CN107808047B - 一种隔振构型的单分子电学测量装置的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种隔振构型的单分子电学测量装置的设计方法，其包括以下步骤：1)在计算机中设计几何模型；2)对几何模型填充材料；3)对于几何模型进行网格划分；4)设置物理场、边界条件、参数；5)选择求解器进行计算；6)进行实际实验验证计算机模拟结果的正确性。本发明提供了一种隔振构型的单分子电学测量装置的设计方法，降低了设计的复杂度，同时也极大缩短了设计周期，并且适用于所有小尺寸、高性能要求的悬挂隔振系统设计，特别适用于单分子电学测量装置的隔振系统设计。

Description

一种隔振构型的单分子电学测量装置的设计方法

技术领域

本发明涉及单分子电子学，尤其涉及到单分子电子测量装置领域。

背景技术

单分子电学是在单分子(纳米)尺度下研究单个或少数原子、分子、超分子和原子团簇电学性质的科学，主要的目的是发现和揭示单分子尺度下这些物质的基本电学性质，最终目标是以这些研究对象组装成具有逻辑功能的电路乃至分子计算机。而单分子电学测量装置是现代单分子电学研究中使用并以实现单分子原位电学性质测量为目标的一类精密仪器，典型的如机械可控裂结(MCBJ)装置、扫描隧道显微镜(STM)、原子力学显微镜(AFM)等。由于是在纳米尺度下对单分子的电学性质进行的精确测量，装置的测量精度及稳定性极易受到外界振动、电磁、气流以及噪音等环境因素干扰，因此如何减少外界的干扰信号是所有设计高精密单分子电学测量装置过程中必须面对的挑战。

在单分子测量装置的所有干扰源中，环境中的机械振动是影响单分子电学测量精度的主要干扰源之一。形成机械振动的主要因素包括不可避免的环境振动，如大地振动、气流变化以及设计不合理的机电结构共振等。当宏观尺度的机械振动通过装置或直接传递到单分子电学测量装置的精密电极对时，就可能对纳米尺度下单分子电学测量过程带来灾难性的影响，因此如何隔绝环境的机械振动以及尽量避免和减少测量装置自身形成的振动，是所有高精密单分子测量装置设计过程中需要重点考虑的问题。

目前，国际上用于隔绝和减少单分子测量装置机械振动的常用元件包括弹簧元件、阻尼元件和质量元件。弹簧元件的主要作用是存储外界传递过来的能量，通过将环境振动所携带的动能转化为弹性势能来隔绝振动对仪器测量的影响。阻尼元件的主要作用是消耗外界传递过来的能量，通过与弹簧元件的配合使用，能够有效抵消和减少振动的传递，从而避免对仪器的影响。质量元件最重要的一个作用是可以调节测量仪器的本征振动频率，从而可以避免装置与环境以及自身形成共振。利用这三种元件设计高稳定性的悬挂系统对机械振动进行隔绝，是目前国际上单分子测量装置设计中主要采用的隔振技术。由于不同的单分子测量装置具有不同的机械结构和隔振需求，因此如何在实际测量装置固有结构的基础上，利用上述三种元件设计出结构合理、隔振性能最佳的悬挂系统是单分子测量装置设计中不可缺少的一项重要任务。针对该项任务，本发明建立了一种基于计算机仿真技术的悬挂隔振系统快速设计方法，应用该方法，能够在单分子电学测量装置已有结构的基础上，实现低价位、高性能定制化隔振系统的快速设计和优化，缩短装置研发时间。

发明内容

本发明所要解决的主要技术问题是提供一种隔振构型的单分子电学测量装置的设计方法，降低了设计的复杂度，同时也极大缩短了设计周期。

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种隔振构型的单分子电学测量装置的设计方法，包括以下步骤：

1)在计算机中设计几何模型；

该几何模型包括屏蔽箱、四根弹簧、悬挂板、单分子电学测量装置；所述四根弹簧分别设置于屏蔽箱的上顶面内壁与悬挂板的上表面的四个顶角之间，使得悬挂板与屏蔽箱的上顶面平行并位于屏蔽箱内部；所述单分子电学测量装置放置于悬挂板的上表面；

2)添加材料；

对几何模型填充材料，材料为不锈钢；

3)划分网格；

对于几何模型进行网格划分，并且弹簧以及单分子电学测量装置与悬挂板的接触部分的网格密度大于其它位置的网格密度；

4)设置物理场、边界条件、参数；

①选择COMSOL固体力学中的多体动力学模块；

②选择数学模型：

其中

为汉密尔顿算子：

其中

F是变形梯度，S是应力张量，f是体积力，ρ是材料密度，u是振动位移，t是时间；

③选用Fixed joint关节将屏蔽箱、弹簧、悬挂钢板和机械可控裂结装置连接起来，并给整个几何模型添加一个重力场；

④选择屏蔽箱的下底面作为边界，并设定边界的振动条件；

⑤在COMSOL中，添加spring-damper选项，设定不同的弹性系数、阻尼系数；添加mass and moment of inertia选项，设置不同的质量；

