CN111351553B - 一种基于模态局部化效应的高阶模态微质量传感器 - Google Patents

一种基于模态局部化效应的高阶模态微质量传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于模态局部化效应的高阶模态微质量传感器,属于微机电系统领域，包括第一固支梁、第二固支梁、上耦合电极Ⅰ、上耦合电极Ⅱ、下耦合电极Ⅰ、下耦合电极Ⅱ、固定电极Ⅰ、固定电极Ⅱ、耦合电压源和驱动电压源；第一固支梁两端分别通过固定端Ⅰ和固定端Ⅱ固定；第二固支梁两端分别通过固定端Ⅲ和固定端Ⅳ固定；上耦合电极Ⅰ和上耦合电极Ⅱ固定在第一固支梁的下表面两端；下耦合电极Ⅰ和下耦合电极Ⅱ固定在第二固支梁的上表面两端；第一固支梁的下表面和第二固支梁的上表面之间施加耦合电压源实现相对应的静电耦合连接；固定电极Ⅰ和固定电极Ⅱ分别与驱动电压源相连接；固定电极Ⅰ和固定电极Ⅱ固定在第二固支梁的下方,该发明结构简单，驱动方式易于调节，无需进行任何的结构优化，具有工艺简单，构型稳定易于加工等优点，因而可广泛应用在各个方面。

Description

一种基于模态局部化效应的高阶模态微质量传感器
技术领域
本发明涉及微机电系统领域尤其涉及一种基于模态局部化效应的高阶模态微质量传感器。
背景技术
MEMS谐振传感器由于尺寸小，功耗小，并且高效可靠，因此在微质量传感器上得到了广泛的应用，包括在生物分子(DNA、细胞、细菌及病毒等)的识别与检测、微小颗粒探测以及液体、气体成分与浓度的检测等方面。
虽然，降低传感器的尺寸能够增加灵敏度，但是由于制造工艺的限制所以尺寸不能够无限的减小，如何在不改变结构尺寸的条件下提高微质量传感器的灵敏度引起了众多学者的关注。Lochon等人在“An alternative solution to improve sensitivity ofresonant microcantilever chemical sensors:comparison between using high-ordermodes and reducing dimensions”(Sensors and Actuators B:Chemical,Volume 108,Issues 1–2,22July 2005,Pages 979-985)中对比了减小尺寸和采用高阶模态两种方法，结果显示两种方法都可以提高灵敏度。
近年来，一种新的灵敏度检测方式基于模态局部化现象能够大幅提升灵敏度，与传统的采用频移式作为灵敏度输出不同的是，基于模态局部化现象的传感器采用幅值比作为灵敏度输出。M.Spletzer等人在"Ultrasensitive mass sensing using modelocalization in coupled microcantilevers,"(Applied Physics Letters,vol.88,no.25,p.254102,2006)中提出了机械耦合的悬臂梁结构并采用模态局部化现象来检测质量，不同于单谐振传感器采用频率变化作为灵敏度输出，该传感采用特征值变化作为灵敏度输出，使灵敏度提升两个数量级与频率变化输出方式相比。赵纯等人在“A mass sensorbased on3-DOF mode localized coupled resonator under atmospheric pressure”(Sensors and Actuators A:Physical,2018,279:254-262.)中通过增加耦合振子的自由度，采用三个机械耦合的谐振器检测质量，结果显示与单自由度谐振器相比灵敏度提升三个数量级。模态局部化现象能够在近似对称的弱耦合系统中发现，当传感器受到小的质量扰动时将导致系统对称性破坏从而导致特征状态和幅值比的急剧变化。因其广泛的应用而逐渐受到越来越多的关注，可以检测到极其微小的质量，如DNA，癌症和生物分子。
