantilever sensor array design, which consists of the cantilever physics propagation model, cantilever array measurement model, model-based parameter estimator design, and model-based processor (MBP) design. Finally, we end with experimental results and conclusions