[发明专利]一种基于模态局部化效应的可调微质量传感器

说明书

本发明提供一种基于模态局部化效应的可调微质量传感器，其特征在于，包括：第一固支梁，置于上方，其两端通过第一固定端固定；第二固支梁，置于第一固支梁下方，其两端通过第二固定端固定；其中，第一固支梁与第二固支梁之间通过耦合电极实现静电耦合，第二固支梁通过固定激励电极调节驱动力的大小；第一固支梁与第二固支梁的长度均可变且二者非等长。本发明通过调节耦合电极间的静电刚度，实现传感器灵敏度、探测范围和分辨率的在线调整。本发明具有更高的灵敏度，并且可以弥补制造误差产生的影响，可用于微生物、微颗粒等检测，具有高灵敏度，鲁棒性强等优点。

技术领域

本发明涉及微机电系统技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于模态局部化效应的可调微质量传感器。

背景技术

微机电系统(Microelectro-mechanical systems，MEMS)谐振传感器在测量微小质量方面因其高效简便而逐渐受到越来越多的关注，包括在生物分子(DNA、细胞、细菌及病毒等)的识别与检测、微小颗粒探测以及液体、气体成分与浓度的检测等方面得到广泛应用。

近年来，在如何提高质量传感器灵敏度的研究中引起了人们的关注。有些人通过传感器尺寸的小型化，优化几何形状或激励非线性方案来实现灵敏的改进。赵剑等人在“Anew sensitivity improving approach for mass sensors through integratedoptimization of both cantilever surface profile and cross-section”(Sensorsand Actuators B 206(2015)343–350)中提出了一种新颖的谐振质量传感器设计，然后通过配置集成优化提高灵敏度。S.Souayeh等人在“Computational models for largeamplitude nonlinear vibrations of electrostatically actuated carbon nanotube-based mass sensors”(SensorsActuators A Physical.208 10-20)中提出了碳纳米管作为悬臂梁，并建立了非线性模型，可以同时检测附着粒子的质量和位置。尽管这些单自由度谐振器的增强灵敏度方法对于大多数应用来说已经足够，但这些方法都有自身的局限性而无法大幅提升灵敏度。

随着基于模态局部化现象引入到微质量传感器研究中，采用以特征值或幅值比作为输出的新型敏感机理可以大大提高传感器的灵敏度，而无需任何特定的结构优化，由此逐渐受到越来越多的关注。

模态局部化现象中发现，在近似对称的弱耦合系统中，当传感器受到小的质量扰动时将导致系统对称性破坏从而导致特征状态和幅值比的急剧变化，可以用来检测到极其微小的质量，如DNA，癌症和生物分子。

基于此，有必要提供一种传感器将模态局部化效应得以广泛应用。

发明内容

根据上述提出的微型传感器由于自身的局限性而无法大幅提升灵敏度的技术问题，而提供一种基于模态局部化效应的可调微质量传感器。本发明主要采用不等长的固支梁结构，两固支梁间通过静电进行耦合，能够便于调节耦合强度，从而实现驱动方式易于调节，无需进行任何的结构优化，具有工艺简单，构型稳定易于加工等优点，因而可广泛应用在各个方面。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于模态局部化效应的可调微质量传感器，其特征在于，包括：

第一固支梁，置于上方，其两端通过第一固定端固定；

第二固支梁，置于所述第一固支梁下方，其两端通过第二固定端固定；

其中，所述第一固支梁与所述第二固支梁之间通过耦合电极静电耦合，第二固支梁通过固定激励电极调节驱动力的大小；

所述第一固支梁与所述第二固支梁的长度均可变且二者非等长。