基于原子力显微镜微探针的新型超灵敏传感器

近年来基于原子力显微镜(atomic force microscopy,AFM)微探针发展的新型超灵敏传感器引起了研究人员的极大兴趣,已成为这一研究领域的前沿方向之一.基于AFM微探针的新型传感器主要是利用AFM的高分辨率、可以测定极微弱的力和AFM微探针悬臂对极微弱力敏感等特性.如利用AFM的高分辨率的特性,通过测定样品表面覆盖度、高度等的变化,发展了新型免疫传感器、DNA传感器等;利用AFM可以测定极微弱的力,通过测定分子对间的相互作用,发展了各种新型微探针力传感器;利用AFM微探针悬臂的对极微弱力敏感,将分子识别反应的力学信号转化为AFM探针微悬臂的纳米机械响应,发展了形式多样的新型化学、生物传感器.文中从AFM微探针信号转换原理的角度分类综述了这一前沿研究方向的重要进展.     

微摩擦测试的微力传感器设计

论述了一种新的应用于微摩擦测试的微力传感器,这种微力传感器能同时测定微小摩擦力及相应正压力的大小,其独特的悬臂结构消除了多维力传感器普遍关注的耦合问题．正压力和摩擦力的测力原理分别基于应变片法和位移法．标定及静态特性的分析表明,该微力传感器具有较高的测力精度和分辨力,适合于mN级的摩擦测试．摩擦测试实验表明,该微力传感器完全能进行各种润滑膜的微摩擦性能评估测试,从而为微摩擦研究提供了一种有效的实验工具．     

硅微机械悬臂梁谐振器的电热激励及光纤拾振技术的研究

用理论分析方法研究了硅微悬臂梁的电热激振机理，得到了微机械悬臂梁电热激励下的温度场分布，并推导出了镀膜双层硅微悬臂梁的电热激励热力矩。利用硅微机械加工工艺制作了双层结构硅微悬臂梁谐振器，通过在硅微悬臂梁上制作的热激励电阻，用电热方法对硅微谐振器实现了激振。设计了光纤传感检测系统用于硅微谐振器微弱谐振信号的拾取，并成功检测到了硅微谐振器的前3阶谐振信号。     

科学家找到化学官能团与碳纳米管间相互作用的测定方法

从未来新型传感器和纳米装置工程的发展角度出发,人们必须认识碳纳米管和各个化学官能团相互间的作用。碳纳米管十分微小,这导致人们很难测定单一分子在碳纳米管表面的附着力。过去研究人员只能依赖模型、间接测量和较大微尺度实验。美国科学家将纳米管探针的接触区域减少到1.3     

基于混沌的光通信微弱光信号检测模型研究

利用混沌系统对微弱周期信号敏感这一特性,提出了一种基于混沌的微弱光信号检测方法．该方法主要通过发端对信号进行混沌调制和在接收端用混沌系统进行解调,来实现对微弱光信号的检测．通过MATLAB软件仿真检测表明,本检测方法可以提高光通信接收设备的灵敏度,也可以提高光信号在光通信中的传输距离．     

基于AD7705的高精度极微弱信号A/D转换的电路的设计

在智能仪器仪表设计中,微弱信号转换精度、稳定度的高低直接影响着仪器的性能.为了对极微弱信号进行高精度模数转换,本文设计了以传感器为信号源,仪表放大、低通滤波,运算放大和AD7705芯片为主要结构的转换电路.该电路能够完成对传感器产生的极微弱低频信号进行放大、去噪和模数转换,实验证明本文设计的电路能够有效转换极微弱电信号,为极微弱信号传感器在智能设备中的具体应用提供了合理的解决方案.     

纳米硬度计研究多晶硅微悬臂梁力学特性

微构件的弹性系数影响微型传感器的静态和动态力学特性 ,为了精确的测试和评定微构件的力学特性 ,利用纳米硬度计通过微悬臂梁的弯曲试验来测量其力学特性。运用该方法可精确测量微悬臂梁纳米级弯曲变形 ,在研究微悬臂梁的纯弯曲变形过程中 ,必须考虑压头在微悬臂梁上的压入以及微悬臂沿宽度方向的挠曲。试验研究表明 ,多晶硅微悬臂梁的纯挠曲与载荷成很好的线性关系 ,通过线性关系计算得到梁的弹性模量为 [1± (2 .9%～ 6 .3% ) ]× 15 6 GPa。     