通过文献调研发现以往对模态局部化的研究只涉及对系统在低阶模态运动的研究，不论是在微质量传感器还是加速度传感器上的应用都是激发其在低阶模态的振动来工作。而我们知道对于MEMS器件，与工作在低阶模态相比一般激发其在高阶模态运动往往具有更高的灵敏度，但是因为激发高阶模态很有挑战性，其需要很高的激励电压，这极大的限制了MEMS器件在高阶模态上的应用。因此对于利用模态局部化效应的弱耦合结构也面临同样的难点。而如何能够将模态局部化效应应用在高阶模态上来进一步的提高MEMS器件的灵敏度是一个很有意义的研究。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于模态局部化效应的高阶模态微质量传感器,包括：
第一固支梁、第二固支梁、上耦合电极Ⅰ、上耦合电极Ⅱ、下耦合电极Ⅰ、下耦合电极Ⅱ、固定电极Ⅰ、固定电极Ⅱ、耦合电压源和驱动电压源；
所述第一固支梁两端分别通过固定端Ⅰ和固定端Ⅱ固定；
所述第二固支梁两端分别通过固定端Ⅲ和固定端Ⅳ固定；
所述上耦合电极Ⅰ和所述上耦合电极Ⅱ固定在所述第一固支梁的下表面两端；
所述下耦合电极Ⅰ和所述下耦合电极Ⅱ固定在所述第二固支梁的上表面两端；
所述第一固支梁的下表面和所述第二固支梁的上表面之间施加所述耦合电压源实现相对应的静电耦合连接；
所述固定电极Ⅰ和所述固定电极Ⅱ分别与所述驱动电压源相连接；
所述固定电极Ⅰ和所述固定电极Ⅱ固定在所述第二固支梁的下方。
进一步地，所述第一固支梁的长度和所述第二固支梁的长度相等。
进一步地，所述第一固支梁宽度和所述第二固支梁的宽度相等。
进一步地，所述上耦合电极Ⅰ的长度、所述上耦合电极Ⅱ的长度、所述下耦合电极Ⅰ的长度和所述下耦合电极Ⅱ的长度相等；所述上耦合电极Ⅰ的长度等于所述第二固支梁长度的三分之一。
进一步地，所述上耦合电极Ⅰ的宽度、所述上耦合电极Ⅱ的宽度、所述下耦合电极Ⅰ的宽度和所述下耦合电极Ⅱ的宽度相等。
进一步地，所述固定电极Ⅰ的长度和固定电极Ⅱ的长度均等于所述第二固支梁长度的三分之一；所述固定电极Ⅰ的宽度和所述固定电极Ⅱ的宽度均等于所述第二固支梁的宽度。
进一步地，所述固定电极Ⅰ、所述固定电极Ⅱ与所述第二固支梁之间的距离小于等于所述第二固支梁与所述第一固支梁之间的距离。
进一步地，所述固定电极Ⅰ和所述固定电极Ⅱ由所述驱动电压源产生的交流电和直流电共同驱动。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种基于模态局部化效应的高阶模态微质量传感器，可以被广泛用于化学和生物领域进行微小物质的检测，例如病毒，生物分子，蛋白质组织，DNA等物质的质量测量；采用两个等长的两固支梁构成并通过静电进行耦合，具有耦合强度易于调节的特点，仅通过电压调节就可以改变固支梁之间的耦合强度；本发明的结构采用局部静电驱动来激发耦合结构能够在高阶模态大幅振动；又从理论角度出发，验证了在高阶模态振动的可行性，以幅值比作为作为评价指标，高阶模态灵敏度相较于在一阶灵敏度提高了15倍，与传统的频移式输出相比灵敏度提升4000倍以上，该发明结构简单，驱动方式易于调节，无需进行任何的结构优化，具有工艺简单，构型稳定易于加工等优点，因而可广泛应用在各个方面。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于模态局部化效应的高阶模态微质量传感器模型示意图；
