本發明專利技術涉及一種利用激光遠程激發微米尺度的微懸臂梁探針共振的方法，通過在微米尺度的微懸臂梁探針表面施加具有一定頻率的脈沖激光照射，利用激光熱效應在微米尺度的微懸臂梁探針中產生的熱應力，實現對微米尺度的微懸臂梁探針的共振激發。所述脈沖激光的頻率為微懸臂梁探針共振頻率的1/n，其中n為1~10，利用激光熱效應在微懸臂梁探針中產生的熱應力的n階傅利葉諧波來激發微米尺度的微懸臂梁探針的共振振動。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及，屬于微機電系統的
技術介紹
微懸臂梁傳感器當今被廣泛應用于微弱信號的測量，可用于檢測的物質包括水銀蒸汽、氟化氫氣體、TNT爆炸物、DNA、蛋白質分子等。其工作原理是通過微懸臂梁探針對目標分子的表面吸附從而改變探針的運動狀態實現檢測，它具有速度快，精度高，重復性好等優點。傳感過程中最核心的技術是如何實現對微懸臂梁探針的共振激發，它對傳感器的應 用范圍、響應速度、探測精度都有重要影響。傳統的激發技術基于壓電效應，電場力，磁驅動技術等。傳統激發技術的共同不足之處是它們都不是“非接觸”式激發，因為在這些激發方法中，微懸臂梁必須捆綁到壓電換能器(或其它的機械振蕩器)，電極，或永磁體上。這不但增加了傳感器的制作步驟及成本，而且還對器件材料與探測方法有額外的要求。對基于電場力或電磁相互作用的共振激發技術，要求微懸臂梁必須是由導電材料制作。因此，對于由氮化硅或本征硅等非導電材料制作的微懸臂梁，電磁激發不能被直接應用。而在基于壓電換能器共振激發中，在頻率響應測量中必須引入額外的歸一化過程，因為壓電材料的壓電系數是依賴于電信號的頻率的。與傳統的激發技術相比，“非接觸”式激發，或者說“遠程”激發，具有的重要優勢之一就是激發技術對微懸臂梁本身沒有任何限制和影響，因而具有制作成本低，應用領域廣等優點。超聲波激發和激光激發是可供選擇的兩種遠程激發技術，Thomas M. Huber等已實現了基于超聲波的微懸臂梁遠程共振激發(參考文獻Τ. Μ. Huber, B. C. Abell1D.C. Mellema, M. Spletzer, and A. Raman, AppI. Phys. Lett. 97, 214101 (2010).),其激發理論也得到了深入的發展。然而，與激光激發相比，超聲波激發有兩個重要的不足(I)難以實現聚焦。以空氣作為傳播媒介的超聲波，其力學特點決定了難以聚焦到微米尺度的微懸臂梁上，從而有能量利用率低的缺點。(2)不能在真空環境中應用。真空環境是提高微懸臂梁品質因子和檢測精度的重要手段。以上兩方面不足，在以激光為能量來源的激發技術中，可以被有效克服。國內方面，清華大學的顧利忠研究組實現了聲光調Q開關控制下的，10. 5毫米長度懸臂梁的共振激發，參見《應用激光》1991年05期記載的《光激勵微型懸臂梁諧振器》文章。當今的微懸臂梁傳感器是基于微米尺度的微懸臂梁制作而成。微米尺度的微懸臂梁，具有尺寸小、共振頻率高等特點，因此一些宏觀尺度的技術將不在適用。微米尺度微懸臂梁在激發技術、檢測技術、數據分析技術等方面都有更高的要求。綜合以上分析，可以看到利用激光來實現微米尺度的微懸臂梁的遠程共振激發，對于傳感器的發展以及激光技術的應用，都具有重要的意義
技術實現思路
針對現有技術的不足，本專利技術提供。本專利技術的技術方案如下，用周斯性脈沖激光聚焦于微懸臂梁探針表面，所述脈沖激光的頻率為微懸臂梁探針共振頻率的1/n，其中η為f 10。本專利技術利用激光熱效應在微米尺度的微懸臂梁探針中產生的熱應力的η階傅利葉諧波，實現對微米尺度的微懸臂梁探針的共振激發。根據本專利技術優選的，所述微米尺度的微懸臂梁探針的尺寸范圍長，100 -500 μ m;寬，10 — 50 μ m;厚，I — 2 μ m ;所述脈沖激光的波長范圍405 — 650nm。根據本專利技術優選的，所述微米尺度的微懸臂梁探針的長，100 μ m;寬，10 μ m;厚，I μ m，所述脈沖激光的波長為405nm，所述脈沖激光的頻率為所述微懸臂梁探針共振頻率的 1/7。根據本專利技術優選的，所述微米尺度的微懸臂梁探針的長，300 μ m;寬，35 μ m;厚，1μ m，所述脈沖激光的波長為532nm，所述脈沖激光的頻率為所述微懸臂梁探針共振頻率的 1/5。