CN112595393A - 一种不同阶模态耦合的模态局部化微质量传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种不同阶模态耦合的模态局部化微质量传感器，属于微机电系统技术领域，包括：厚度不等的第一固支梁和第二固支梁；第一固定端对称分布于第一固支梁两端，第二固定端对称分布于第二固支梁两端；上耦合电极固定在第一固支梁的下表面，下耦合电极固定在第二固支梁的上表面；上耦合电极与下耦合电极之间由直流电压构成静电耦合；第一固支梁由驱动电源通过驱动电极驱动；当调节第一固支梁和第二固支梁的厚度为预设值，并通过驱动电压对第一固支梁驱动以及耦合电压产生静电耦合时，第一固支梁工作在三阶模态，第二固支梁工作在二阶模态。相较于传统的激励一阶模态的传感器，本发明的灵敏度更高，可用于检测病毒、蛋白质、化学药品等物质。

Description

一种不同阶模态耦合的模态局部化微质量传感器
技术领域
本发明涉及微机电传感器技术领域，具体而言，尤其涉及一种不同阶模态耦合的模态局部化效应微质量传感器。
背景技术
MEMS质量传感器，由于其体积小、灵敏度高、可批量生产等优点被广泛的研究以及应用。目前，已经有学者使用MEMS质量传感器完成了对气体分子、蛋白质、化学药品等微小物质的检测。
MEMS质量传感器可分为静态检测和动态检测两种方式。其中，静态检测是根据器件中检测梁的静态挠度进行检测，这种方式要求检测梁的刚度足够小，才能保证产生能够被检测到的位移。显然这种方式会使检测梁的尺寸变小，造成制造难度变大、检测不稳定、器件易损坏等缺点。动态检测一般通过交变电压使检测梁振动，当检测物吸附在检测梁上，检测梁的谐振频率会发生改变，从而达到检测微小质量的目的。动态检测的方式由于不要求检测梁有非常小的尺寸，并且灵敏度更高，近年来被广泛应用。
但上述静态检测或动态检测的方式，均使用单自由度检测梁的方式，它们都存在以下问题：首先，微机械加工工艺与单晶硅的材料特性限制了谐振梁的长宽比不能太大，从而限制了微质量传感器的灵敏度；其次，硅材料的杨氏模量受到温度影响较大，检测过程中会产生温度漂移的问题，这对微质量产生的微小信号来说是致命的。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种不同阶模态耦合的模态局部化微质量传感器，通过分布式的电极以及调整谐振梁的厚度使弱耦合谐振器工作在不同阶模态耦合的情况下，相比于一阶模态耦合具有更高的灵敏度，可用于检测气体分子、病毒、生物分子等。
本发明采用的技术方案如下：
一种不同阶模态耦合的模态局部化微质量传感器，包括：厚度不等的第一固支梁(3)和第二固支梁(6)；
第一固定端(1)对称分布于所述第一固支梁(3)两端，第二固定端(8)对称分布于所述第二固支梁(6)两端；
上耦合电极(2)固定在所述第一固支梁(3)的下表面，下耦合电极(7)固定在所述第二固支梁(6)的上表面；所述上耦合电极(2)与所述下耦合电极(7)之间由直流电压构成静电耦合；
所述第一固支梁(3)由驱动电源(5)通过驱动电极(4)驱动；
当调节所述第一固支梁(3)和所述第二固支梁(6)的厚度为预设值，并通过驱动电极(4)对第一固支梁(3)驱动以及上耦合电极(2)与下耦合电极(7)产生静电耦合时，所述第一固支梁(3)工作在三阶模态，第二固支梁(6)工作在二阶模态。
进一步地，所述第二固支梁(6)与第一固支梁(3)的长度相同，所述第二固支梁(6)的厚度大于所述第一固支梁(3)，根据驱动电压及耦合电压确定所述第二固支梁(6)与所述第一固支梁(3)的厚度之比。
进一步地，驱动电极(4)的长度为固支梁(3)长度的1/2，并分布在所述第一固支梁(3)的右端。
