[发明专利]一种基于二维异质薄膜的谐振频率自适应调控系统

说明书

本发明涉及一种基于二维异质薄膜的谐振频率自适应调控系统，其包括二维异质薄膜、支撑衬底、压电陶瓷驱动器、外部可调光源、振动探测器以及信号调理电路，异质薄膜上的纳米金属颗粒能够产生等离共振效应，二维异质薄膜置于支撑衬底之上，支撑衬底与压电陶瓷驱动器实现固定连接，外部可调光源对二维异质薄膜进行照射，压电陶瓷驱动器驱动二维异质薄膜振动，振动探测器感知二维异质薄膜的振动并产生相应电信号，信号调理电路将振动探测器生成的电信号进行处理并转换成驱动控制信号，从而实现对压电陶瓷驱动器的振动控制。本发明具有非接触、大范围和自适应特点，同时能实现灵活调控和高精度探测。

技术领域

本发明属于微机电控制技术领域，具体涉及一种基于二维异质薄膜的谐振频率自适应调控系统。

背景技术

结构谐振频率自适应调节是一种典型的进化机制，主要表现在感知外部环境、与同伴交流，或识别外部风险、防御捕食者等。蝙蝠基于超声波进行回声定位，探测到潜在猎物后，蝙蝠的超声波频率根据猎物的位置信息进行自适应调控，实现精准捕食；飞蛾胸腔上有类似鼓膜状的结构，通过调控预张力来改变耳膜状态，面对捕食者时飞蛾听觉系统的灵敏区会从低频信号自适应调整到高频，并以此为基础做出对抗捕食者的防御机制；海豚的喷水孔会发出“咔哒”声以追踪猎物或识别障碍，通过前额软组织结构的自适应调控，在较大范围内产生频率变化的信号用于高宽带探测。

二维体系纳米颗粒因独特的性质受到研究人员广泛关注，将两种不同性质的材料自组装为二维异质晶格结构时，常表现出不同于微观粒子和宏观物质的独特光、电、热、磁等特性，同时使材料本身产生奇异的宏观物性和功能。等离共振时纳米颗粒会耦合入射电磁波能量，表现出强烈的吸收和散射增强效应，通过非辐射跃迁极大效率转换为热能，并使自身温度显著提高。异质纳米晶格中的纳米颗粒通过电子-电子、电子-声子相互作用在皮秒时间尺度有效吸收入射光并转化为热量。入射光与纳米颗粒相互作用时，谐振晶格内部光热耦合效应会显著增强，产生热量随时间累加并向周围介质传导，导致纳米晶格内部热应力状态改变，进而影响谐振器的模态频率。

而传统谐振器的刚度和质量深度耦合难以独立调控，同时存在效率低、灵活性差等问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提出一种具有典型的仿生自适应调控特点的谐振频率自适应调控系统。

当入射光照射到异质复合谐振薄膜时，金属(金/银)纳米颗粒等离共振引起的光热耦合效应会异常显著，产生的热量以金属颗粒为中心向周围介质传递，随着时间逐渐积累导致薄膜宏观温度发生变化。异质薄膜具有较小的等效质量和振动刚度，温度波动会对薄膜谐振器振动特性产生显著扰动，导致微观尺度关键尺寸变化或力学特性发生改变，引起异质复合薄膜的谐振频率发生改变。

当入射光参数(如光强、波长)变化时，谐振结构温度和应力发生改变，使谐振频率与环境参数相适应和匹配，可实现通过非接触方式实现对异质复合薄膜谐振频率的非接触、大范围灵活调控。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种基于二维异质薄膜的谐振频率自适应调控系统，包括二维异质薄膜、支撑衬底、压电陶瓷驱动器、外部可调光源、振动探测器以及信号调理电路，二维异质薄膜上的纳米金属颗粒能够产生等离共振效应，二维异质薄膜悬空置于支撑衬底之上，支撑衬底与压电陶瓷驱动器实现固定连接，外部可调光源对二维异质薄膜进行照射，压电陶瓷驱动器驱动二维异质薄膜振动，振动探测器感知二维异质薄膜的振动并产生相应电信号，信号调理电路将振动探测器生成的电信号进行处理并转换成驱动控制信号，从而实现对压电陶瓷驱动器的振动控制。

优选的，二维异质薄膜基于表面的临界自组装工艺制备，由纳米金属颗粒通过有机聚附物连接形成，金属纳米颗粒的结构形式和关键尺寸可选择。

优选的，支撑衬底基于硅晶圆制备，通过干法刻蚀或湿法刻蚀工艺获得。

优选的，外部可调光源对二维异质薄膜进行照射时，入射光的波长和强度可调节。