模态局部化质敏传感器实现多物质识别的机理研究
发布时间：2022-02-10 23:19
高灵敏度的质敏传感器对于公共安全至关重要,例如在机场、车站、地铁站以及人流密集的区域,能够及时检测到微量有毒有害气体的泄露将大大地减小经济损失并保障公众的人身安全。但传统的气体传感器存在着灵敏度低、效率低、体积大以及成本高等限制,无法大规模应用于上述场景。因此,需要找到新的敏感机理,以实现对多种物质高灵敏度的识别。其中,模态局部化现象由诺奖得主安德森先生提出,被证明可以有效提高感测灵敏度达几个数量级之多,为解决上述问题提供了思路。本文提出了三种基于模态局部化现象并利用耦合梁阵列结构实现多物质识别的方法,探讨了基于模态局部化原理进行多种质量扰动感测的机理,并分析了三自由度系统的振动特性,以找到最优的局部化表征方式实现高灵敏度宽线性范围的质量检测,具体的研究内容包括:建立了多自由度弱耦合梁阵列的等效物理模型,并分析了无质量扰动情况下特征值与特征向量的一般形式,发现特征值存在最大值而一阶特征向量均为同相振动状态,并基于一阶摄动法求解了三自由度系统中存在两种质量扰动时特征值与特征向量的表达式,以及将制造误差等效为刚度扰动,推导了误差与谐振频率之间的函数关系。研究了特征值灵敏度与自由度数的关系,...
【文章来源】：吉林大学吉林省211工程院校985工程院校教育部直属院校
【文章页数】：92 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
(a)典型的原子力显微镜(AFM)；(b)用于重量分析气相色谱的氮化硅纳米悬臂梁；(c)制造的硅纳米桥形结构
方法相比，这种方法的感测灵敏度可以高出几个数量级之多；2.基于这种机制的传感器可以实现共模抑制，从而避免基于频移量检测带来的假阳性读数的影响；3.这种传感器对于气压以及温度的变化不敏感，测量的结果更准确。关于模态局部化传感器的相关研究从耦合方式这一维度分类，主要分为静电耦合和机械耦合。静电耦合的优点在于耦合强度的调节相比于机械耦合更容易，但静定耦合结构的制造工艺较为复杂。代表性的研究例如剑桥大学的P.Thiruvenkatanathan，他们团队设计了静电耦合的音叉阵列[64]，实现了对刚度扰动的检测，如图1.2(a)所示。来自南安普顿大学的zhao等人采用了类似的静电耦合结构[65]，如图1.2(b)所示，他们在剑桥团队的基础上进一步发展，提出了一种基于振幅比的灵敏度表征方式，对于刚度扰动的灵敏度进一步提高。图1.2(a)双端固定耦合音叉阵列光学显微图像；(b)三自由度静电耦合电镜图。机械耦合的方式又分为直接机械耦合和间接机械耦合,如图1.3所示。直接机械耦合例如Spletzer[66]团队提出的每个谐振单元仅与相邻单元耦合的结构，并利用2根直接机械耦合悬臂梁阵列，检测了一种质量扰动，检测的灵敏度与基于频移信号相比高了3到4个数量级。间接机械耦合例如DeMartini团队[67,68]利用4个从属振荡器通过附属于一个主振荡器实现了间接机械耦合，并实现了两种物质的检测，通过测量主振荡器的频移量反求从属振荡器上附着质量的变化。DeMartini的方法前提是要求每个从属谐振器需要差异化并且具有足够高的品质因子（在准真空环境下检测）。换言之，DeMartini方法必须确保传感器具有完全局部化的系统模态。Glean[69]也采用了类似的物理模型并综合利用局部化的模态振型以及频率进行多种物质的感测。
吉林大学硕士学位论文6图1.3(a)直接机械耦合的两根悬臂梁阵列；(b)间接机械耦合的4根悬臂梁阵列。1.2.3微纳制造过程中的加工误差根据现有的微纳制造技术，加工误差是不可避免的，而加工误差的存在将影响产品的特性和表现[70]，Adams等人揭示，即使相同尺寸的微机械谐振子在同一个模具上加工，其谐振频率依然与设定的频率有偏差[71]。关于微纳制造过程中制造误差的研究有很多。大部分研究集中在设计阶段降低MEMS器件的性能变化[70,72,73]，其他研究则关注于如何估计MEMS器件的性能变化和提出量化制造误差的方法[75]-[78]。针对在设计层面降低制造误差带来的影响，Mawardi和Pitchumani[70]研究了一种基于结构尺寸和材料特性变化量两种参数的分析模型，用以分析谐振频率的变化。Dewey等人[72]提出了一种稳定的结构，可最大程度地减少参数变化量对静电梳状驱动微谐振器整体性能的影响。Codreanu等人[73]应用ANSYS软件进行了确定性建模和蒙特卡洛仿真，以便研究设计参数变化对微梳谐振器性能的影响。针对估计并量化制造误差的方法，Schenato等人[75]提出了多种估算应用于低频检测环境的MEMS平面悬垂结构性能变化的方法，应用了蒙特卡洛模拟、鲁棒优化和半定规划估算（SDP）等数学方法。Wittwer等人[76]通过将结构的材料特性和尺寸参数视为随机变量，在制造前分析并预测了悬臂梁的性能，研究得出结论，材料性能和尺寸参数的变化带来的测量不确定性对于大挠度形变悬臂梁的性能影响很大。Li等人[77]研究和讨论了各种深反应离子刻蚀制造过程中的制造误差原因，并从静电力，机械刚度，稳定性和位移四个角度分析了制造误差对于侧向梳齿驱动执行器性能的影响。Hong等人[78]将谐振器设计成一种具有自调谐功能的微型陀螺仪，并验证了其可行性，他们发现制?
