CN102944615A - 一种利用激光远程激发微米尺度的微悬臂梁探针共振的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用激光远程激发微米尺度的微悬臂梁探针共振的方法，通过在微米尺度的微悬臂梁探针表面施加具有一定频率的脉冲激光照射，利用激光热效应在微米尺度的微悬臂梁探针中产生的热应力，实现对微米尺度的微悬臂梁探针的共振激发。所述脉冲激光的频率为微悬臂梁探针共振频率的1/n，其中n为1~10，利用激光热效应在微悬臂梁探针中产生的热应力的n阶傅利叶谐波来激发微米尺度的微悬臂梁探针的共振振动。

Description

一种利用激光远程激发微米尺度的微悬臂梁探针共振的方法

技术领域

本发明涉及一种利用激光远程激发微米尺度的微悬臂梁探针共振的方法，属于微机电系统的技术领域。

背景技术

微悬臂梁传感器当今被广泛应用于微弱信号的测量，可用于检测的物质包括水银蒸汽、氟化氢气体、TNT爆炸物、DNA、蛋白质分子等。其工作原理是通过微悬臂梁探针对目标分子的表面吸附从而改变探针的运动状态实现检测，它具有速度快，精度高，重复性好等优点。传感过程中最核心的技术是如何实现对微悬臂梁探针的共振激发，它对传感器的应用范围、响应速度、探测精度都有重要影响。

传统的激发技术基于压电效应，电场力，磁驱动技术等。传统激发技术的共同不足之处是它们都不是“非接触”式激发，因为在这些激发方法中，微悬臂梁必须捆绑到压电换能器（或其它的机械振荡器），电极，或永磁体上。这不但增加了传感器的制作步骤及成本，而且还对器件材料与探测方法有额外的要求。对基于电场力或电磁相互作用的共振激发技术，要求微悬臂梁必须是由导电材料制作。因此，对于由氮化硅或本征硅等非导电材料制作的微悬臂梁，电磁激发不能被直接应用。而在基于压电换能器共振激发中，在频率响应测量中必须引入额外的归一化过程，因为压电材料的压电系数是依赖于电信号的频率的。与传统的激发技术相比，“非接触”式激发，或者说“远程”激发，具有的重要优势之一就是激发技术对微悬臂梁本身没有任何限制和影响，因而具有制作成本低，应用领域广等优点。

超声波激发和激光激发是可供选择的两种远程激发技术，Thomas M.Huber等已实现了基于超声波的微悬臂梁远程共振激发（参考文献：T.M.Huber,B.C.Abell,D.C.Mellema,M.Spletzer,and A.Raman,Appl.Phys.Lett.97,214101(2010).），其激发理论也得到了深入的发展。然而，与激光激发相比，超声波激发有两个重要的不足：（1）难以实现聚焦。以空气作为传播媒介的超声波，其力学特点决定了难以聚焦到微米尺度的微悬臂梁上，从而有能量利用率低的缺点。（2）不能在真空环境中应用。真空环境是提高微悬臂梁品质因子和检测精度的重要手段。以上两方面不足，在以激光为能量来源的激发技术中，可以被有效克服。国内方面，清华大学的顾利忠研究组实现了声光调Q开关控制下的，10.5毫米长度悬臂梁的共振激发，参见《应用激光》1991年05期记载的《光激励微型悬臂梁谐振器》文章。当今的微悬臂梁传感器是基于微米尺度的微悬臂梁制作而成。微米尺度的微悬臂梁，具有尺寸小、共振频率高等特点，因此一些宏观尺度的技术将不在适用。微米尺度微悬臂梁在激发技术、检测技术、数据分析技术等方面都有更高的要求。

综合以上分析，可以看到利用激光来实现微米尺度的微悬臂梁的远程共振激发，对于传感器的发展以及激光技术的应用，都具有重要的意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种利用激光远程激发微米尺度的微悬臂梁探针共振的方法。

本发明的技术方案如下：

一种利用激光远程激发微米尺度的微悬臂梁探针共振的方法，用周斯性脉冲激光聚焦于微悬臂梁探针表面，所述脉冲激光的频率为微悬臂梁探针共振频率的1/n，其中n为1~10。本发明利用激光热效应在微米尺度的微悬臂梁探针中产生的热应力的n阶傅利叶谐波，实现对微米尺度的微悬臂梁探针的共振激发。

根据本发明优选的，所述微米尺度的微悬臂梁探针的尺寸范围：长，100－500μm；宽，10－50μm；厚，1－2μm；所述脉冲激光的波长范围：405－650nm。

根据本发明优选的，所述微米尺度的微悬臂梁探针的长，100μm；宽，10μm；厚，1μm，所述脉冲激光的波长为：405nm，所述脉冲激光的频率为所述微悬臂梁探针共振频率的1/7。

根据本发明优选的，所述微米尺度的微悬臂梁探针的长，300μm；宽，35μm；厚，1μm，所述脉冲激光的波长为：532nm，所述脉冲激光的频率为所述微悬臂梁探针共振频率的1/5。

