[发明专利]一种利用局域等离激元结构提高光热激发微悬臂梁振动能量转换效率的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用局域等离激元结构提高光热激发微悬臂梁振动能量转换效率的方法，属于微机电器件振动的技术领域。

背景技术

微悬臂梁传感器因对微小信号具有检测灵敏度高的特点而在生物、化学、力学、质量等检测领域得到了广泛的应用。高性能微悬臂梁传感器应用的前提条件在于对微悬臂梁的有效激励。到目前为止，已经研发了各种激发方法。其中，光热激发由于具有远程非接触的特点而在高速、高分辨率和定量分析中应用广泛，特别是在其它技术不容易应用的液体或恶劣环境。然而，光热激发的激发效率较低。输入光功率必须足够高才可以有效地激励微悬臂梁振动，过高的激光功率有可能导致机械非线性，频移，甚至光学损伤。为了有效激发微悬臂梁振动，通常需要在其表面镀一层金属以利用两层材料的热膨胀系数差产生振动。但是这种能量转换效率的增幅有限，且降低了悬臂梁的品质因子，使其探测灵敏度降低。

等离子体是金属表面自由电子随入射光子同频率集体振荡产生的一种表面束缚的电磁波，等离子体纳米结构具有丰富光学性质。金属纳米颗粒将吸收的光能转化为电子谐振的动能，继而通过晶格对电子的散射把这一能量转化为晶格的振动能。金属纳米颗粒将吸收的光能转化为电子谐振的动能，继而通过晶格对电子的散射把这一能量转化为晶格的振动能。晶格振动的热能可以进一步传递到微悬臂梁，从而升高微悬臂梁的表面温度，有利于热梯度机制和双层膜机制更加有效地激励微悬臂梁振动。金纳米颗粒的存在也可使微悬臂梁的有效质量增加从而可以提高其品质子，这可以有效提高微悬臂梁传感器的探测精度和分辨率。本发明有效解决了光激发微悬臂梁振动效率低的问题，且简洁方便，对基于光激发微悬臂梁振动的发展及应用具有重要的实用价值。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种利用局域等离激元结构提高光热激发微悬臂梁振动能量转换效率的方法。

本发明的技术方案如下：

一种利用局域等离激元结构提高光热激发微悬臂梁振动能量转换效率的方法，包括：在所述微悬臂梁上制备局域等离激元结构、采集因光激励微悬臂梁振动所发出的振动信号。

根据本发明优选的，在所述微悬臂梁上制备局域等离激元结构的方法包括：对微悬臂梁在真空中溅射金属膜、然后在氮气氛围对所述微悬臂梁进行退火处理：在微悬臂梁表面形成金属纳米颗粒。

根据本发明优选的，所述的金属膜为金膜；所述金属纳米颗粒为金纳米颗粒。

根据本发明优选的，所述对微悬臂梁在真空中溅射金膜的具体方法为：利用真空溅射仪对微悬臂梁在真空中溅射金膜，真空度设置为10mbar，电流为10mA，溅射时间为30-240s。优选的，所述溅射时间分别为30s，60s，90s，120s，240s。

根据本发明优选的，在在氮气氛围对所述微悬臂梁进行退火处理的方法为，退火温度为500℃。升温速率为10℃/min，500℃下恒温1小时，最后自动降温。

根据本发明优选的，采集因光激励微悬臂梁振动所发出的振动信号的步骤如下：

所述光激励对应的光波长为：使所述等离激元产生共振的光波长。

根据本发明优选的，所述光激励对应的光波长为：365-940nm。优选的，所述光激励对应的光波长为：523nm。

根据本发明优选的，所述光激励是利用发光二极管对具有局域等离激元结构的微悬臂梁进行照射，热梯度效应和双层膜效应共同作用激励其振动：利用锁相放大器内部单参考模式输出的正弦振荡信号驱动发光二极管闪烁，发光二极管发光中心波长为365-940nm；优选的，所述发光二极管发光中心波长分别为365nm，385nm,425nm，460nm,523nm,620nm，850nm,940nm。其闪烁频率与锁相放大器内部锁定频率相同。

发光二极管发光脉冲与微悬臂梁相互作用，对于空白微悬臂梁，表面受光辐射会在厚度方向产生温度梯度，不同的温度会使其膨胀度不同，从而导致其弯曲。在调制光激励下便可产生振动(热梯度效应)，对于镀膜微悬臂梁，由于悬臂梁和膜的热膨胀系数不同，受光辐射产生的膨胀度也不同，从而使梁产生弯曲，在调制光激励下可产生振动。双层膜效应激励其振动(双层膜效应)；悬臂梁长350微米，宽35微米，厚1微米。