微机械悬臂梁中的机械噪声机制分析

本文采用能量统计分布方法研究微机械悬臂梁的噪声模型,对热机械噪声理论模型进行了拓展和修正,使之适用于低温和高频条件.研究了温度、压力和频率对热机械噪声、温漂噪声和吸附-脱附噪声的影响.根据研究结果对静态检测悬臂梁和动态频率响应悬臂梁传感器进行了具体分析.对于静态下工作的微机械悬臂梁,振幅的随机变化取决于热机械噪声.对于工作在谐振状态的微米尺度悬臂梁,在室温常压下热机械噪声是主要的噪声机制;当尺寸进一步缩小至纳米尺度时,表面效应变得显著,吸附-脱附噪声成为主要的噪声机制.基于对不同情况下噪声特性的分析,对微机械悬臂梁传感器的优化设计规则进行了探讨.

高阶谐振模态的超高质量分辨硅微悬臂梁压阻传感器

开发了一种在空气中具有几十飞克质量分辨率的谐振式微机械悬臂梁生化质量检测传感器.在悬臂梁上面实现了使用惠斯通压阻电桥检测和洛伦兹力线圈驱动集成结构.与通常的一阶模态谐振传感器不同,为了显著提高传感器特异性反应吸附质量以实现分子水平的检测分辨率,提出了一种二阶弯曲谐振模态优化驱动的方法.在悬臂梁上集成了一种回形针状的驱动电流回路,实现了与第二模态悬臂梁运动两个相反运动峰值相吻合的两处同时反方向驱动.研究中采用硅微机械技术实现了集成谐振悬臂梁的制作,并研制出了高性能的谐振传感器闭环接口电路.在空气中进行谐振实验,与传统一阶模态传感器相比,采用该优化驱动的二阶模态,谐振品质因数从195提高到857,谐振频率从49·156提高到298·132kHz,采用Allen方差的方法对谐振频率噪声进行分析,表明该优化驱动的二阶模态传感器将传统的一阶模态传感器质量分辨率从0·17改善到0·029pg,达到了4个痘病毒的质量分辨水平.