根据本发明优选的，所述微米尺度的微悬臂梁探针的长，500μm；宽，50μm；厚，2μm，所述脉冲激光的波长为：650nm，所述脉冲激光的频率为所述微悬臂梁探针共振频率的1/3。

本发明的工艺虽然简单，但克服了现有技术针对微悬臂梁探针共振激发的技术偏见，取得了意想不到的技术效果：与传统的接触式激发方式相比，无需将微悬臂梁“捆绑”到激发器上，大大减少了激发器对微悬臂梁的影响，提高了微米尺度的微悬臂梁的工作精度。本发明通过大量的实验得出，不论什么材料的微悬臂梁探针，对任何波长的激光都会有吸收，所以任何波长的激光都可以激发任何材料的微悬臂梁探针，即使激发效果不好，只需适当提高激光功率，便能实现对微米尺度的微悬臂梁探针的共振激发。

本发明的优点在于：

本发明通过在微米尺度的微悬臂梁探针表面施加具有一定频率的脉冲激光照射，其频率为微悬臂梁探针共振频率的1/n，利用激光热效应在微悬臂梁探针中产生的热应力的n阶傅利叶谐波，实现对微悬臂梁探针的共振激发。具体优点如下：

1.本发明是利用周期脉冲激光在微米尺度的微悬臂梁材料中产生的热应力实现对微悬臂梁的共振激发。由于任何材料对任意波长的激光都具有一定的吸收率，因此所述激发方法无需对微悬臂梁的材料以及激光波长进行设限，使用范围广；

2.本发明是一种远程激发方式，微米尺度的微悬臂梁不需要附属于任何其它执行结构，因此具有结构简单，共振激发易于实现的优点；

3.采用本发明所述的远程激发方法后，方便实现微悬臂梁传感器的小型化和集成化研究；现有文献中仅记载的是对10.5毫米的微悬臂梁探针的激发，与本发明的微悬臂梁探针尺寸相差20－100倍，现有文献未对激光远程激发的具体频率等技术方案做出具体限定，激发原理方面现有文献的研究结论为激发的力可能来源于光压或光热效应，而本发明通过大量的实验得出，激发微米尺度的微悬臂梁探针的力来源于热应力，否定了光压和光引起的流体力，因此本发明仅通过改变激光激发频率，使其与所述微米尺度的微悬臂梁探针相匹配后即可实现对微米尺度的微悬臂梁探针的远程共振激发。

附图说明

图1是本发明所述利用激光照射远程激发微米尺度的微悬臂梁探针共振的示意图；

图2是对微米尺度的微悬臂梁探针进行共振激发与共振检测装置的连接示意图；

图3是利用激光远程激发微米尺度的微悬臂梁探针共振的激发效果图；

其中，1、微悬臂梁底座，2、微悬臂梁探针，3、脉冲激光，4、连续激光器，5、衰减片，6、汇聚凸透镜，7、斩波器，8、准直凸透镜，9、半透半反镜，10、汇聚凸透镜，11、光电探测器，12、垂直方向汇聚柱面镜，13、水平方向汇聚柱面镜，14、微悬臂梁，15、激光测振仪，16、用于检测微悬臂梁探针振动的激光束，17、双通道数据采集卡，18、激光信号输入通道，19、振动信号输入通道，20、设备控制计算机。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。

实施例1、

如图1所示。根据权利要求1所述的一种利用激光远程激发微米尺度的微悬臂梁探针共振的方法，用周斯性脉冲激光3聚焦于微悬臂梁探针2表面，通过激光热效应在微米尺度的微悬臂梁探针2中产生的热应力，实现对微米尺度的微悬臂梁探针的共振激发。

所述微米尺度的微悬臂梁探针2的长，100μm；宽，10μm；厚，1μm，所述脉冲激光3的波长为：405nm，所述脉冲激光3的频率为所述微悬臂梁探针共振频率的1/7。

实施例2、

根据权利要求1所述的一种利用激光远程激发微米尺度的微悬臂梁探针共振的方法，其结构与激发方法与实施例1相同，不同之处在于：

所述微米尺度的微悬臂梁探针的长，300μm；宽，35μm；厚，1μm，所述脉冲激光的波长为：532nm，所述脉冲激光的频率为所述微悬臂梁探针共振频率的1/5。

实施例3、

根据权利要求1所述的一种利用激光远程激发微米尺度的微悬臂梁探针共振的方法，其结构与激发方法与实施例1相同，不同之处在于：

所述微米尺度的微悬臂梁探针的长，500μm；宽，50μm；厚，2μm，所述脉冲激光的波长为：650nm，所述脉冲激光的频率为所述微悬臂梁探针共振频率的1/3。

如图2所示。为实现上述利用激光远程激发微悬臂梁探针共振，采用如下激发装置：

所述的激发装置，包括激光发射装置和微悬臂梁，所述微悬臂梁包括微悬臂梁底座1和一个与微悬臂梁底座1一体的、同材料的微悬臂梁探针2；

所述激光发射装置包括连续激光器4，衰减片5，汇聚凸透镜6，斩波器7，准直凸透镜8，半透半反镜9，垂直方向汇聚柱面镜12和水平方向汇聚柱面镜13，所述的水平方向汇聚柱面镜13射向微悬臂梁探针2的上表面，利用激光热效应在微悬臂梁探针中产生的热应力，实现对微悬臂梁探针的共振激发。

