CN108132084A - 一种基于fet栅位移敏感的纳微质量测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明针对纳微颗粒质量难以测量的现状，提出一种纳微颗粒质量测量装置。基于FET栅位移敏感的纳微质量测量装置，包括纳米梁静电激励振动装置、振动信号检测装置两部分。纳米梁在交流信号激励作用下产生受迫振动；当纳米梁上下振动时，与场效应晶体管沟道间的距离产生周期性变化，使场效应晶体管源和漏之间产生与振动信号同步的周期性变化的电流，该电流流经信号取样电阻，产生周期性变化的电压，通过信号检测器采集该电压信号，可以检测纳米梁的振动频率。FET栅位移敏感振动测试是一种无接触驱动方法，减少传感器因接触造成对被测对象的影响，提高纳微质量测量的精确度和测量的分辨率。本发明可以广泛应用于细菌、病毒检测，大气污染物检测等领域纳微粒子检测工作，甚至可以用于单分子或者原子质量检测。

Description

一种基于FET栅位移敏感的纳微质量测量装置
技术领域
本发明专利是一种基于FET栅位移敏感的纳微质量测量装置，特别是一种用于纳微质量测量装置，属于纳微质量检测领域。
背景技术
对于机械谐振器，纳微悬臂梁是用于探测弱力信号的重要装置。为了实现更高的力学灵敏度，需要采用尺寸更小的微振子，然而如何测量微小谐振子的振动，成为制约测量纳微颗粒质量精度提高的难题之一。在纳微谐振器的振动信号提取方面，通常采用检测位移信号的方法，将位移信号转化为光、电、磁等信号，通过测量这些信号，实现高灵敏度的位移测量，然而这些手段对被测机械振子的尺寸和几何形状有着苛刻的要求，难以应用到纳米、亚纳米尺度机械振子的测量，潜在制约了高精度质量的测量工作。FET栅位移敏感振动测试是一种无接触驱动方法，减少传感器因接触造成对被测对象的影响，提高纳微质量测量的精确度和测量的分辨率。
本发明可以广泛应用于细菌、病毒检测，大气污染物检测等领域纳微粒子检测工作，甚至可以用于单分子或者原子质量检测。
发明内容
本发明针对纳微颗粒质量难以测量的现状，提出一种纳微颗粒质量测量装置。
本发明专利解决其技术问题所采用的方案是：所述基于FET栅位移敏感的纳微质量测量装置，包括纳米梁静电激励振动装置、振动信号检测装置两部分。所述纳米梁静电激励振动装置，其特征在于：所述纳米梁静电激励振动装置由交流驱动电源、直流驱动电源、纳米梁、纳微颗粒、静电驱动极板、开关和导线组成。所述纳米梁左端固定，右端自由，长度、宽度和高度分别为1.1μm、120nm和75nm，纳米梁用碳化硅材料制作，在下表面镀一层金金属层，厚度为5nm；纳米梁左半部分正下方为固定的静电驱动极板，静电驱动极板与底板固结，长度与纳米梁相同，与纳米梁之间的距离为1μm；所述纳微颗粒置于纳米梁最右端上方，通过范德瓦耳斯力吸附在纳米梁右端上表面；所述交流驱动电源一端通过一根导线连接纳米梁左端下侧的金金属层，另一端由另一根导线连接直流驱动电源，直流驱动电源另一端通过导线连接开关的左端，开关右端通过导线连接静电驱动极板；开关闭合时，纳米梁和静电驱动极板间会产生一个交流电压信号，激励纳米梁产生振动，改变交流信号的信号频率，当交流电压信号频率等于纳米梁固有频率时，纳米梁产生共振响应。同时，纳米梁作为场效应晶体管的栅极，当纳米梁振动时，纳米梁与场效应晶体管间的电场发生变化，调控场效应晶体管并使之工作于线性区，源极和漏极之间产生随纳米梁振动的周期性电流。