进一步地，上耦合电极(2)的长度为第一固支梁(3)长度的1/10，所述上耦合电极(2)位于所述第一固支梁(3)的左端，与左侧第一固定端(1)的距离为1/5第一固支梁(3)的长度；
下耦合电极(7)的长度与上耦合电极(2)的长度相同，所述下耦合电极(7)位于所述第二固支梁(6)的左端，与左端第二固定端(8)的距离为1/5第二固支梁(6)的长度。
进一步地，第一固支梁(3)、第二固支梁(6)、驱动电极(4)、上耦合电极(2)以及下耦合电极(7)的宽度相同。
进一步地，所述第一固支梁(3)、所述第二固支梁(6)之间的间隙与所述第一固支梁(3)、驱动电极(4)之间的间隙相等。
进一步地，驱动电极(4)完全固定，驱动电源(5)为直流电压与交流电压共同驱动的电压源。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明通过不同厚度的谐振梁，使第一固支梁的刚度小于第二固支梁的刚度，由此两固支梁具有不同的固有频率。当厚度比为预设值时，第一固支梁的三阶模态与第二固支梁的二阶模态固有频率接近，并使用分布式的电极产生静电负刚度，调节两固支梁的固有频率完全一致。同时分布式的电极使两固支梁分别在二阶模态及三阶模态工作时的振幅增加，实现了二阶模态与三阶模态耦合，显著提高了微质量传感器的灵敏度，与一阶模态相比灵敏度提高了20倍。
2、本发明可通过调节驱动电压以及耦合电压使传感器有不同的灵敏度。
3、本发明利用模态局部化现象，经过研究分析，与传统谐振式微质量传感器相比灵敏度提高了三个数量级。
综上所述，本发明提供的不同阶模态耦合的模态局部化微质量传感器，通过分布式的电极与不同厚度的谐振梁使传感器实现了二阶模态与三阶模态的耦合，具有灵敏度高，检测范围可调整等优点。基于上述理由本发明在微质量检测领域具有广泛的应用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中不同阶模态耦合的模态局部化微质量传感器结构示意图；
图2为本发明实施例中不同阶模态耦合的模态局部化微质量传感器在不同第二固支梁厚度下的模态转变点示意图；
图3为本发明实施例中不同阶模态耦合的模态局部化微质量传感器一阶耦合动态响应示意图；
图4为本发明实施例中不同阶模态耦合的模态局部化微质量传感器二阶与三阶耦合动态响应示意图；
图5为本发明实施例中不同阶模态耦合的模态局部化微质量传感器二阶与三阶耦合在附加0.5pg质量之后的动态响应示意图；
图6为本发明实施例中不同阶模态耦合的模态局部化微质量传感器两种耦合方式灵敏度对比图；
图中：1、第一固定端；2、上耦合电极；3、第一固支梁；4、驱动电极；5、驱动电源；6、第二固支梁；7、下耦合电极；8、第二固定端。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
发明人研究发现，随着模态局部化效应在MEMS谐振器领域的引入，以谐振梁振幅比值或者特征值为输出信号的微质量传感器具有更高的灵敏度和稳定性。在平衡状态下的弱耦合谐振器由于收到检测物对谐振器刚度的干扰，会使弱耦合谐振器的平衡状态被破坏，导致特征状态和振幅发生剧烈变化，从而大幅的提升了微质量传感器的灵敏度。基于此，本发明提供了一种不同阶模态耦合的模态局部化微质量传感器，通过分布式的电极以及调整谐振梁的厚度使弱耦合谐振器工作在不同阶模态耦合的情况下，相比于一阶模态耦合具有更高的灵敏度，可用于检测气体分子、病毒、生物分子等。
如图1所示，其示出了本发明提供的一种不同阶模态耦合的模态局部化微质量传感器的结构示意图，该传感器包括：
第一固定端1、第二固定端8、第一固支梁3、第二固支梁6、驱动电极4、上耦合电极2、下耦合电极7、驱动电源5；