如图2所示。利用激光检测设备对悬臂梁探针振动进行检测：

所述的激光检测设备包括汇聚凸透镜10、光电探测器11、激光信号输入通道18、双通道数据采集卡17、设备控制计算机20、振动信号输入通道19、激光测振仪15和用于检测微悬臂梁探针振动的激光束16。

图2所示为共振激发与共振检测的装置连接示意图。连续激光器4发射的激光，通过衰减片5实现对其光强的调节。脉冲激光照射由斩波器7来实现。为了增强激发效果，可以通过将激光信号调制成方波信号来完成。激光信号的调制是通过汇聚凸透镜6将激光聚焦在斩波器7上，再通过准直凸透镜8将经过斩波器的光线变成平行光。脉冲激光通过半透半反镜9后分成两束，一束通过汇聚凸透镜10后进入光电探测器11，从而可以用来检测周期激光信号；另一束通过垂直方向汇聚柱面镜12和水平方向汇聚柱面镜13后，调制成可以汇聚到微悬臂梁探针表面的脉冲激光照射3。对微悬臂梁探针共振的检测是由激光测振仪15来完成，用于检测微悬臂梁探针振动的激光束16聚焦于微悬臂梁探针的尖端位置。光电探测器11测得的脉冲激光信号和激光测振仪15测得的微悬臂梁探针共振信号由双通道数据采集卡17进行同步采集。对数据采集卡的控制以及对采集到的数据的分析是通过设备控制计算机20来完成。

脉冲激光照射信号及其激发出来的微悬臂梁探针共振信号如图3所示。图3（a）所示的是光电探测器采集到的脉冲激光信号。当脉冲激光信号照射到微悬臂梁探针表面时，对于通光的情形，即图3（a）中方波的高电平期间，微悬臂梁探针的受光面的温度就会高于背光面的温度，从而受光面的热膨胀就会大于背光面，形成垂直于微悬臂梁探针表面的热应力。对于消光的情形，即图3（a）中方波的低电平期间，探针的两面温度会趋于一致，从而热应力减小。这就形成了与脉冲激光照射信号同步的作用于探针的热应力信号，因此当把脉冲激光照射的频率设为微悬臂梁探针共振频率的1/n时，热应力信号的频率也将是探针共振频率的1/n，它的n阶傅利叶谐波将具有与探针共振相同的频率，从而可以驱动探针共振。

图3（b）是当把脉冲激光照射的频率设为微悬臂梁探针共振频率的1/5时，微悬臂梁探针的总振动位移信号，其中的高频成分，是热应力的5阶傅利叶谐波引起的探针共振振动，低频成分是热应力的基频部分引起的非共振振动，其叠加结果就是探针的总振动。对于总振动的共振部分，可以通过滤波的方式将其提取，提取结果如图3（c）所示。

Claims (5)

1.一种利用激光远程激发微米尺度的微悬臂梁探针共振的方法，其特征在于，该方法是用周斯性脉冲激光聚焦于微悬臂梁探针表面，所述脉冲激光的频率为微悬臂梁共振频率的1/n，其中n为1~10。

2.根据权利要求1所述的一种利用激光远程激发微米尺度的微悬臂梁探针共振的方法，其特征在于，所述微米尺度的微悬臂梁探针的尺寸范围：长，100－500μm；宽，10－50μm；厚，1－2μm；所述脉冲激光的波长范围：405－650nm。

3.根据权利要求2所述的一种利用激光远程激发微米尺度的微悬臂梁探针共振的方法，其特征在于，所述微米尺度的微悬臂梁探针的长，100μm；宽，10μm；厚，1μm，所述脉冲激光的波长为：405nm，所述脉冲激光的频率为所述微悬臂梁探针共振频率的1/7。

4.根据权利要求2所述的一种利用激光远程激发微米尺度的微悬臂梁探针共振的方法，其特征在于，所述微米尺度的微悬臂梁探针的长，300μm；宽，35μm；厚，1μm，所述脉冲激光的波长为：532nm，所述脉冲激光的频率为所述微悬臂梁探针共振频率的1/5。

5.根据权利要求2所述的一种利用激光远程激发微米尺度的微悬臂梁探针共振的方法，其特征在于，所述微米尺度的微悬臂梁探针的长，500μm；宽，50μm；厚，2μm，所述脉冲激光的波长为：650nm，所述脉冲激光的频率为所述微悬臂梁探针共振频率的1/3。

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