图2为全局驱动的基于模态局部化效应的传感器；
图3为本发明在只有偏置电压作用下的特征值变化；
图4为本发明的第一固支梁与图2所示传感器的第三固支梁在同样驱动力和耦合静电力下的幅频特性图比较图；
图5为本发明的第二固支梁与图2所述传感器的第四固支梁在同样驱动力和耦合静电力下的幅频特性图比较图；
图6(a)为本发明在耦合电压为10V时，处于低阶模态振动下平衡状态下的幅频特性图；
图6(b)为本发明在耦合电压为10V时，处于低阶模态振动下平衡状态下的相频特性图；
图7(a)为本发明在耦合电压为10V时，处于高阶模态振动下平衡状态下的幅频特性图；
图7(b)为本发明在耦合电压为10V时，处于高阶模态振动下平衡状态下的相频特性图；
图8(a)为本发明在耦合电压为10V时，不同模态的幅值比在同相变化下的对比图；
图8(b)为本发明在耦合电压为10V时，不同模态的幅值比在异相变化下的对比图；
图8(c)为本发明在耦合电压为10V时，不同模态的频率在同相变化下的对比图；
图8(d)为本发明在耦合电压为10V时，不同模态的频率在异相变化下的对比图。
图中：1-1、固定端Ⅰ，1-2、固定端Ⅱ，1-3、固定端Ⅲ，1-4、固定端Ⅳ，2、第一固支梁，3、第二固支梁，4-1、下耦合电极Ⅰ，4-2、下耦合电极Ⅱ，5-1、上耦合电极Ⅰ，5-2、上耦合电极Ⅱ，6-1、固定电极Ⅰ，6-2、固定电极Ⅱ，7、驱动电压源，8、耦合电压源，9、第三固支梁，10、第四固支梁。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清晰，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的部分实施例而不是全部的实施例。本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明基于模态局部化效应的高阶模态微质量传感器模型示意图，一种基于模态局部化效应的高阶模态微质量传感器,包括第一固支梁2、第二固支梁3、上耦合电极Ⅰ5-1、上耦合电极Ⅱ5-2、下耦合电极Ⅰ4-1、下耦合电极Ⅱ4-2、固定电极Ⅰ6-1、固定电极Ⅱ6-2、驱动电压源7和耦合电压源8；
所述第一固支梁2的两端分别通过固定端Ⅰ1-1和固定端Ⅱ1-2固定；
所述第二固支梁3的两端分别通过固定端Ⅲ1-3和固定端Ⅳ1-4固定；
所述上耦合电极Ⅰ5-1和所述上耦合电极Ⅱ5-2固定在所述第一固支梁2的下表面两端；
所述下耦合电极Ⅰ4-1和所述下耦合电极Ⅱ4-2固定在所述第二固支梁3的上表面两端；
所述第一固支梁2的下表面和所述第二固支梁3的上表面之间施加所述耦合电压源8实现相对应静电耦合连接；
所述固定电极Ⅰ6-1和所述固定电极Ⅱ6-2分别与所述驱动电压源7相连接；
所述固定电极Ⅰ6-1和所述固定电极Ⅱ6-2固定分别固定在所述第二固支梁3下方。
进一步地,所述第一固支梁2的长度和所述第二固支梁3的长度相等。
进一步地,所述第一固支梁2的宽度和所述第二固支梁3的宽度相等。
进一步地,所述上耦合电极Ⅰ5-1的长度、所述上耦合电极Ⅱ5-2的长度、所述下耦合电极Ⅰ4-1的长度和所述下耦合电极Ⅱ4-2的长度相同；所述上耦合电极Ⅰ5-1的长度等于所述第二固支梁长度2的三分之一。
进一步地，所述上耦合电极Ⅰ5-1的宽度、所述上耦合电极Ⅱ5-2的宽度、所述下耦合电极Ⅰ4-1的宽度和所述下耦合电极Ⅱ4-2的宽度相等。