5)选择Time study求解器进行计算，得到屏蔽箱底部、机械可控裂结装置在不同的外界振动频率、方向下发生的振动速度对比关系；

6)进行实际实验验证计算机模拟结果的正确性。

在一较佳实施例中：所述单分子电学测量装置为机械可控裂结装置，具体包括底座、液池、芯片、压电陶瓷、步进电机；

所述底座为圆台体，其上表面放置有液池；液池内靠近圆台体上表面的一侧放置有压电陶瓷，所述芯片设置于压电陶瓷的上方；步进电机驱动压电陶瓷沿着平行与圆台体上表面的方向移动，从而改变压电陶瓷对芯片的应力，间接地改变芯片中电极对的横截面积大小或者改变电极对纳米级裂缝的间隔大小。

在一较佳实施例中：所述屏蔽箱的侧面具有一可开关的门，将屏蔽箱内部与外界连通或隔离。

在一较佳实施例中：所述屏蔽箱的外壁贴附有吸音材料。

相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：

本发明属工程设计方面的技术方案发明，适用于所有小尺寸、高性能要求的悬挂隔振系统设计，特别适用于单分子电学测量装置的隔振系统设计。

本发明的突出优点体现在充分利用了计算机仿真技术，降低了设计的复杂度，同时也极大缩短了设计周期；其次，该设计方案中充分利用了成熟的振动系统模拟软件，对单分电学测量装置的机械隔振系统进行了快速的优化设计，得到了一种基于简单隔振元件、简单构型的低成本最优隔振方案。

附图说明

图1为MCBJ装置正视结构示意图；

图2为MCBJ装置俯视结构示意图；

图3为MCBJ装置仰视结构示意图；

图4为隔振系统正视结构示意图；

图5为隔振系统俯视结构示意图；

图6为隔振系统仰视结构示意图；

图7为基于COMSOL仿真的参数优化流程框图；

图8为仿真结果：X轴向隔振频谱图；

图9为仿真结果：Y轴向隔振频谱图；

图10为仿真结果：Z轴向隔振频谱图。

具体实施方式

以下通过具体实施方式结合附图对本发明的技术方案进行进一步的说明和描述。

本发明属工程设计方面的技术方案发明，适用于所有小尺寸、高性能要求的悬挂隔振系统设计，特别适用于单分子电学测量装置的隔振系统设计。为了对本发明所涉及的具体技术内容及实施方案进行说明，下面以单分子电学测量装置中机械可控裂结(MCBJ)装置悬挂隔振系统设计为例。针对其它类似电学测量装置，可以采用与本发明相同的技术方案。

机械可控裂结(MCBJ)装置主要用于测量单分子的电学信号。如图1为MCBJ装置的正视图，图2为MCBJ装置的俯视图，图3为MCBJ装置的仰视图。其中1表示底座、2表示液池、3表示芯片、4表示压电陶瓷、5表示步进电机。所述底座1为圆台体，其上表面放置有液池2；液池2内靠近圆台体上表面的一侧放置有压电陶瓷4，所述芯片3设置于压电陶瓷4的上方；步进电机5转动驱动压电陶瓷4沿着平行与圆台体上表面的方向移动。

芯片3是测量的核心部件，它的核心是利用搭建的一个三点支撑结构，以步进电机5和压电陶瓷4产生的机械力作为驱动，实现对芯片3的应力进行精确控制的一种方法。通过改变芯片3的应力，机械可控裂结法可以间接地改变芯片3中电极对的横截面积大小，或改变电极对纳米级裂缝的间隔大小，从而使得单分子能够进入到纳米的裂缝中，测量出单个分子的电学信号。

由于电极对裂缝间隙只有几个纳米大小，因此测量过程中极易受到外界振动干扰，需要为MCBJ装置设计一个隔振系统，减少振动对测量的干扰。考虑到外界电磁的存在，需要设计一个金属屏蔽箱屏蔽电磁干扰。综合上述两种因素，提出在屏蔽箱内设计一个悬挂隔振系统。并利用仿真软件对隔振系统的隔振性能进行研究，最后再利用实验进行验证。

本发明设计的悬挂隔振系统如图4、图5、图6。其中6表示为屏蔽箱，7表示为弹簧，8表示为悬挂钢板，9表示为MCBJ装置(图2-4已有详细图示表示，这里是简化模型)，10表示为屏蔽箱的门。屏蔽箱为不锈钢材料(Steel AISI 4340)，主要作用是屏蔽电磁干扰，同时可以隔绝外界物质的进入，避免造成对测量分子的污染。此外，屏蔽箱外壁上贴有吸音棉，主要用来消除外界噪音的干扰。

具体的，所述弹簧7设置于屏蔽箱6的上顶面内壁与悬挂板8的上表面的四个顶角之间，使得悬挂板8与屏蔽箱6的上顶面平行并位于屏蔽箱6内部；所述MCBJ装置9放置于悬挂板的上表面；

接着在计算机中对上述的结构进行仿真验证，以测试其防震的性能。包括以下步骤：

1)在计算机中设计几何模型；几何模型的形状与上述的隔离箱一致，其中屏蔽箱为正方体，长宽高均为600mm，屏蔽箱的厚度为20mm。弹簧的高度为400mm，悬挂钢板的长宽高为400×400×20mm，MCBJ装置的底面直径为200mm，高度为150mm。

