CN108344900B - 基于模态局部化效应的大量程室温单电子分辨率静电计 - Google Patents

基于模态局部化效应的大量程室温单电子分辨率静电计 Download PDF

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本发明公开了一种基于模态局部化效应的大量程室温单电子分辨率静电计，属于微传感器技术领域。它基于多自由度弱耦合谐振器的模态局部化效应，通过检测两侧弱耦合谐振器的振幅比变化来检测输入电荷量。其包括谐振器Ⅰ201、谐振器Ⅲ203，谐振器Ⅰ201通过弹簧Ⅱ204与固定锚点连接；谐振器Ⅲ203通过弹簧Ⅲ207与固定锚点连接。其特征在于，还包括谐振器Ⅱ202，所述谐振器Ⅰ201与谐振器Ⅱ202通过耦合梁Ⅰ205连接，所述谐振器Ⅱ202与谐振器Ⅲ203通过耦合梁Ⅱ206连接，谐振器Ⅱ202通过弹簧Ⅱ208与固定锚点连接。本发明d的静电计不仅能够在室温下进行工作，而且具有数百万个电子的动态测量范围，能够同时实现室温条件下工作，大动态测量范围以及单电子分辨率的测量水平。

Description

基于模态局部化效应的大量程室温单电子分辨率静电计
所属领域：
本发明涉及一种基于模态局部化效应的大量程室温单电子分辨率静电计，属于微传感器技术领域。
背景技术：
静电计是一种能够测量电荷量或微弱电势差的电子仪器，其历史最早可追溯到1748年法国诺雷发明的金箔验电器。该仪器主要作用是测定物体所带电荷量的有无，尚无法准确测量电荷量的多少。而随后出现了布劳恩静电计、开尔文静电计等传统的机械式静电计，分辨率最高能达到pC量级，但是已难以满足当今生产与科研中的应用需求，而且它们体积庞大，进一步限制了其应用场合。
在现代静电计的设计研究中，微型静电计的研制占据了主导地位。目前已报道的且被公认为分辨率最高的微型静电计是基于超低温环境下超导型金属隧穿结处的库伦阻塞效应所制成的纳米单电子分辨率晶体管静电计。目前单电子分辨率晶体管静电计的分辨率可达到4×10-6e/√Hz。但由于该单电子晶体管需要依托于实验室中创造的极低温环境(低于0.3K)进行工作。因此，虽然其具有检测单个电子的能力，却难以真正地作为“静电计”在实际运用中得以使用。欲真正地使静电计能够获得广泛的应用，则必须要使其同时具备大动态测量范围、高分辨率以及在室温条件下工作的能力等三个条件。而针对室温条件下工作的高分辨率微型静电计，2013年，G.A.Steele等人利用场效应管成功研制了室温下分辨率最高的静电计，其分辨率为：2ⅹ10-4e/√Hz。但是这种纳米场效应管静电计有着一个十分明显的缺点，即动态测量范围仅能够达到数个电子，因此该类场效应管静电计作为一种测量仪器仍然有着显著的缺陷。
2008年，J.Lee等人在“An Axial Strain Modulated Double Ended Tuning ForkElectrometer”一文中提出了一种微机械谐振式静电计。该谐振式静电计包括一个可加载电荷的门电极、一个单自由度谐振器；当有外部电荷输入时，门电极和谐振器之间由于静电吸引作用会在谐振器的弹性梁上产生轴向应力，该轴向应力会改变谐振梁的刚度，从而改变谐振器的谐振频率，通过检测谐振频率的变化量就可以得到此时加载在门电极上的电荷量。这种静电计可在室温下工作，且动态测量范围大，达到100万个电子。但是这种静电计灵敏度低，且分辨率仅为25000e/√Hz。