其中，第一固支梁3和第二固支梁6的厚度不等；第一固定端1对称分布于所述第一固支梁3两端，第二固定端8对称分布于所述第二固支梁6两端；所述上耦合电极2与下耦合电极7之间由直流电压构成静电耦合，上耦合电极2固定在所述第一固支梁3的下表面，下耦合电极7固定在所述第二固支梁6的上表面；所述第一固支梁3由驱动电源5通过驱动电极4进行驱动。
当调节所述第一固支梁3和所述第二固支梁6的厚度为预设值，并通过驱动电极4对第一固支梁3驱动以及上耦合电极2与下耦合电极7产生静电耦合时，所述第一固支梁3工作在三阶模态，第二固支梁6工作在二阶模态。
进一步地，所述第二固支梁6与第一固支梁3的长度相同，第二固支梁6的厚度大于第一固支梁3，根据驱动电压及耦合电压确定第二固支梁6与第一固支梁3的厚度之比。
所述驱动电极4的长度为第一固支梁3长度的1/2，并分布在第一固支梁3的右端。
所述上耦合电极2与下耦合电极7的长度相同，均为固支梁3长度的1/10。上耦合电极2分布在第一固支梁3的左端，与第一固支梁3左侧的第一固定端1的距离为1/5第一固支梁3的长度。相应地，下耦合电极7分布在第二固支梁6的左端，与第二固支梁6左侧的第二固定端8的距离为1/5第二固支梁6的长度。上耦合电极与下耦合电极之间施加直流电压，并且上耦合电极为负极，下耦合电极为正极。
所述第一固支梁3、第二固支梁6之间的间隙与第一固支梁3、驱动电极4之间的间隙相等。
所述驱动电极4完全固定，驱动电源5为直流电压与交流电压共同驱动的电压源。
本发明提供的不同阶模态耦合的模态局部化微质量传感器，通过分布式的电极与不同厚度的谐振梁使传感器实现了二阶模态与三阶模态的耦合，具有灵敏度高，检测范围可调整等优点。基于上述理由本发明在微质量检测领域具有广泛的应用价值。
下面以一个具体实例对本发明提供的不同阶模态耦合的模态局部化微质量传感器进行说明。
如图1所示，当采用本发明中提供的分布式电极并采用不同厚度的固支梁进行耦合时，驱动电极中的直流电压产生的电场力使第一固支梁3与第二固支梁6达到平衡位置，交流电压使第一固支梁3产生振动。由于上耦合电极2与下耦合电极7之间的静电力，第一固支梁3在振动时会带动第二固支梁6一起振动，并且该结构在平衡位置下有确定的主振型。
如图2所示，在不同第二固支梁6厚度下，第一固支梁3与第二固支梁6的频率共同发生变化，图2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。按照本发明结构参数表1中的尺寸时，当第二固支梁6的厚度为第一固支梁3厚度的1.956倍时，第一固支梁3工作在第三阶模态，第二固支梁6工作在第二阶模态。
表1
Figure BDA0002832414360000061
Figure BDA0002832414360000071
如图3所示，在上耦合电极2与下耦合电极7之间施加直流电压Vc＝10V，直流驱动电压Vdc＝4.4V，交流驱动电压Vac＝0.5mV，第二固支梁6的厚度为h2＝0.99μm时，第一固支梁3与第二固支梁6达成一阶模态耦合，两固支梁均工作在一阶模态下。图3为两固支梁在一阶模态耦合平衡状态下工作在非线性区域的幅频响应曲线以及相频响应曲线，可以看到第一固支梁3与第二固支梁6有相同的振幅。
如图4所示，在上耦合电极2与下耦合电极7之间施加直流电压Vc＝10V，直流驱动电压Vdc＝11.66V，交流驱动电压Vac＝0.5mV，第二固支梁6的厚度为h2＝1.956μm时，第一固支梁3工作在第三阶模态，第二固支梁6工作在第二阶模态。图4为两固支梁在不同阶模态耦合平衡状态下工作在非线性区域的幅频响应曲线以及相频响应曲线，此时两固支梁表现出不同振幅，相对较厚的第二固支梁6的振幅更小。
如图3和图4所示，在一阶模态耦合与不同阶模态耦合时幅频响应曲线均显示出两个峰值，其中第一个峰值对应异相模态，第二个峰值对应同相模态。经研究，在同相模态下微质量传感器的灵敏度更高，本传感器以工作在同相模态下为实际检测模态。
