CN108132085B - 一种基于隧道效应的纳微质量测量装置与方法 - Google Patents

一种基于隧道效应的纳微质量测量装置与方法 Download PDF

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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与方法。基于隧道效应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；当纳米梁振动时，探测尖随着纳米梁上下振动，与导电块间的距离产生周期性变化，产生与振动信号同步的周期性变化隧道电流，隧道电流流经信号取样电阻，产生周期性变化的电压，通过信号检测电路采集该电压信号，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。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

一种基于隧道效应的纳微质量测量装置与方法
技术领域
本发明专利是一种纳微质量检测装置，特别是一种用于纳微质量的测量装置，属于纳微质量检测领域。
背景技术
纳微悬臂梁是用于探测纳微质量的重要装置。为了实现更高的测量灵敏度，需要采用尺寸更小的微振子，然而如何检测微小谐振子的振动，成为制约纳微颗粒质量测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。夏一和胡小唐等设计的基于隧道效应的微位移机构具有良好的微位移特性以及纳米级精度，正反向分辨力分别优于4nm和2nm，设计的纳米级传感系统具有较高的测量精度和稳定性(夏一，基于隧道效应的纳米级传感系统的研究，天津大学硕士论文)。基于以上研究，提出一种基于隧道效应的纳微质量测量装置与方法。
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与方法。
本发明专利解决其技术问题所采用的方案是：所述基于隧道效应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信号源、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，在表面镀一层金金属层，厚度为5nm，纳米梁右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，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；所述交流信号源一端通过一根导线连接纳米梁的左端，另一端由另一根导线连接开关上端，开关下端通过导线连接静电驱动极板；开关闭合时，纳米梁和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。
所述振动信号检测装置由固结于纳米梁固定端附近下方的探测尖、导电块、电源、信号取样电阻、信号检测电路和导线组成，其特征在于：所述探测尖位于纳米梁左端下方，与固定端距离为200nm，导电块位于探测尖正下方，固结于底板，探测尖指向导电块中央位置，探测尖与导电块间的距离为1nm，探测尖由金金属做成；所述电源一端通过纳米梁金金属层与探测尖相连接，另一端与信号取样电阻连接，信号取样电阻通过导线与导电块连接，信号检测电路通过导线与信号取样电阻并联。
纳米梁在交流信号激励作用下产生受迫振动；当纳米梁振动时，探测尖随着纳米梁上下振动，与导电块间的距离产生周期性变化，产生与振动信号同步的周期性变化隧道电流，隧道电流流经信号取样电阻，产生周期性变化的电压，通过信号检测电路采集该电压信号，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。
当纳米梁发生共振时，测量得到共振时交流信号源的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，I为惯性矩，l为纳米梁的长度，mb为纳米梁的质量，b变为纳米梁的宽度，h为纳米梁的高度。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1.基于隧道效应的纳微颗粒质量测量装置，具有较高的灵敏度和分辨率。
2.静电驱动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。
附图说明
图1纳米梁纳微颗粒检测装置；
图中，1、交流信号源 2、开关 3、纳微颗粒 4、纳米梁 5、静电驱动极板 6、底板 7、探测尖 8、导电块 9、信号取样电阻 10、信号检测电路 11、电源 12、金金属层
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。所述纳米梁静电激励振动装置由交流信号源1、纳米梁4、纳微颗粒3、静电驱动极板5、开关2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12，厚度为5nm，纳米梁4右半部分正下方为固定的静电驱动极板5，静电驱动极板5与底板6固结，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；所述交流信号源1一端通过一根导线连接纳米梁4的左端，另一端由另一根导线连接开关2上端，开关2下端通过导线连接静电驱动极板5；开关2闭合时，纳米梁4和静电驱动极板5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。
所述振动信号检测装置由固结于纳米梁4固定端附近下方的探测尖7、导电块8、电源11、信号取样电阻9、信号检测电路10和导线组成，所述探测尖7位于纳米梁4左端下方，与固定端距离为200nm，导电块8位于探测尖7正下方，固结于底板6，探测尖7指向导电块8中央位置，探测尖7与导电块8间的距离为1nm，探测尖7由金金属做成；所述电源11一端通过纳米梁4金金属层12与探测尖7相连接，另一端与信号取样电阻9连接，信号取样电阻9通过导线与导电块8连接，信号检测电路10通过导线与信号取样电阻9并联。
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振动时，探测尖7随着纳米梁4上下振动，与导电块8间的距离产生周期性变化，产生与振动信号同步的周期性变化隧道电流，隧道电流流经信号取样电阻9，产生周期性变化的电压，通过信号检测电路10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信号源的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，I为惯性矩，l为纳米梁4的长度，mb为纳米梁4的质量，b变为纳米梁4的宽度，h为纳米梁4的高度。
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)

1.一种纳微质量检测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由交流信号源(1)、纳米梁(4)、纳微颗粒(3)、静电驱动极板(5)、开关(2)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(12)，厚度为5nm，纳米梁(4)右半部分正下方为固定的静电驱动极板(5)，静电驱动极板(5)与底板(6)固结，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；所述交流信号源(1)一端通过一根导线连接纳米梁(4)的左端，另一端由另一根导线连接开关(2)上端，开关(2)下端通过导线连接静电驱动极板(5)；开关(2)闭合时，纳米梁(4)和静电驱动极板(5)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；
所述振动信号检测装置由固结于纳米梁(4)固定端附近下方的探测尖(7)、导电块(8)、电源(11)、信号取样电阻(9)、信号检测电路(10)和导线组成，所述探测尖(7)位于纳米梁(4)左端下方，与固定端距离为200nm，导电块(8)位于探测尖(7)正下方，固结于底板(6)，探测尖(7)指向导电块(8)中央位置，探测尖(7)与导电块(8)间的距离为1nm，探测尖(7)由金金属做成；所述电源(11)一端通过纳米梁(4)金金属层(12)与探测尖(7)相连接，另一端与信号取样电阻(9)连接，信号取样电阻(9)通过导线与导电块(8)连接，信号检测电路(10)通过导线与信号取样电阻(9)并联；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)振动时，探测尖(7)随着纳米梁(4)上下振动，与导电块(8)间的距离产生周期性变化，产生与振动信号同步的周期性变化隧道电流，隧道电流流经信号取样电阻(9)，产生周期性变化的电压，通过信号检测电路(10)采集该电压信号，可以检测纳米梁(4)的振动频率；
对于上述纳米梁静电激励振动装置、振动信号检测装置，其特征在于：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信号源的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，I为惯性矩，l为纳米梁(4)的长度，mb为纳米梁(4)的质量，b变为纳米梁(4)的宽度，h为纳米梁(4)的高度。
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