所述振动信号检测装置由纳米梁最右端正下方的场效应晶体管、固定支座、振动信号提取电源、信号取样电阻、信号检测器和导线组成，其特征在于：所述场效应晶体管位于纳米梁最右端正下方，与纳米梁的距离为30nm，固结在固定支座上方；固定支座下方固结于底板；所述振动信号提取电源一端通过导线与场效应晶体管的右金属电极相连接，另一端与信号取样电阻连接，信号取样电阻通过导线与场效应晶体管的左金属电极相连接，信号检测器通过导线与信号取样电阻并联；所述场效应晶体管由源极、漏极、作为栅极的纳米梁右端、金属电极以及空气介质组成；场效应晶体管左端下方为源极，其上端连接左金属电极，左金属电极通过导线与信号取样电阻连接，信号取样电阻与振动信号提取电源相连接；场效应晶体管右端下方为漏极，上端也连接着右金属电极，并通过导线与振动信号提取电源相连接；场效应晶体管中间是导电沟道，导电沟道正上方是纳米梁右端，作为场效应晶体管的栅极。
纳米梁在交流信号激励作用下产生受迫振动；当纳米梁上下振动时，与场效应晶体管沟道间的距离产生周期性变化，使场效应晶体管源和漏之间产生与振动信号同步的周期性变化的电流，该电流流经信号取样电阻，产生周期性变化的电压，通过信号检测器采集该电压信号，可以检测纳米梁的振动频率。利用扫频的方式激励纳米梁发生共振，当纳米梁共振时，输出电压信号值最大，采集振动电压信号，进行频谱分析，得到共振频率。
场效应晶体管中源和漏之间的电流为： 其中μ为载流子迁移率，Z和L分别为沟道的宽和长，Ci为介质层单位面积电容，VG是栅源电压，VD是漏源电压，VT为FET的阀值电压，Cd和Cm分别表示电容值对应的是电解质(如栅氧化层)和煤质(真空或空气)，εd为电介质中的介电常数，εm为空气中的介电常数，td为介电层厚度，a为栅与沟道之间的距离，Φms是栅与半导体之间的功函数差，ΦF是平带电压，Qi是电介质材料中的陷阱电荷(每单位面积)，Qd是沟道中的积累电荷。
当纳米梁发生共振时，测量得到共振时交流驱动电源的ωn数值，得到纳微颗粒的质量为其中E为纳米梁的弹性模量，l为纳米梁的长度，mb为纳米梁的质量，b和h分别为纳米梁宽度和高度。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1.FET栅位移敏感振动测试方法是一种无接触驱动方法，测量干扰因素少，测量灵敏度高。
2.电路元件应用于机械敏感时，可以使得机械敏感信号能够同电子信号处理与逻辑电路直接耦合，从而使引入的寄生效应最小化。
附图说明
图1为纳米梁纳微颗粒检测装置；
图2为FET栅结构图；
图中，1、直流驱动电源，2、交流驱动电源，3、纳微颗粒，4、纳米梁，5、振动信号提取电源，6、信号检测器，7、信号取样电阻，8、固定支座，9、场效应晶体管，10、底板，11、金金属层，12、静电驱动极板，13、开关，14、左金属电极，15、右金属电极，16、漏极，17、沟道，18、源极。
具体实施方式
以下结合附图做作进一步详述：
本实施例的主体结构包括纳米梁静电激励振动装置、振动信号检测装置两部分。本发明专利解决其技术问题所采用的方案是：所述基于FET栅位移敏感的纳微质量测量装置，包括纳米梁静电激励振动装置、振动信号检测装置两部分。所述纳米梁静电激励振动装置，其特征在于：所述纳米梁静电激励振动装置由交流驱动电源2、直流驱动电源1、纳米梁4、纳微颗粒3、静电驱动极板12、开关13和导线组成。