根據本專利技術優選的，所述微米尺度的微懸臂梁探針的長，500 μ m;寬，50 μ m;厚，2μ m，所述脈沖激光的波長為650nm，所述脈沖激光的頻率為所述微懸臂梁探針共振頻率的 1/3。本專利技術的工藝雖然簡單，但克服了現有技術針對微懸臂梁探針共振激發的技術偏 見，取得了意想不到的技術效果與傳統的接觸式激發方式相比，無需將微懸臂梁“捆綁”到激發器上，大大減少了激發器對微懸臂梁的影響，提高了微米尺度的微懸臂梁的工作精度。本專利技術通過大量的實驗得出，不論什么材料的微懸臂梁探針，對任何波長的激光都會有吸收，所以任何波長的激光都可以激發任何材料的微懸臂梁探針，即使激發效果不好，只需適當提高激光功率，便能實現對微米尺度的微懸臂梁探針的共振激發。本專利技術的優點在于本專利技術通過在微米尺度的微懸臂梁探針表面施加具有一定頻率的脈沖激光照射，其頻率為微懸臂梁探針共振頻率的1/n，利用激光熱效應在微懸臂梁探針中產生的熱應力的η階傅利葉諧波，實現對微懸臂梁探針的共振激發。具體優點如下I.本專利技術是利用周期脈沖激光在微米尺度的微懸臂梁材料中產生的熱應力實現對微懸臂梁的共振激發。由于任何材料對任意波長的激光都具有一定的吸收率，因此所述激發方法無需對微懸臂梁的材料以及激光波長進行設限，使用范圍廣；2.本專利技術是一種遠程激發方式，微米尺度的微懸臂梁不需要附屬于任何其它執行結構，因此具有結構簡單，共振激發易于實現的優點；3.采用本專利技術所述的遠程激發方法后，方便實現微懸臂梁傳感器的小型化和集成化研究；現有文獻中僅記載的是對10. 5毫米的微懸臂梁探針的激發，與本專利技術的微懸臂梁探針尺寸相差20 - 100倍，現有文獻未對激光遠程激發的具體頻率等技術方案做出具體限定，激發原理方面現有文獻的研究結論為激發的力可能來源于光壓或光熱效應，而本專利技術通過大量的實驗得出，激發微米尺度的微懸臂梁探針的力來源于熱應力，否定了光壓和光引起的流體力，因此本專利技術僅通過改變激光激發頻率，使其與所述微米尺度的微懸臂梁探針相匹配后即可實現對微米尺度的微懸臂梁探針的遠程共振激發。附圖說明圖I是本專利技術所述利用激光照射遠程激發微米尺度的微懸臂梁探針共振的示意圖；圖2是對微米尺度的微懸臂梁探針進行共振激發與共振檢測裝置的連接示意圖；圖3是利用激光遠程激發微米尺度的微懸臂梁探針共振的激發效果圖；其中，I、微懸臂梁底座，2、微懸臂梁探針，3、脈沖激光，4、連續激光器，5、衰減片，6、匯聚凸透鏡，7、斬波器，8、準直凸透鏡，9、半透半反鏡，10、匯聚凸透鏡，11、光電探測器，12、垂直方向匯聚柱面鏡，13、水平方向匯聚柱面鏡，14、微懸臂梁，15、激光測振儀，16、用于檢測微懸臂梁探針振動的激光束，17、雙通道數據采集卡，18、激光信號輸入通道，19、振動 信號輸入通道，20、設備控制計算機。具體實施例方式下面結合實施例和說明書附圖對本專利技術做詳細的說明，但不限于此。實施例I、如圖I所示。根據權利要求I所述的，用周斯性脈沖激光3聚焦于微懸臂梁探針2表面，通過激光熱效應在微米尺度的微懸臂梁探針2中產生的熱應力，實現對微米尺度的微懸臂梁探針的共振激發。所述微米尺度的微懸臂梁探針2的長，100 μ m ;寬，10 μ m ;厚，I μ m,所述脈沖激光3的波長為405nm，所述脈沖激光3的頻率為所述微懸臂梁探針共振頻率的1/7。實施例2、根據權利要求I所述的，其結構與激發方法與實施例I相同，不同之處在于所本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種利用激光遠程激發微米尺度的微懸臂梁探針共振的方法，其特征在于，該方法是用周斯性脈沖激光聚焦于微懸臂梁探針表面，所述脈沖激光的頻率為微懸臂梁共振頻率的1/n，其中n為1~10。
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：劉鐸，馮兆斌，
申請(專利權)人：山東大學，
類型：發明
國別省市：
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