之后，为提高微机械谐振式静电计的灵敏度与分辨率，A.A.Seshia等人在2010年A.A.Seshia等人在“Ultrasensitive Mode-LocalizedMicromechanical Electrometer”一文中首次将模态局部化效应应用于微机械谐振式静电计中，取得了相比于传统谐振式静电计更高的灵敏度。2016年，张和民等人在“A High-Sensitive Resonant Electrometer Based on Mode Localization of the WeaklyCoupled Resonators”一文中，通过优化弱耦合谐振器的结构、增加调节电极等方法设计出一款基于模态局部化效应的超高灵敏度静电计，其灵敏度比先前Seshia等人研制的基于模态局部化效应的静电计高200多倍，分辨率为8000e/√Hz，动态测量范围为100万电子。这两种基于模态局部化效应的静电计都可以等效地看作是一个如图1所示的具有两个谐振器的全对称双自由度谐振系统。在该双自由度谐振系统中，当其中一个谐振器的物理性质(刚度或质量)受到微弱干扰时，两个谐振器的振幅比会发生明显变化，且振幅比变化率远大于谐振频率变化率。
综合上述对静电计的研究，到目前为止，还没有一种静电计能够同时实现室温工作、大动态测量范围以及单电子分辨率。
发明内容：
本发明提出了一种基于模态局部化效应的大量程室温单电子分辨率静电计，它基于多自由度弱耦合谐振器的模态局部化效应，通过检测两侧弱耦合谐振器的振幅比变化来检测输入电荷量。
所述的基于模态局部化效应的大量程室温单电子分辨率静电计，其等效模型如图2所示，包括谐振器Ⅰ201、谐振器Ⅲ203，谐振器Ⅰ201通过弹簧Ⅱ204与固定锚点连接；谐振器Ⅲ203通过弹簧Ⅲ207与固定锚点连接。其特征在于，还包括谐振器Ⅱ202，所述谐振器Ⅰ201与谐振器Ⅱ202通过耦合梁Ⅰ205连接，所述谐振器Ⅱ202与谐振器Ⅲ203通过耦合梁Ⅱ206连接，谐振器Ⅱ202通过弹簧Ⅱ208与固定锚点连接。
本发明给出了所述静电计的一种典型的具体结构形式：该基于模态局部化效应的大量程室温单电子分辨率静电计，包含三个由上到下水平放置并且相互平行的谐振器：谐振器Ⅰ301、谐振器Ⅱ302、谐振器Ⅲ303，其中谐振器Ⅱ302位于谐振器Ⅰ301与谐振器Ⅲ303的中间。谐振器Ⅰ301与谐振器Ⅲ303具有相同的刚度K,且谐振器Ⅱ302的刚度K2大于谐振器Ⅰ301、谐振器Ⅲ303的刚度10倍以上。谐振器Ⅰ301、谐振器Ⅱ302通过左右两侧的耦合梁Ⅰ304与耦合梁Ⅱ310连接，且耦合梁Ⅰ304与耦合梁Ⅱ310相互平行并与谐振器Ⅰ301、谐振器Ⅱ302相互垂直；谐振器Ⅱ302、谐振器Ⅲ303通过左右两侧的耦合梁Ⅲ305与耦合梁Ⅳ309连接，且耦合梁Ⅲ305与耦合梁Ⅳ309相互平行并与谐振器Ⅱ302、谐振器Ⅲ303相互垂直。所述的耦合梁Ⅰ304、耦合梁Ⅱ310、耦合梁Ⅲ305以及耦合梁Ⅳ309具有相同的刚度KC，且该刚度KC是谐振器Ⅰ301与谐振器Ⅲ303的刚度K的百分之一到千分之一。所述静电计包含有两个2个驱动电极：驱动电极Ⅰ313与驱动电极Ⅱ306，其中驱动电极Ⅰ313于谐振器Ⅰ301的上方水平放置；驱动电极Ⅱ306于谐振器Ⅲ303的下方水平放置，通过在驱动电极Ⅰ313与驱动电极Ⅱ306上施加交流电压，为谐振器Ⅰ301、谐振器Ⅱ302与谐振器Ⅲ303提供驱动力并使三个谐振器振动。检测电极Ⅰ311位于谐振器Ⅰ301与谐振器Ⅱ302的中间并与谐振器Ⅰ301平行，用以检测谐振器Ⅰ301的运动振幅大小；检测电极Ⅱ308位于谐振器Ⅱ302与谐振器Ⅲ303的中间并与谐振器Ⅲ303平行，用以检测谐振器Ⅲ303的运动振幅大小。待测电荷由位于谐振器Ⅰ301上方的电荷输入电极Ⅰ307与电荷输入电极Ⅱ312输入，并对谐振器Ⅰ301通过静电力产生刚度扰动。
