[发明专利]采用分布式多电极测量微/纳机电系统振动模态的方法

说明书

本发明公开了一种采用分布式多电极测量微/纳机电系统振动模态的方法，以解决现有技术中难以实现对微/纳机电系统的各阶振型与频率进行准确测量的问题。本发明通过在预设有一维/二维微/纳机电系统振动部件下方集成分布式电极，再通过激励电极对振动部件扫频得到振动部件的待定共振频率，最后以待定共振频率进行定频激振，测量振动部件不同位置的响应信号，将响应信号进行快速傅里叶变换并结合插值算法准确绘制出振动部件的各阶频率与振型，最终得到微/纳机电系统振动部件的前n阶振动模态信息。本发明具有测量设备与环境要求低，高精度，成本和操作难度低等特点，适应在微机电、纳机电系统中推广使用。

技术领域

本发明属于微/纳机电系统技术领域，具体涉及一种采用分布式多电极测量微/纳机电系统振动模态的方法。

背景技术

近年来，随着微纳技术的不断发展，微/纳机电系统(MEMS/NEMS)发展迅速，对各个领域带来重大影响。MEMS/NEMS由微米至纳米级别的结构组成，可以用于制造各种传感器、执行器、快速开关等。由于其尺寸小、能耗低、敏感度高和响应时间短等特点，MEMS/NEMS广泛用于生物医学、能源、信息技术、物联网、材料科学等领域。

MEMS/NEMS内振动部件的动力学特性直接决定了系统的性能和稳定性，因此，对MEMS/NEMS振动部件的振动模态信息采集、分析是十分必要的。然而，由于尺寸小、振动频率高等因素，导致微纳尺度振动模态的测量面临着重大挑战。

目前，对MEMS/NEMS的振动模态测量一般有以下几种方法：

1、激光多普勒测量法：利用多普勒效应检测微/纳机电系统振动时的速度，进而计算出结构振动频率和振幅。通过多点扫描的方法可以得到结构的振型信息。此种方法测量精度高，但对测量设备要求高且无法集成至MEMS/NEMS器件中，导致使用范围受到极大限制。

2、力学测量法：使用原子力显微镜探针，在微/纳机电系统器件上进行非接触式位移测量，从而获得其振动响应。因原子力显微镜自身振动频率限制，导致该方法可测量频率上限较低，且对设备要求、测量过程要求较高。

3、电容传感测试法：利用检测电极来测量MEMS/NEMS器件在振动时的电容值变化，从而得到振动响应并进一步得到结构振动频率。该方法具有结构简单，灵敏度高，易于集成至MEMS/NEMS器件等优点。然而，目前单检测电极的方法无法实现对结构振型的测量。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种采用分布式多电极测量微/纳机电系统振动模态的方法，以解决现有技术中难以实现对微/纳机电系统的各阶振型与频率进行准确测量的问题。本发明通过布置分布式电极，测量振动部件不同位置的响应信号，将响应信号进行快速傅里叶变换并结合插值算法准确绘制出振动部件的各阶频率与振型。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的一种采用分布式多电极测量微/纳机电系统振动模态的方法，步骤如下：

1)将分布式多电极电容传感器安装在微/纳机电系统振动部件的下方；

2)通过给激励电极施加交变电压形成交变电场对微/纳机电系统振动部件进行定频激振，稳定后对其进行扫频激振，接收一个或多个电极的电容变化信号并绘制频响曲线寻找峰值点，结合多条频响曲线的峰值点进行分析得到待定共振频率值；