[发明专利]一种谐振系统的质量检测方法

权利要求书

1.一种谐振系统的质量检测方法，其特征在于，谐振系统为封装有用于微小质量检测的耦合双端固支梁谐振器的芯片，其中，用于微小质量检测的耦合双端固支梁谐振器，包括第一双端固支梁(1)、第二双端固支梁(2)、第一耦合区域(3)和第二耦合区域(4)，第一双端固支梁和第二双端固支梁平行设置，且第一双端固支梁和第二双端固支梁的第一同向端固定在第一耦合区域上，第一双端固支梁和第二双端固支梁的第二同向端固定在第二耦合区域上；质量检测方法包括以下步骤：

(1)将谐振系统封装在PCB板上；

(2)加载微小质量块；

利用3D打印的方式分别在两个双端固支梁上加载相同数量的微小质量块，将含有双端固支梁的芯片放置在3D打印机里面，利用光刻胶材料，采用3D打印的方式将微小质量块加载在双端固支梁上；

(3)利用压电陶瓷驱动的方法驱动谐振器振动，利用多普勒显微扫描振动测量系统测量加载微小质量块后两个双端固支梁的谐振频率；

(4)在探针台上，用探针按顺序拨除微小质量块后，继续利用多普勒显微扫描振动测量系统测量加载微小质量块后两个双端固支梁的谐振频率，将每次拨除后测得的两个双端固支梁的谐振频率进行对比；

(5)根据耦合双端固支梁反对称模式下谐振频率f2与质量的关系，实现微小质量检测，并根据测试的数据分析实际频偏与质量的关系，评估谐振梁痕量检测的性能。

2.根据权利要求1所述的一种谐振系统的质量检测方法，其特征在于，步骤(5)具体为：

根据非阻尼系统牛顿第二方程得：

其中，m为加载的微小质量块的重量；Z₁和Z₂分别为在两个双端固支梁上加载微小质量块后产生的位移；和分别为在两个双端固支梁上加载微小质量块后产生的位移加速度，k为两个双端固支梁的弹性系数；将两个双端固支梁表示为通过线性弹簧耦合在一起的集总质量，所以k_c为线性弹性系数；

转换成矩阵形式如下：

其中，A₁和A₂分别为位移方程的幅度系数，t表示时间；

得到线性系统方程为：

其中，w为频率；

当系统的行列式为0时，能够找到平凡解：

(-w²m+k+k_c)²-k_c²＝0 (4)；

解得两个本征频率Ω_s和Ω_a：

阻尼和驱动系统的响应从相关方程组中计算得到：整个谐振系统方程由(6)式的阻尼驱动双端固支梁谐振器的方程对应得出；

通过将(6)式中两个方程式相加或相减，分别得到两个新方程式为式(7)、式(10)；

相加时得到：

其中，

阻尼驱动双端固支梁谐振器的运动方程为：其中其中阻尼比阻尼系数从而得到：

相减时得到：

同理得到：

因此Z₁(t)和Z₂(t)可由上面式子解得：

谐振系统的解决方案是叠加对称和反对称模式，能够看出，正常模式分裂发生在足够强的耦合上，耦合强度由分裂频率表示Δw_s＝Ω_a-Ω_s。

3.根据权利要求1所述的一种谐振系统的质量检测方法，其特征在于，第一双端固支梁由下至上依次包括SOI衬底硅层、SOI牺牲层、SOI顶层硅层以及金属层，SOI衬底硅层包括相互独立平行设置的第一支柱和第二支柱，SOI牺牲层包括相互独立设置的第一硅片和第二硅片，其中第一硅片设置在第一支柱上，第二硅片设置在第二支柱上，SOI顶层硅层的两端架设在第一硅片和第二硅片上，SOI顶层硅层的中间悬空，金属层结构与SOI顶层硅层结构相同，且设置在SOI顶层硅层上表面；第二双端固支梁结构与第一双端固支梁结构相同。

4.根据权利要求3所述的一种谐振系统的质量检测方法，其特征在于，第一双端固支梁和第二双端固支梁的SOI衬底硅层、SOI牺牲层以及SOI顶层硅层和金属层的两端均嵌合在第一耦合区域或第二耦合区域。