考虑表面应力的微悬臂梁质量传感器的建模与仿真

为了考虑悬臂梁谐振器表面吸附层或者不同材料涂层引起的表面应力的影响,进而提高质量传感器的精度和性能,基于瑞利-里兹法提出了考虑表面应力的悬臂梁质量传感器的理论方法.在悬臂梁振动的控制方程中引入应力系数对其振型函数进行修正,并系统地分析对悬臂梁振动频率的影响,再根据瑞利法建立微悬臂梁质量传感器的理论模型.应用该方法,纳米颗粒的位置和质量可以通过颗粒吸附前后悬臂梁的频率移动来精确确定.该方法的准确性和可行性通过有限元仿真进行了验证.     

Development of novel and sensitive sensors based on microcantilever of atomic force microscope

Recently, the development of sensors based on microfabricated cantilevers of atomic force microscope (AFM) has attracted considerable attention from the designers of novel physical, chemical, and biological sensors. Many kinds of sensors have been developed taking the advantages of its high-resolution imaging, force measurement and force sensitivity, such as immunosensor and DNA biosensor and the sensors for detection of intermolecular interaction. This paper reviews the progress made in this field and discusses the signal transfer principles by which the design of the sensors is achieved.     

一种双桥臂微悬臂梁谐振频率的影响因素研究

为了获得双桥臂硅微悬臂梁的谐振频率随其质量块尺寸的变化规律,首先推导出了双桥臂硅微悬臂梁谐振频率的解析式,并对9组不同尺寸的双桥臂单晶硅微悬梁的谐振频率随附加质量块长度的变化规律进行了分析.结果表明,随着附加质量块长度的增加,悬臂梁的固有频率会逐渐地减小,并且随着质量块长度所占微悬臂梁总长度比例的增大,附加质量所引起的微悬臂梁谐振频率的变化量在总谐振频率中所占的比重呈逐步减小的趋势.     

用于微悬臂梁红外焦平面读出电路的片上ADC设计

设计了一种用于微悬臂梁红外焦平面读出电路的片上 ADC。该 ADC 采用流水线结构实现, 采用带溢出检测的多位第一级和后级功耗逐级缩减的方案优化系统功耗, 提高线性度。该设计采用 0.35 μm 的 CMOS 工艺流片验证。测试结果表明: 5V 电源电压、10M 采样率时电路总功耗为98 mW, 微分非线性和积分非线性分别为 -0.8/0. 836 LSB 和 - 0. 9 / 1. 6 LSB; 输入频率为 1 MHz 时, SFDR 和 SNDR 分别为82 和 67 dB。     

PZT压电薄膜的压电系数d 31的测量及其微悬臂梁简谐振动模拟

介绍了一种应用微悬臂梁结构，简单直接测量其中压电薄膜PZT的横向压电系数d31的方法。利用微悬臂梁器件本身和普通仪器，通过测量电压作用下微悬臂梁所产生的挠度值即可获得d31。还介绍了应用所测的d31对微悬臂梁的谐振进行有限元模拟的方法，及与振动实验结果的比较。     

无标记生物检测中微悬臂层合梁的纳米热机变形

以无标记生物检测引起的探针挠度为未知量,放弃单向受力假设,建立了在杂交表面应力和热载荷作用下生物探针纳米力学行为的连续介质力学层合梁模型.分别采用线性和均匀温度场模拟了生物探针在生物化学反应中的瞬态和稳态温度分布,从而解释了Fritz有关DNA分子杂交实验中的双金属效应.     

品质因数调控技术提高AFM横向分辨力的研究

液体中轻敲模式下微悬臂梁的低品质因数会限制原子力显微镜的力灵敏度和成像分辨率，品质因数调控技术可以提高品质因数．在分析品质因数调控技术机理的基础上，分别在一般轻敲模式下和有品质因数调控电路支持的轻敲模式下，利用琼脂糖凝胶作为样品，测得力曲线．分析比较这2种情况下的曲线，表明在无品质因数调控时，微悬臂梁的驱动信号的振幅是恒定的，而在有品质因数调控时，微悬臂梁驱动电压随着针尖样品间距的减小而衰减，从而导致针尖一样品间的相互作用力减小，横向分辨力提高．为了验证该分析结果，检测了液体中的蛋白质分子．在有品质因数调控时，很容易获得清晰的蛋白质分子图像，由此证明了上述结论．     

压电探针应用于原子力显微镜液体成像的研究

研究了采用微悬臂梁上集成的ZnO压电薄膜作为微驱动的探针的直接激振方法,比较了间接激振和直接激振方法下探针在液体中的振动性能,以标准生理溶液中的海拉细胞为样品,对原子力显微镜在液体环境下轻敲模式的成像性能进行了实验研究.研究表明,采用压电探针的直接激振方法在探针振动的幅频曲线中仅有单一谐振峰,可以避免在压电陶瓷管激振方法下由液体振动造成的寄生谐振峰,因此使用压电探针不仅提高了探针振动频率的控制精度,而且减小了针尖对样品的损坏,还提高了仪器的带宽和成像速度.对于512×512点阵和60μm×60μm范围的图像,使用该方法可将采集速度由原来的2~3 min/帧提高到15~20 s/帧,并且扫描速度的提高对原子力显微镜在动态过程中的研究有着重要的参考价值.     

压电微悬臂梁振动能量采集器谐振频率和功率的研究

压电振动能量采集器可将自然界中广泛存在的机械振动能转换为电能,并且一直向微型化电源的目标迈进．为此,以矩形压电微悬臂梁结构作为换能单元,通过时压电层等效电流源和单相桥式整流电路的理论及相关公式的推导,得出微能量功率的计算公式．通过分析看出,在实际设计压电振动能量采集装置时,可采用适当增加质量块质量和减小梁长度的方式来满足整体结构在自然环境中实现低频谐振、获得较大的功率输出的设计要求．     

微悬臂梁阵列在电子鼻及生物传感中的应用

微悬臂梁传感器具有超高灵敏度的质量检测能力和独特的应力测量模式。因其体积小、易集成以及可用于无标记检测,成为多组分高通量分析及新型生物传感器研究领域的热点。主要介绍了其工作原理、阵列信号的读取方式和表面功能化方法,重点评述了微悬臂梁阵列传感器在气体成分识别和生物分子相互作用研究中近期的发展情况,探讨了目前研究中所面临的问题,并对今后的研究方向进行了展望。