[发明专利]一种基于模态局部化效应的高阶模态微质量传感器

说明书

本发明公开了一种基于模态局部化效应的高阶模态微质量传感器,属于微机电系统领域，包括第一固支梁、第二固支梁、上耦合电极Ⅰ、上耦合电极Ⅱ、下耦合电极Ⅰ、下耦合电极Ⅱ、固定电极Ⅰ、固定电极Ⅱ、耦合电压源和驱动电压源；第一固支梁两端分别通过固定端Ⅰ和固定端Ⅱ固定；第二固支梁两端分别通过固定端Ⅲ和固定端Ⅳ固定；上耦合电极Ⅰ和上耦合电极Ⅱ固定在第一固支梁的下表面两端；下耦合电极Ⅰ和下耦合电极Ⅱ固定在第二固支梁的上表面两端；第一固支梁的下表面和第二固支梁的上表面之间施加耦合电压源实现相对应的静电耦合连接；固定电极Ⅰ和固定电极Ⅱ分别与驱动电压源相连接；固定电极Ⅰ和固定电极Ⅱ固定在第二固支梁的下方,该发明结构简单，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。

技术领域

本发明涉及微机电系统领域尤其涉及一种基于模态局部化效应的高阶模态微质量传感器。

背景技术

MEMS谐振传感器由于尺寸小，功耗小，并且高效可靠，因此在微质量传感器上得到了广泛的应用，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。

虽然，降低传感器的尺寸能够增加灵敏度，但是由于制造工艺的限制所以尺寸不能够无限的减小，如何在不改变结构尺寸的条件下提高微质量传感器的灵敏度引起了众多学者的关注。Lochon等人在“An alternative solution to improve sensitivity ofresonant microcantilever chemical sensors:comparison between using high-ordermodes and reducing dimensions”(Sensors and Actuators B:Chemical,Volume 108,Issues 1–2,22July 2005,Pages 979-985)中对比了减小尺寸和采用高阶模态两种方法，结果显示两种方法都可以提高灵敏度。

近年来，一种新的灵敏度检测方式基于模态局部化现象能够大幅提升灵敏度，与传统的采用频移式作为灵敏度输出不同的是，基于模态局部化现象的传感器采用幅值比作为灵敏度输出。M.Spletzer等人在Ultrasensitive mass sensing using modelocalization in coupled microcantilevers,(Applied Physics Letters,vol.88,no.25,p.254102,2006)中提出了机械耦合的悬臂梁结构并采用模态局部化现象来检测质量，不同于单谐振传感器采用频率变化作为灵敏度输出，该传感采用特征值变化作为灵敏度输出，使灵敏度提升两个数量级与频率变化输出方式相比。赵纯等人在“A mass sensorbased on3-DOF mode localized coupled resonator under atmospheric pressure”(Sensors and Actuators A:Physical,2018,279:254-262.)中通过增加耦合振子的自由度，采用三个机械耦合的谐振器检测质量，结果显示与单自由度谐振器相比灵敏度提升三个数量级。模态局部化现象能够在近似对称的弱耦合系统中发现，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。因其广泛的应用而逐渐受到越来越多的关注，可以检测到极其微小的质量，如DNA，癌症和生物分子。

通过文献调研发现以往对模态局部化的研究只涉及对系统在低阶模态运动的研究，不论是在微质量传感器还是加速度传感器上的应用都是激发其在低阶模态的振动来工作。而我们知道对于MEMS器件，与工作在低阶模态相比一般激发其在高阶模态运动往往具有更高的灵敏度，但是因为激发高阶模态很有挑战性，其需要很高的激励电压，这极大的限制了MEMS器件在高阶模态上的应用。因此对于利用模态局部化效应的弱耦合结构也面临同样的难点。而如何能够将模态局部化效应应用在高阶模态上来进一步的提高MEMS器件的灵敏度是一个很有意义的研究。

发明内容