本发明的有益效果：提供一种基于模态局部化效应大量程室温单电子分辨率静电计。所述静电计不仅能够在室温下进行工作，而且具有数百万个电子的动态测量范围。相比于先前的基于模态局部化效应的二自由度弱耦合谐振式静电计，所述的静电计具有一个额外的谐振器可进行振动能量的传递，使灵敏度提高4K(K2/K-1)/Kc倍。因所述的静电计中，谐振器Ⅱ302的刚度K2是谐振器Ⅰ301、谐振器Ⅲ303刚度K的10倍以上，且耦合梁Ⅰ304、耦合梁Ⅱ310、耦合梁Ⅲ305、耦合梁Ⅳ309的刚度KC是谐振器Ⅰ301与谐振器Ⅲ303刚度K的百分之一到千分之一，故所述静电计能够进一步将静电计灵敏度提升3到4个数量级。且静电计分辨率为静电计噪声与静电计灵敏度的比值，所述的三自由度弱耦合谐振式静电计因其极高的分辨率能够获得单电子分辨率的电荷检测水平。综上，所述的一种基于模态局部化效应大量程室温单电子分辨率静电计能够同时实现室温条件下工作，大动态测量范围以及单电子分辨率的测量水平。
附图说明：
图1是基于模态局部化效应的二自由度弱耦合谐振式静电计的等效示意图。
图2是基于模态局部化效应的大量程室温单电子分辨率静电计结构的等效示意图。
图3是基于模态局部化效应的大量程室温单电子分辨率静电计结构示意图。
图4是实施例中基于模态局部化效应的大量程室温单电子分辨率静电计的三维结构与尺寸标识图。
图5是实施例中基于模态局部化效应的大量程室温单电子分辨率静电计的检测方法示意图。
图6是实施例中基于模态局部化效应的大量程室温单电子分辨率静电计振幅的幅频响应曲线。
图中：
101-弹簧Ⅰ，102-谐振器Ⅰ，103-弹簧Ⅱ，104-谐振器Ⅱ，105-耦合梁Ⅰ。
201-谐振器Ⅰ，202-谐振器Ⅱ，203-谐振器Ⅲ，204-弹簧Ⅰ，205-耦合梁Ⅰ，206-耦合梁Ⅱ，207-弹簧Ⅲ，208-弹簧Ⅱ。
301-谐振器Ⅰ，302-谐振器Ⅱ，303-谐振器Ⅲ，304-耦合梁Ⅰ，305-耦合梁Ⅲ，306-驱动电极Ⅱ，307-电荷输入电极Ⅰ，308-检测电极Ⅱ，309-耦合梁Ⅳ，310-耦合梁Ⅱ，311-检测电极Ⅰ，312-电荷输入电极Ⅱ，313-驱动电极Ⅰ。
401-谐振器Ⅰ，402-谐振器Ⅱ，403-谐振器Ⅲ，404-耦合梁Ⅰ，405-耦合梁Ⅲ，406-驱动电极Ⅱ，407-电荷输入电极Ⅰ，408-检测电极Ⅱ，409-耦合梁Ⅳ，410-耦合梁Ⅱ，411-检测电极Ⅰ，412-电荷输入电极Ⅱ，413-驱动电极Ⅰ。
501-待测电荷源，502-交流扫频驱动电压，503-直流偏置电压，504-跨阻放大器Ⅰ,505-跨阻放大器Ⅱ,506-动态信号分析仪。
具体实施方式：
图4出示了基于模态局部化效应的大量程室温单电子分辨率静电计的三维结构图。图中，谐振器Ⅰ401与谐振器Ⅲ403具有相同的结构参数：横梁长度LR为1000微米，宽度WR为30微米。谐振器Ⅰ401与谐振器Ⅲ403的刚度均为98N/m。谐振器Ⅱ402的长Lm为600微米，宽Wm为400微米。谐振器Ⅱ402的刚度为1000N/m。耦合梁Ⅰ404、耦合梁Ⅱ410、耦合梁Ⅲ405以及耦合梁Ⅳ409具有相同的结构参数：长Lc为250微米，宽Wc为10微米，每个耦合梁的刚度均为0.5N/m。电荷输入电极Ⅰ407与电荷输入电极Ⅱ412与谐振器Ⅰ401所构成的平板电容长度Li均为200微米。图4中所有结构的材料均为硅，且所有结构的厚度H均为30um。