微石英音叉陀螺角速度信号提取方法的研究

研究微石英音叉陀螺的工作原理和微弱角速度信号的提取方法．从石英音叉陀螺敏感振动的近似动力学方程出发，推导了由哥氏惯性力引起的稳态和暂态振动信号以及陀螺检测输入角速度的灵敏度，并分析了材料各向异性与加工误差引起的正交误差信号特点，在此基础上分析了包含角速度信息的稳态信号与暂态信号、正交误差信号的差异，指出利用相关检测技术可在强背景噪声条件下提取出角速度信号，并通过数字仿真验证了角速度提取方案的可行性．     

蛋白质折叠与力学传感的单分子磁镊操纵研究进展

蛋白质的折叠与相互作用是物理、生物等多学科交叉领域关注的基本问题.力生物学的前沿研究表明，一系列对力敏感的蛋白质在机械力作用下的去折叠与复折叠动力学及相互作用调控，是实现其力感知的物理机制.前沿单分子操纵技术的发展使得在单分子水平定量探究蛋白质的折叠与细胞力学传感的分子机制成为可能.本文重点介绍近年来蛋白质折叠与力学传感的单分子磁镊操纵研究进展，包括单结构域蛋白质的折叠-去折叠动力学、自由能曲面的构造，及细胞黏着斑与胞间连接的力敏感蛋白行使生物功能的分子机制.     

热激励谐振式硅微结构压力传感器

针对一种以矩形硅膜片为一次敏感元件、硅梁谐振子为二次敏感元件采用电阻热激励、压敏电阻拾振的谐振式压力微传感器 ,简述了其工作机理 ;从谐振式硅微传感器整体优化设计、闭环系统优化设计、微弱信号检测、敏感元件工艺实践、开环特性测试等方面介绍了该传感器研究与研制过程中近期取得的阶段性研究结果     

四足步行机器人倾斜度传感器的研究

为了克服步行机器人原采用的摆型倾斜度传感器频响较慢的缺点，研制了一种采用圆球－应变片组合的新型倾斜度传感器，通过测量下滑力获得倾斜度的信息．由于提高了倾斜度传感部件的重心，并直接用紧贴应变片的弹性档极与之相切，避免了该部件与机器人接触面间的相对运动，从而显著提高了频响速度．文中对这种传感器的具体结构、信号处理方法与实验结果作了详细的介绍．     

我国科学家研制出蛋白质芯片生物传感器系统

在中国科学院知识创新工程和国家自然科学基金的资助下,中科院力学所国家微重力实验室靳刚课题组经过多年努力,成功研制出“蛋白质芯片生物传感器系统”及其实用化样机,并于7月5日通过成果鉴定。该研究将多种蛋白质活性微列阵、生物分子特异结合性,与高分辨率椭偏光学成像技术相结合,提供了一种新型无标记蛋白质分析技术。蛋白质芯片生物传感器系统的特点在于,它使用单一非标记试剂检测靶分子,能够更好地保持生物分子的活性,减少非特异信号的影响,提高蛋白质分子相互作用检测的灵敏度,实时、直观地显示检测结果,并具有鉴别伪信号的功能。它…     

双微流体通道光子晶体光纤传感器分析

利用有限元法对基于双微流体通道光子晶体光纤传感器进行分析．数值模拟了当微流体通道的直径、待测液体折射率、金属纳米薄膜厚度不同时传感器的参数变化特性．结果表明,不同参数的传感器所表现出来的吸收特性各不相同,且表面等离子体共振的激发对待测液体折射率非常敏感．用两种方法分别得出该传感器的灵敏度及分辨率,研究结果为光子晶体光纤传感器的设计和实际操作提供了理论依据．     

基于混合电动势型 SO2传感器的研制及接口电路设计

利用钠离子的快速离子导体固体电解质为离子导电层,NaRe(SO4)2稀土硫酸钠复盐为敏感电极,设计并研制了一种混合电动势型 SO2传感器核心元件。在实验室条件下的非平衡态气氛中,对此核心元件进行了二氧化硫体积分数的敏感性能测试。根据传感器的检测原理及输出信号特性,设计了微弱信号检测电路,由此组装成 SO2气体传感器器件。结果表明：在低温260~300℃下,该传感器对 SO2的灵敏度为136.4 mV 左右,具有较高的选择性和良好的响应恢复特性,器件耐潮湿,测试时不需要参比气体。该器件输出的稳定可靠的标准电压信号,可被单片机直接读取。     