所述纳米梁4左端固定，右端自由，长度、宽度和高度分别为1.1μm、120nm和75nm，纳米梁4用碳化硅材料制作，在下表面镀一层金金属层11，厚度为5nm；纳米梁4左半部分正下方为固定的静电驱动极板12，静电驱动极板12与底板10固结，长度与纳米梁4相同，与纳米梁4之间的距离为1μm；所述纳微颗粒3置于纳米梁4最右端上方，通过范德瓦耳斯力吸附在纳米梁4右端上表面；所述交流驱动电源2一端通过一根导线连接纳米梁4左端下侧的金金属层11，另一端由另一根导线连接直流驱动电源1，直流驱动电源1另一端通过导线连接开关13的左端，开关13右端通过导线连接静电驱动极板12；开关13闭合时，纳米梁4和静电驱动极板12间会产生一个交流电压信号，激励纳米梁4产生振动，改变交流信号的信号频率，当交流电压信号频率等于纳米梁4固有频率时，纳米梁4产生共振响应。同时，纳米梁4作为场效应晶体管9的栅极，当纳米梁4振动时，纳米梁4与场效应晶体管9间的电场发生变化，调控场效应晶体管9并使之工作于线性区，源极18和漏极16之间产生随纳米梁4振动的周期性电流。
所述振动信号检测装置由纳米梁4最右端正下方的场效应晶体管9、固定支座8、振动信号提取电源5、信号取样电阻7、信号检测器6和导线组成，其特征在于：所述场效应晶体管9位于纳米梁4最右端正下方，与纳米梁4的距离为30nm，固结在固定支座8上方；固定支座8下方固结于底板10；所述振动信号提取电源5一端通过导线与场效应晶体管9的右金属电极15相连接，另一端与信号取样电阻7连接，信号取样电阻7通过导线与场效应晶体管9的左金属电极14相连接，信号检测器6通过导线与信号取样电阻7并联；所述场效应晶体管9由源极18、漏极16、作为栅极的纳米梁4右端、金属电极以及空气介质组成；场效应晶体管9左端下方为源极18，其上端连接左金属电极14，左金属电极14通过导线与信号取样电阻7连接，信号取样电阻7与振动信号提取电源5相连接；场效应晶体管9右端下方为漏极16，上端也连接着右金属电极15，并通过导线与振动信号提取电源5相连接；场效应晶体管9中间是导电沟道17，导电沟道17正上方是纳米梁4右端，作为场效应晶体管9的栅极。
纳米梁4在交流信号激励作用下产生受迫振动；当纳米梁4上下振动时，与场效应晶体管9沟道17间的距离产生周期性变化，使场效应晶体管9源和漏之间产生与振动信号同步的周期性变化的电流，该电流流经信号取样电阻7，产生周期性变化的电压，通过信号检测器6采集该电压信号，可以检测纳米梁4的振动频率。利用扫频的方式激励纳米梁4发生共振，当纳米梁4共振时，输出电压信号值最大，采集振动电压信号，进行频谱分析，得到共振频率。
场效应晶体管9中源和漏之间的电流为： 其中μ为载流子迁移率，Z和L分别为沟道17的宽和长，Ci为介质层单位面积电容，VG是栅源电压，VD是漏源电压，VT为FET的阀值电压，Cd和Cm分别表示电容值对应的是电解质(如栅氧化层)和煤质(真空或空气)，εd为电介质中的介电常数，εm为空气中的介电常数，td为介电层厚度，a为栅与沟道17之间的距离，Φms是栅与半导体之间的功函数差，ΦF是平带电压，Qi是电介质材料中的陷阱电荷(每单位面积)，Qd是沟道17中的积累电荷。
当纳米梁4发生共振时，测量得到共振时交流驱动电源2的ωn数值，得到纳微颗粒3的质量为其中E为纳米梁4的弹性模量，l为纳米梁4的长度，mb为纳米梁4的质量，b和h分别为纳米梁4宽度和高度。
实例1：纳米梁4的密度为2773kg/m3，纳米梁4的弹性模量E为700GPa，纳米梁4的长度l为1.1μm，纳米梁4的宽度b为120nm，纳米梁4的高度为h为75nm。
