[发明专利]一种基于隧道效应的纳微质量测量装置与方法

摘要

本发明针对纳微颗粒质量难以测量的现状，提出一种纳微颗粒质量测量装置与方法。基于隧道效应的纳微质量测量装置，包括纳米梁静电激励振动装置、振动信号检测装置两部分。纳米梁在交流信号激励作用下产生受迫振动；当纳米梁振动时，探测尖随着纳米梁上下振动，与导电块间的距离产生周期性变化，产生与振动信号同步的周期性变化隧道电流，隧道电流流经信号取样电阻，产生周期性变化的电压，通过信号检测电路采集该电压信号，可以检测纳米梁的振动频率。利用扫频的方式激励纳米梁发生共振，当纳米梁共振时，输出电压信号值最大，采集振动电压信号，进行频谱分析，得到共振频率。本发明可以广泛应用于细菌、病毒检测，大气污染物检测等领域纳微粒子检测工作，甚至可以用于单分子或者原子质量检测。

主权项

1.一种纳微质量检测装置包括纳米梁静电激励振动装置、振动信号检测装置两部分；所述纳米梁静电激励振动装置由交流信号源(1)、纳米梁(4)、纳微颗粒(3)、静电驱动极板(5)、开关(2)和导线组成；所述纳米梁(4)左端固定，右端自由，长度、宽度和高度分别为1.1μm、120nm和75nm，纳米梁(4)用碳化硅材料制作，在下表面镀一层金金属层(12)，厚度为5nm，纳米梁(4)右半部分正下方为固定的静电驱动极板(5)，静电驱动极板(5)与底板(6)固结，与纳米梁(4)之间的距离为1μm；所述纳微颗粒(3)置于纳米梁(4)最右端上方，通过范德瓦耳斯力吸附在纳米梁(4)右端上表面；所述交流信号源(1)一端通过一根导线连接纳米梁(4)的左端，另一端由另一根导线连接开关(2)上端，开关(2)下端通过导线连接静电驱动极板(5)；开关(2)闭合时，纳米梁(4)和静电驱动极板(5)间会产生一个交流电压信号，激励纳米梁(4)产生振动；改变交流信号的信号频率，当交流电压信号频率等于纳米梁(4)固有频率时，纳米梁(4)产生共振响应；所述振动信号检测装置由固结于纳米梁(4)固定端附近下方的探测尖(7)、导电块(8)、电源(11)、信号取样电阻(9)、信号检测电路(10)和导线组成，所述探测尖(7)位于纳米梁(4)左端下方，与固定端距离为200nm，导电块(8)位于探测尖(7)正下方，固结于底板(6)，探测尖(7)指向导电块(8)中央位置，探测尖(7)与导电块(8)间的距离为1nm，探测尖(7)由金金属做成；所述电源(11)一端通过纳米梁(4)金金属层(12)与探测尖(7)相连接，另一端与信号取样电阻(9)连接，信号取样电阻(9)通过导线与导电块(8)连接，信号检测电路(10)通过导线与信号取样电阻(9)并联；纳米梁(4)在交流信号激励作用下产生受迫振动；当纳米梁(4)振动时，探测尖(7)随着纳米梁(4)上下振动，与导电块(8)间的距离产生周期性变化，产生与振动信号同步的周期性变化隧道电流，隧道电流流经信号取样电阻(9)，产生周期性变化的电压，通过信号检测电路(10)采集该电压信号，可以检测纳米梁(4)的振动频率；对于上述纳米梁静电激励振动装置、振动信号检测装置，其特征在于：利用扫频的方式激励纳米梁(4)发生共振，当纳米梁(4)共振时，输出电压信号值最大，采集振动电压信号，进行频谱分析，得到共振频率；当纳米梁(4)发生共振时，测量得到共振时交流信号源的ω_n数值，得到纳微颗粒(3)的质量为其中E为纳米梁(4)的弹性模量，I为惯性矩，l为纳米梁(4)的长度，m_b为纳米梁(4)的质量，b变为纳米梁(4)的宽度，h为纳米梁(4)的高度。