2)添加材料；对几何模型填充材料，材料为不锈钢；

3)划分网格；

对于几何模型进行网格划分，并且弹簧7以及MCBJ装置9与悬挂板8的接触部分的网格密度大于其它位置的网格密度；这是因为弹簧7的几何尺寸较小，采用较密集的网格，可以保证计算的准确度。MCBJ装置9与悬挂板8相互接触部位，采用较密集的网格，能够提高矩阵运算的准确性。

4)设置物理场、边界条件、参数；

①选择COMSOL固体力学中的多体动力学模块；

②选择数学模型：

其中

为汉密尔顿算子：

其中

F是变形梯度，S是应力张量，f是体积力，ρ是材料密度，u是振动位移，t表示时间；

③选用Fixed joint关节将屏蔽箱、弹簧、悬挂钢板和机械可控裂结装置连接起来，并给整个几何模型添加一个重力场；

④选择屏蔽箱的下底面作为边界，并设定边界的振动条件；比如设置边界振动的位移；

⑤由于几何模型添加材料后，弹簧的弹性系数，阻尼和悬挂钢板质量就都固定，对于仿真计算来说，上述这些参数需要设置为不同的值来验证这个结构在不同情况下的使用情况。因此，需要在COMSOL中，添加spring-damper选项，设定不同的弹性系数、阻尼系数；添加mass and moment of inertia选项，设置不同的质量；这样就可以非常方便地找到弹簧的弹性系数，阻尼和悬挂钢板质量的优化设计值。

5)选择Time study求解器进行计算，得到屏蔽箱底部、机械可控裂结装置在不同的外界振动频率、方向下发生的振动速度对比关系；

求解之后对计算的结果进行后处理。如图8，图9，图10，选取MCBJ装置9顶点和屏蔽箱底部中间一点，从频谱图中就可以轻易的看出，在X和Y方向上，隔振系统具有非常好的隔振效果。在1到100Hz内，MCBJ装置9的顶部的振动都要小于屏蔽箱底部的振动，并且随着频率的增大，振动越来越小。Z方向除了在2到4Hz以外，在其它频率上的变化规律同X和Z方向。说明设计的隔振系统具有非常好的隔振效果。

6)进行实际实验验证计算机模拟结果的正确性。

根据仿真的结果，设计出一套实际的隔振系统，加工出来，利用单分子实验进行验证。最终实验的结果与仿真的结果是一致的。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种隔振构型的单分子电学测量装置的设计方法，其特征在于包括以下步骤：

1)在计算机中设计几何模型；

该几何模型包括屏蔽箱、四根弹簧、悬挂板、单分子电学测量装置；所述四根弹簧分别设置于屏蔽箱的上顶面内壁与悬挂板的上表面的四个顶角之间，使得悬挂板与屏蔽箱的上顶面平行并位于屏蔽箱内部；所述单分子电学测量装置放置于悬挂板的上表面；

2)添加材料；

对几何模型填充材料，材料为不锈钢；

3)划分网格；

对于几何模型进行网格划分，并且弹簧以及单分子电学测量装置与悬挂板的接触部分的网格密度大于其它位置的网格密度；

4)设置物理场、边界条件、参数；

①选择COMSOL固体力学中的多体动力学模块；

②选择数学模型：

其中

为汉密尔顿算子：

其中

F是变形梯度，S是应力张量，f是体积力，ρ是材料密度，u是振动位移，t是时间；

③选用Fixed joint关节将几何模型连接起来，并给整个几何模型添加一个重力场；

④选择屏蔽箱的下底面作为边界，并设定边界的振动条件；

⑤在COMSOL中，添加spring-damper选项，设定不同的弹性系数、阻尼系数；添加massand moment of inertia选项，设置不同的质量；

5)选择Time study求解器进行计算，得到屏蔽箱底部、单分子电学测量装置在不同的外界振动频率、方向下发生的振动速度对比关系；

6)进行实际实验验证计算机模拟结果的正确性。

2.根据权利要求1所述的一种隔振构型的单分子电学测量装置的设计方法，其特征在于：所述单分子电学测量装置为机械可控裂结装置，具体包括底座、液池、芯片、压电陶瓷、步进电机；

所述底座为圆台体，其上表面放置有液池；液池内靠近圆台体上表面的一侧放置有压电陶瓷，所述芯片设置于压电陶瓷的上方；步进电机驱动压电陶瓷沿着平行与圆台体上表面的方向移动，从而改变压电陶瓷对芯片的应力，间接地改变芯片中电极对的横截面积大小或者改变电极对纳米级裂缝的间隔大小。

3.根据权利要求2所述的一种隔振构型的单分子电学测量装置的设计方法，其特征在于：所述屏蔽箱的侧面具有一可开关的门，将屏蔽箱内部与外界连通或隔离。

4.根据权利要求3所述的一种隔振构型的单分子电学测量装置的设计方法，其特征在于：所述屏蔽箱的外壁贴附有吸音材料。

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