纳米梁4发生共振时，测量得到共振时交流信号激励的频率为1.014GHz，纳微颗粒5的质量为3×10-19kg。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进，均应包含在本发明所述的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于FET栅位移敏感的纳微质量测量装置，包括纳米梁静电激励振动装置、振动信号检测装置两部分；纳米梁静电激励振动装置由交流驱动电源(2)、直流驱动电源(1)、纳米梁(4)、纳微颗粒(3)、静电驱动极板(12)、开关(13)和导线组成。所述纳米梁(4)左端固定，右端自由，长度、宽度和高度分别为1.1μm、120nm和75nm，纳米梁(4)用碳化硅材料制作，在下表面镀一层金金属层(11)，厚度为5nm；纳米梁(4)左半部分正下方为固定的静电驱动极板(12)，静电驱动极板(12)与底板(10)固结，长度与纳米梁(4)相同，与纳米梁(4)之间的距离为1μm；所述纳微颗粒(3)置于纳米梁(4)最右端上方，通过范德瓦耳斯力吸附在纳米梁(4)右端上表面；所述交流驱动电源(2)一端通过一根导线连接纳米梁(4)左端下侧的金金属层(11)，另一端由另一根导线连接直流驱动电源(1)，直流驱动电源(1)另一端通过导线连接开关(13)的左端，开关(13)右端通过导线连接静电驱动极板(12)；开关(13)闭合时，纳米梁(4)和静电驱动极板(12)间会产生一个交流电压信号，激励纳米梁(4)产生振动，改变交流信号的信号频率，当交流电压信号频率等于纳米梁(4)固有频率时，纳米梁(4)产生共振响应。同时，纳米梁(4)作为场效应晶体管(9)的栅极，当纳米梁(4)振动时，纳米梁(4)与场效应晶体管(9)间的电场发生变化，调控场效应晶体管(9)并使之工作于线性区，源极(18)和漏极(16)之间产生随纳米梁(4)振动的周期性电流；
振动信号检测装置由纳米梁(4)最右端正下方的场效应晶体管(9)、固定支座(8)、振动信号提取电源(5)、信号取样电阻(7)、信号检测器(6)和导线组成；场效应晶体管(9)位于纳米梁(4)最右端正下方，与纳米梁(4)的距离为30nm，固结在固定支座(8)上方；固定支座(8)下方固结于底板(10)；所述振动信号提取电源(5)一端通过导线与场效应晶体管(9)的右金属电极(15)相连接，另一端与信号取样电阻(7)连接，信号取样电阻(7)通过导线与场效应晶体管(9)的左金属电极(14)相连接，信号检测器(6)通过导线与信号取样电阻(7)并联；所述场效应晶体管(9)由源极(18)、漏极(16)、作为栅极的纳米梁(4)右端、金属电极以及空气介质组成；场效应晶体管(9)左端下方为源极(18)，其上端连接左金属电极(14)，左金属电极(14)通过导线与信号取样电阻(7)连接，信号取样电阻(7)与振动信号提取电源(5)相连接；场效应晶体管(9)右端下方为漏极(16)，上端也连接着右金属电极(15)，并通过导线与振动信号提取电源(5)相连接；场效应晶体管(9)中间是导电沟道(17)，导电沟道(17)正上方是纳米梁(4)右端，作为场效应晶体管(9)的栅极；
纳米梁(4)在交流信号激励作用下产生受迫振动；当纳米梁(4)上下振动时，与场效应晶体管(9)沟道(17)间的距离产生周期性变化，使场效应晶体管(9)源和漏之间产生与振动信号同步的周期性变化的电流，该电流流经信号取样电阻(7)，产生周期性变化的电压，通过信号检测器(6)采集该电压信号，可以检测纳米梁(4)的振动频率。利用扫频的方式激励纳米梁(4)发生共振，当纳米梁(4)共振时，输出电压信号值最大，采集振动电压信号，进行频谱分析，得到共振频率；
当纳米梁(4)发生共振时，测量得到共振时交流驱动电源(2)的ωn数值，得到纳微颗粒(3)的质量为其中E为纳米梁(4)的弹性模量，l为纳米梁(4)的长度，mb为纳米梁(4)的质量，b和h分别为纳米梁(4)宽度和高度。
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