进一步地，所述固定电极Ⅰ6-1的长度和固定电极Ⅱ6-2的长度均等于所述第二固支梁3长度的三分之一；所述固定电极Ⅰ6-1的宽度和所述定固定电极Ⅱ6-2的宽度均等于所述第二固支梁3的宽度。
进一步地：所述固定电极Ⅰ6-1、所述固定电极Ⅱ6-2与所述第二固支梁3之间的距离小于等于所述第二固支梁3与所述第一固支梁2之间的距离。
进一步地：所述固定电极Ⅰ6-1和所述固定电极Ⅱ6-2由所述驱动电压源Ⅰ7产生的交流电和直流电共同驱动。
图2为全局驱动的基于模态局部化效应的传感器，图2中第三固支梁9第四固支梁10，两个固支梁之间的静电耦合作用面积为整个梁的表面积且整个第四固支梁10都受到固定电极的驱动，与图2所示的传感器相比本发明采用的局部驱动和局部静电进行耦合，这样能够在同样的驱动力下实现更高的激励幅值，因此具有更高的分辨率，图3为本发明在只有偏置电压作用下的特征值变化，按照本发明结构参数表1中的尺寸时，只有直流偏置电压作用下的特征值变化情况，横坐标为偏置电压(V),纵坐标为频率(KHz)。其中，ωi,j表示固有频率，i代表第i个固支梁，j表示第j阶固有频率。
表1微质量传感器结构参数
Figure BDA0002414520770000061
本发明基于高阶模态振动的微质量传感器结构是对称结构，因此，反对称模态(例如二阶模态)并不能被激起，而所提出的结构能够激发其在三阶模态附近振动。当在同样的激振力作用下，对比本发明所提局部驱动结构和基于模态局部化效应的传感器结果，图4为本发明的第一固支梁2与图2所示传感器的第三固支梁9在同样驱动力和耦合静电力下的幅频特性图比较图；
图5为本发明的第二固支梁3与图2所述传感器的第四固支梁10在同样驱动力和耦合静电力下的幅频特性图比较图；
在第一固支梁2和第二固支梁3上，局部驱动结构具有更大的幅值，这样能够提高传感器的分辨率；
通过在下耦合电极Ⅰ4-1、下耦合电极Ⅱ4-2，上耦合电极Ⅰ5-1，上耦合电极Ⅱ5-2之间施加耦合电压Vc＝10V，在没有质量扰动时，先选择驱动电压源中交流电大小为Vac＝0.02V，然后不断调节驱动电压源Ⅰ7中直流电Vdc使系统处于平衡状态，这里Vdc＝1V，此时两固支梁的幅值相同。
图6(a)为本发明在耦合电压为10V时，处于低阶模态振动下平衡状态下的幅频特性图；图7(a)为本发明在耦合电压为10V时，处于高阶模态振动下平衡状态下的幅频特性图，图6(a)和图7(a)分别是激发该系统在低阶模态和高阶模态振动下的幅频特性图。
图6(b)为本发明在耦合电压为10V时，处于低阶模态振动下平衡状态下的相频特性图，图7(b)为本发明在耦合电压为10V时，处于高阶模态振动下平衡状态下的相频特性图，如图6(b)和图7(b)表示不论是在低阶模态还是高阶模态，该传感器的幅频特性都分别包括同相和异相模态，本发明分别对处于同相和异相振动下的灵敏度情况做了研究，
图8(a)为本发明在耦合电压为10V时，不同模态的幅值比在同相变化下的对比图；图8(b)为本发明在耦合电压为10V时，不同模态的幅值比在异相变化下的对比图；图8(c)为本发明在耦合电压为10V时，不同模态的频率在同相变化下的对比图；图8(d)为本发明在耦合电压为10V时，不同模态的频率在异相变化下的对比图，显示不论是低阶模态还是高阶模态下，当以相对幅值比作为灵敏度输出时其在异相振动下灵敏度更高。
由于频率是一种有单位(Hz)的量纲，而振幅比是无单位量纲，因此在比较频率灵敏度和振幅比灵敏度的时候，我们定义了相对灵敏度，相对频率变化和相对振幅比变化的灵敏度可以分别表示为：
Figure BDA0002414520770000071
Figure BDA0002414520770000072