材料表面硬度及形状的AFM分析方法

利用AFM测量软性材料如聚合体、生物物质时，AFM探针对被测软性材料表面施加一定的力而引起材料表面产生变形。通过测力-位移曲线，基于AFM测力-压痕曲线分析，探讨了减轻该影响并获得高精度软性材料表面形状测量结果的方法，进而计算材料表面微观杨氏弹性模量。该方法不仅可决定物体的表面弹塑性，获得高精度的表面形状测量结果，而且通过了解物体变形机理，进一步分析材料的微观特性。     

一种新型微机械红外热探测器的吸收层

在对新型微机械悬臂梁红外热探测器进行理论建模的基础上,研究了一种适合于此种红外热探测器的吸热层材料——碳纳米管.利用碳纳米管的红外吸收特性,在微机械悬臂梁上生长碳纳米管薄膜作为吸热层,提高了微机械悬臂梁红外探测器的红外吸收能力.研究结果表明,选用碳纳米管薄膜作为微机械悬臂梁红外热探测器的吸热层比选用传统的红外吸收层材料探测分辨率提高了10%,这种基于微电子机械系统技术的传感器与集成电路工艺是兼容的,成本低廉且适合批量生产.     

分数阶Duffing系统动态特性研究及微弱信号检测

为了进一步提高微弱信号的检测能力,在更低信噪比环境下提取微弱信号的特征信息,提出采用分数阶Duffing系统实现微弱周期信号检测。基于常规Duffing-Holmes数学模型 ,通过加入分数阶微分算子引入了分数阶Duffing方程数学模型,利用变量代换对该模型进行改进可实现任意频率的微弱周期信号检测。研究分析系统阻尼比参数变化对系统非线性动力学特性的影响,给出了最佳阻尼比参数范围;研究了微分阶次与系统临界混沌阈值变化关系,得出微分阶次与系统临界混沌阈值成反比关系的结论。分别在高斯白噪声及色噪声背景下对微弱信号进行检测与识别,大量仿真结果表明,分数阶Duffing系统检测微弱信号的最低信噪比门限值比整数阶Duffing系统降低了10 dB,提高了检测微弱信号能力。     

基于双耦合混沌振子的未知频率弱信号检测

针对微弱信号检测的难点问题,提出了一种应用于未知频率微弱信号的分段测频检测方法.利用双耦合Duffing系统相轨迹状态的跃迁对于输入微弱信号的敏感特性实现了对淹没在强噪声中的微弱信号的检测,同时利用分段测频方法实现了对微弱信号的频率测量,有效地解决了单Duffing振子的微弱信号检测方法易受噪声影响产生误判的问题,突破了现有微弱信号混沌振子检测方法只能进行已知频率信号检测的局限性.仿真实验结果证明该方法确实能够较为准确地检测出输入微弱周期信号的频率,使微弱信号检测技术得到进一步完善.     

分数阶Duffing系统动态特性研究及微弱信号检测（英文）

为了进一步提高微弱信号的检测能力,在更低信噪比环境下提取微弱信号的特征信息,提出采用分数阶Duffing系统实现微弱周期信号检测。基于常规Duffing-Holmes数学模型,通过加入分数阶微分算子引入了分数阶Duffing方程数学模型,利用变量代换对该模型进行改进可实现任意频率的微弱周期信号检测。研究分析系统阻尼比参数变化对系统非线性动力学特性的影响,给出了最佳阻尼比参数范围;研究了微分阶次与系统临界混沌阈值变化关系,得出微分阶次与系统临界混沌阈值成反比关系的结论。分别在高斯白噪声及色噪声背景下对微弱信号进行检测与识别,大量仿真结果表明,分数阶Duffing系统检测微弱信号的最低信噪比门限值比整数阶Duffing系统降低了10 dB,提高了检测微弱信号能力。     

集成扩展电阻硅流量传感器的研究

提出了一种新型集成扩展电阻硅流量传感器。此结构的工作原理是基于热传导原理，即当流体流过加芯片时，芯片两端的温差可以用于测量流体的速度。由于应用硅扩展电阻作温度敏感元，故ＳＲＳＦ传感器适用于测量温度较高的流体。分析和实验研究结果表明，ＳＦＳＲ传感器具有如下特点：小流量时灵敏度较高，有方向敏特性；与标准ＩＣ工艺兼容，可制成集成化流量传感器。