【参考文献】：
期刊论文
[1]高阶谐振模态的超高质量分辨硅微悬臂梁压阻传感器[J]. 刘剑,李昕欣,金大重,刘民,王跃林,左国民,余海涛,包菡涵. 半导体学报. 2006(08)
博士论文
[1]复杂耦合失谐叶片—轮盘系统振动局部化问题研究[D]. 王红建.西北工业大学 2006
硕士论文
[1]基于模态局部化的耦合悬臂梁质敏机理研究[D]. 李晓东.吉林大学 2018
本文编号：3619713
【文章来源】：吉林大学吉林省211工程院校985工程院校教育部直属院校
【文章页数】：92 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
(a)典型的原子力显微镜(AFM)；(b)用于重量分析气相色谱的氮化硅纳米悬臂梁；(c)制造的硅纳米桥形结构
方法相比，这种方法的感测灵敏度可以高出几个数量级之多；2.基于这种机制的传感器可以实现共模抑制，从而避免基于频移量检测带来的假阳性读数的影响；3.这种传感器对于气压以及温度的变化不敏感，测量的结果更准确。关于模态局部化传感器的相关研究从耦合方式这一维度分类，主要分为静电耦合和机械耦合。静电耦合的优点在于耦合强度的调节相比于机械耦合更容易，但静定耦合结构的制造工艺较为复杂。代表性的研究例如剑桥大学的P.Thiruvenkatanathan，他们团队设计了静电耦合的音叉阵列[64]，实现了对刚度扰动的检测，如图1.2(a)所示。来自南安普顿大学的zhao等人采用了类似的静电耦合结构[65]，如图1.2(b)所示，他们在剑桥团队的基础上进一步发展，提出了一种基于振幅比的灵敏度表征方式，对于刚度扰动的灵敏度进一步提高。图1.2(a)双端固定耦合音叉阵列光学显微图像；(b)三自由度静电耦合电镜图。机械耦合的方式又分为直接机械耦合和间接机械耦合,如图1.3所示。直接机械耦合例如Spletzer[66]团队提出的每个谐振单元仅与相邻单元耦合的结构，并利用2根直接机械耦合悬臂梁阵列，检测了一种质量扰动，检测的灵敏度与基于频移信号相比高了3到4个数量级。间接机械耦合例如DeMartini团队[67,68]利用4个从属振荡器通过附属于一个主振荡器实现了间接机械耦合，并实现了两种物质的检测，通过测量主振荡器的频移量反求从属振荡器上附着质量的变化。DeMartini的方法前提是要求每个从属谐振器需要差异化并且具有足够高的品质因子（在准真空环境下检测）。换言之，DeMartini方法必须确保传感器具有完全局部化的系统模态。Glean[69]也采用了类似的物理模型并综合利用局部化的模态振型以及频率进行多种物质的感测。
吉林大学硕士学位论文6图1.3(a)直接机械耦合的两根悬臂梁阵列；(b)间接机械耦合的4根悬臂梁阵列。1.2.3微纳制造过程中的加工误差根据现有的微纳制造技术，加工误差是不可避免的，而加工误差的存在将影响产品的特性和表现[70]，Adams等人揭示，即使相同尺寸的微机械谐振子在同一个模具上加工，其谐振频率依然与设定的频率有偏差[71]。关于微纳制造过程中制造误差的研究有很多。大部分研究集中在设计阶段降低MEMS器件的性能变化[70,72,73]，其他研究则关注于如何估计MEMS器件的性能变化和提出量化制造误差的方法[75]-[78]。针对在设计层面降低制造误差带来的影响，Mawardi和Pitchumani[70]研究了一种基于结构尺寸和材料特性变化量两种参数的分析模型，用以分析谐振频率的变化。Dewey等人[72]提出了一种稳定的结构，可最大程度地减少参数变化量对静电梳状驱动微谐振器整体性能的影响。Codreanu等人[73]应用ANSYS软件进行了确定性建模和蒙特卡洛仿真，以便研究设计参数变化对微梳谐振器性能的影响。针对估计并量化制造误差的方法，Schenato等人[75]提出了多种估算应用于低频检测环境的MEMS平面悬垂结构性能变化的方法，应用了蒙特卡洛模拟、鲁棒优化和半定规划估算（SDP）等数学方法。Wittwer等人[76]通过将结构的材料特性和尺寸参数视为随机变量，在制造前分析并预测了悬臂梁的性能，研究得出结论，材料性能和尺寸参数的变化带来的测量不确定性对于大挠度形变悬臂梁的性能影响很大。Li等人[77]研究和讨论了各种深反应离子刻蚀制造过程中的制造误差原因，并从静电力，机械刚度，稳定性和位移四个角度分析了制造误差对于侧向梳齿驱动执行器性能的影响。Hong等人[78]将谐振器设计成一种具有自调谐功能的微型陀螺仪，并验证了其可行性，他们发现制?
【参考文献】：
期刊论文
[1]高阶谐振模态的超高质量分辨硅微悬臂梁压阻传感器[J]. 刘剑,李昕欣,金大重,刘民,王跃林,左国民,余海涛,包菡涵. 半导体学报. 2006(08)
博士论文
[1]复杂耦合失谐叶片—轮盘系统振动局部化问题研究[D]. 王红建.西北工业大学 2006
硕士论文
[1]基于模态局部化的耦合悬臂梁质敏机理研究[D]. 李晓东.吉林大学 2018
本文编号：3619713
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