这里Sω和Sa分别表示基于谐振频率和振幅比的偏移的灵敏度，ω0 i,j是j阶模态下固支梁i在平衡状态的频率,ωi,j是j阶模态下固支梁i在添加质量后的频率,w2,j,w3,j是j阶模态添加质量后第一固支梁2和第二固支梁3的幅值变化，w2,j 0,w3,j 0分别是j阶模态平衡状态下的第一固支梁2和第二固支梁3的幅值。
鉴于图8(a)、图8(b)、图8(c)和图8(d)，在第一固支梁2中间添加不同的扰动质量下不同固有频率下的频率相对变化和振幅比的相对变化情况，与传统的以频率相对变化作为灵敏度输出相比(因为以第一固支梁2和第二固支梁3的频率输出下灵敏度基本相等，所以图8中相对频率变化的输出结果是以第一固支梁2为对象)，振幅比作为灵敏度输出方式可以大幅提高质量传感器的灵敏度，同样的质量扰动下，灵敏度可以提升3个数量级以上。而通过将传感器激发其在高阶模态振动能够得到超高的灵敏度，对比第二固支梁3的幅值比变化下的三阶模态振动与一阶模态振动下的灵敏度可知灵敏度提升15.23倍。表2为本发明实施方式中，通过调节耦合电极间的电压来实现传感器灵敏度的在线调整。当耦合电压等于15V时，输出幅值比39.07，当调节耦合电压为9V时，输出幅值比可达225.94，可以发现，仅仅通过改变耦合强度就能很方便的实现灵敏度大幅提高。
表2高阶模态下不同耦合强度下幅值比相对变化
耦合电压 输出幅值比
9V 225.94
12V 78.51
15V 39.07
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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于模态局部化效应的高阶模态微质量传感器,其特征在于:包括，
第一固支梁、第二固支梁、上耦合电极Ⅰ、上耦合电极Ⅱ、下耦合电极Ⅰ、下耦合电极Ⅱ、固定电极Ⅰ、固定电极Ⅱ、耦合电压源和驱动电压源；
所述第一固支梁两端分别通过固定端Ⅰ和固定端Ⅱ固定；
所述第二固支梁两端分别通过固定端Ⅲ和固定端Ⅳ固定；
所述上耦合电极Ⅰ和所述上耦合电极Ⅱ固定在所述第一固支梁的下表面两端；
所述下耦合电极Ⅰ和所述下耦合电极Ⅱ固定在所述第二固支梁的上表面两端；
所述第一固支梁的下表面和所述第二固支梁的上表面之间施加所述耦合电压源实现相对应的静电耦合连接；
所述固定电极Ⅰ和所述固定电极Ⅱ分别与所述驱动电压源相连接；
所述固定电极Ⅰ和所述固定电极Ⅱ固定在所述第二固支梁的下方；
所述第一固支梁的长度和所述第二固支梁的长度相等；
所述第一固支梁宽度和所述第二固支梁的宽度相等；
所述上耦合电极Ⅰ的长度、所述上耦合电极Ⅱ的长度、所述下耦合电极Ⅰ的长度和所述下耦合电极Ⅱ的长度相等；所述上耦合电极Ⅰ的长度等于所述第二固支梁长度的三分之一；
所述上耦合电极Ⅰ的宽度、所述上耦合电极Ⅱ的宽度、所述下耦合电极Ⅰ的宽度和所述下耦合电极Ⅱ的宽度相等；
所述固定电极Ⅰ的长度和固定电极Ⅱ的长度均等于所述第二固支梁长度的三分之一；所述固定电极Ⅰ的宽度和所述固定电极Ⅱ的宽度均等于所述第二固支梁的宽度。
2.根据权利要求书1所述的一种基于模态局部化效应的高阶模态微质量传感器，其特征在于：所述固定电极Ⅰ、所述固定电极Ⅱ与所述第二固支梁之间的距离小于等于所述第二固支梁与所述第一固支梁之间的距离。
3.根据权利要求书1所述的一种基于模态局部化效应的高阶模态微质量传感器，其特征在于：所述固定电极Ⅰ和所述固定电极Ⅱ由所述驱动电压源产生的交流电和直流电共同驱动。
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