图5是实施例中基于模态局部化效应的大量程室温单电子分辨率静电计的检测方法示意图。待测电荷源501与所述静电计的电荷输入电极Ⅰ407与电荷输入电极Ⅱ412相连。交流扫频驱动电压502与驱动电极Ⅰ413、驱动电极Ⅱ406相连接。直流偏置电压503与谐振器Ⅱ402相连接。跨阻放大器Ⅰ504、跨阻放大器Ⅱ505分别与检测电极Ⅰ411以及检测电极Ⅱ408。跨阻放大器Ⅰ504、跨阻放大器Ⅱ505的输出信号接入动态信号分析仪506。
使用所述静电计进行电荷检测的具体步骤为：
第一步，按照图5所示，将待测电荷源501、交流扫频驱动电压502、直流偏置电压503、跨阻放大器Ⅰ504、跨阻放大器Ⅱ505与所述静电计相连接。通过动态信号分析仪506得到所述静电计中谐振器Ⅰ401与谐振器Ⅲ403振幅的幅频响应曲线。以图6为例。谐振器Ⅰ401与谐振器Ⅲ403均具有两个谐振峰值，谐振器Ⅰ401：X11与X12；谐振器Ⅲ403：X31与X32。选择每个谐振器的第一个谐振峰值计算振幅比U＝X11/X31
第二步，将该振幅比U带入公式(1)，由于K、K2、KC均为已知参数，所以可以求得谐振器的刚度变化量Δk。
Figure BDA0001544562710000061
第三步，将求得的刚度变化量Δk带入公式(2)，可求得引起该刚度变化的待测电荷量q的值。其中ε0表示真空介电常数。
Figure BDA0001544562710000062

Claims (1)

1.一种基于模态局部化效应的大量程室温单电子分辨率静电计，其特征在于，包括三个由上到下水平放置并且相互平行的谐振器：谐振器Ⅰ（301）、谐振器Ⅱ（302）、谐振器Ⅲ（303），其中谐振器Ⅱ（302）位于谐振器Ⅰ（301）与谐振器Ⅲ（303）的中间；谐振器Ⅰ（301）与谐振器Ⅲ（303）具有相同的刚度K,且谐振器Ⅱ（302）的刚度K2大于谐振器Ⅰ（301）、谐振器Ⅲ（303）的刚度10倍以上；谐振器Ⅰ（301）、谐振器Ⅱ（302）通过左右两侧的耦合梁Ⅰ（304）与耦合梁Ⅱ（310）连接，且耦合梁Ⅰ（304）与耦合梁Ⅱ（310）相互平行并与谐振器Ⅰ（301）、谐振器Ⅱ（302）相互垂直；谐振器Ⅱ（302）、谐振器Ⅲ（303）通过左右两侧的耦合梁Ⅲ（305）与耦合梁Ⅳ（309）连接，且耦合梁Ⅲ（305）与耦合梁Ⅳ（309）相互平行并与谐振器Ⅱ（302）、谐振器Ⅲ（303）相互垂直；所述的耦合梁Ⅰ（304）、耦合梁Ⅱ（310）、耦合梁Ⅲ（305）以及耦合梁Ⅳ（309）具有相同的刚度KC，且该刚度KC是谐振器Ⅰ（301）与谐振器Ⅲ（303）的刚度K的百分之一到千分之一；所述静电计包含有两个2个驱动电极：驱动电极Ⅰ（313）与驱动电极Ⅱ（306），其中驱动电极Ⅰ（313）于谐振器Ⅰ（301）的上方水平放置；驱动电极Ⅱ（306）于谐振器Ⅲ（303）的下方水平放置，通过在驱动电极Ⅰ（313）与驱动电极Ⅱ（306）上施加交流电压，为谐振器Ⅰ（301）、谐振器Ⅱ（302）与谐振器Ⅲ（303）提供驱动力并使三个谐振器振动；检测电极Ⅰ（311）位于谐振器Ⅰ（301）与谐振器Ⅱ（302）的中间并与谐振器Ⅰ（ 301）平行，用以检测谐振器Ⅰ（301）的运动振幅大小；检测电极Ⅱ（308）位于谐振器Ⅱ（302）与谐振器Ⅲ（303）的中间并与谐振器Ⅲ（303）平行，用以检测谐振器Ⅲ（303）的运动振幅大小；待测电荷由位于谐振器Ⅰ（301）上方的电荷输入电极Ⅰ（307）与电荷输入电极Ⅱ（312）输入，并对谐振器Ⅰ（301）通过静电力产生刚度扰动。
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