如图5所示，较细的线为附加0.5pg质量的幅频响应曲线，较粗的线为平衡位置时的幅频响应曲线。在附加质量为0.5pg时，弱耦合谐振器的平衡状态被破坏，其振幅发生显著变化。本发明采用振幅比为输出信号，由此完成对微小质量的检测。
如图6所示，为两种耦合方式的比较图。由图中可以看出当以振幅比为输出信号时，不同阶模态耦合显著的提升了传感器的灵敏度，与一阶模态耦合相比灵敏度提升了20倍。与传统的谐振式传感器相比灵敏度提升了三个数量级。其灵敏度由如下公式得到：
Figure BDA0002832414360000081
其中，w1，w2分别为第一固支梁3和第二固支梁6的附加质量之后的振幅；
Figure BDA0002832414360000082
分别是第一固支梁3和第二固支梁6的平衡状态的振幅。
综上所述，本发明通过结构形式的改变实现了两固支梁不同阶模态耦合，并利用不同阶模态耦合显著的提高了灵敏度。通过同时检测两固支梁的振幅避免了温度漂移等对微小质量检测带来的误差。通过调节耦合电压以及驱动电压实现了检测范围及灵敏度可调整的功能。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种不同阶模态耦合的模态局部化微质量传感器，其特征在于，包括：厚度不等的第一固支梁(3)和第二固支梁(6)；
第一固定端(1)对称分布于所述第一固支梁(3)两端，第二固定端(8)对称分布于所述第二固支梁(6)两端；
上耦合电极(2)固定在所述第一固支梁(3)的下表面，下耦合电极(7)固定在所述第二固支梁(6)的上表面；所述上耦合电极(2)与所述下耦合电极(7)之间由直流电压构成静电耦合；
所述第一固支梁(3)由驱动电源(5)通过驱动电极(4)驱动；
当调节所述第一固支梁(3)和所述第二固支梁(6)的厚度为预设值，并通过驱动电极(4)对第一固支梁(3)驱动以及上耦合电极(2)与下耦合电极(7)产生静电耦合时，所述第一固支梁(3)工作在三阶模态，第二固支梁(6)工作在二阶模态。
2.根据权利要求1所述的不同阶模态耦合的模态局部化微质量传感器，其特征在于，所述第二固支梁(6)与第一固支梁(3)的长度相同，所述第二固支梁(6)的厚度大于所述第一固支梁(3)。
3.根据权利要求2所述的不同阶模态耦合的模态局部化微质量传感器，其特征在于，驱动电极(4)的长度为固支梁(3)长度的1/2，并分布在所述第一固支梁(3)的右端。
4.根据权利要求2所述的不同阶模态耦合的模态局部化微质量传感器，其特征在于，上耦合电极(2)的长度为第一固支梁(3)长度的1/10，所述上耦合电极(2)位于所述第一固支梁(3)的左端，与左侧第一固定端(1)的距离为1/5第一固支梁(3)的长度；
下耦合电极(7)的长度与上耦合电极(2)的长度相同，所述下耦合电极(7)位于所述第二固支梁(6)的左端，与左端第二固定端(8)的距离为1/5第二固支梁(6)的长度。
5.根据权利要求1所述的不同阶模态耦合的模态局部化微质量传感器，其特征在于，第一固支梁(3)、第二固支梁(6)、驱动电极(4)、上耦合电极(2)以及下耦合电极(7)的宽度相同。
6.根据权利要求1所述的不同阶模态耦合的模态局部化微质量传感器，其特征在于，所述第一固支梁(3)、所述第二固支梁(6)之间的间隙与所述第一固支梁(3)、驱动电极(4)之间的间隙相等。
7.根据权利要求1所述的不同阶模态耦合的模态局部化微质量传感器，其特征在于，驱动电极(4)完全固定，驱动电源(5)为直流电压与交流电压共同驱动的电压源。
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