AFM-TM微悬臂梁系统混沌运动及控制算法分析

针对轻敲式原子力显微镜微(AFM-TM)悬臂梁系统的混沌运动会严重影响到AFM-TM的测量精度的问题,对该系统动力学特性及控制算法进行了分析。首先,通过数值仿真,综合利用Lyapunov指数、分岔图、Poincaré截面和相位图分析了外部激励幅值变化时AFM-TM微悬臂梁系统运动特性的演化;然后,提出将延时反馈控制和模糊自适应延时反馈,用于控制系统的混沌运动;最后,对两种控制算法进行了比较。研究结果表明,当无量纲外部激励幅值在[0.65,0.85]等取值区间内取值时,系统表现出明显的混沌运动特性;延时反馈控制和模糊自适应延时反馈控制均能有效的将系统的混沌运动拉回到周期轨道,但模糊自适应延时反馈更适用于AFM-TM被测样品变化的复杂情况。结果对AFM-TM微悬臂梁外部激励参数选择、非线性系统复杂动力学特性分析和混沌运动控制提供有意义的理论参考。

微悬臂梁传感系统在Au-半导体复合纳米材料微热量检测中的应用

文中采用一种基于微悬臂梁传感器的检测系统,实现了对Au-半导体复合纳米材料的微热量检测。根据光杠杆检测的方法研究了Au-半导体复合纳米材料光热转换散发热量对微悬臂梁挠度的影响。为验证系统对此类材料微热量检测的适用性,实验选用了已知在530 nm处光热吸收峰的Au-ZnO粉末样品材料,分别取多组不同质量的样品材料进行检测,通过最小二乘法拟合出温度变化与微悬臂梁偏移量之间的关系。结果显示:温度变化与微悬臂梁偏移量呈线性关系,且0.1 mm 2面积的样品薄膜拟合曲线的线性相关系数为0.9961。比较温度检测值与实验系统的拟合值,结果基本一致,验证了系统的可靠性。

谐振微悬臂梁传感器的工作原理及其在生化检测中的研究进展

谐振微悬臂梁是一种可以将质量变化转换为频率信号的微质量型传感器,因其分辨率高、灵敏度高、成本低、易于集成和小型化等优点而备受关注。谐振微悬臂梁现已被广泛应用于流量控制、生物医学痕量检测、气态和液态分子分析等领域。近年来,随着微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)技术的快速发展,针对谐振式微悬臂梁传感器的研究与应用越来越多,对近年来谐振式微悬臂梁传感器在环境检测、生物医学等领域的具体应用进行了综述,并对未来的发展方向做出了展望。

基于混沌理论的原子力显微镜微悬臂梁结构及材料选择分析

原子力显微镜微悬臂梁运动方程在特定条件下表现出混沌运动并严重影响其测量精度,如何避免或降低混沌运动的影响,是近年来微悬臂梁系统研究的重点。以原子力显微镜微悬臂梁的运动方程为出发点,确定状态空间方程中各参数的取值范围,然后应用分岔图和李雅普诺夫指数图等方法分析状态空间方程中各参数变化时系统的动态响应,得到系统产生混沌运动时各参数的临界值,进而由参数定义确定各参数变化的影响因素,最终对系统结构及材料选择进行分析。结果表明,在特定条件下,V形结构微悬臂梁,氮化硅和硅混合材质的微悬臂梁能够有效的避免系统出现混沌运动。研究结果对原子力显微镜微悬臂梁结构及材料选择提供了有意义的理论参考,对改善原子力显微镜的测量精度,具有工程实用价值。

飞秒激光加工微悬臂梁薄膜光纤声波传感器

设计并制作了一种光纤微悬臂梁传感器,由于悬臂梁在受迫振动过程中不会产生拉伸变形,与四周固定的圆形密闭薄膜相比,会产生更高的声波灵敏度。采用飞秒激光加工制作微悬臂梁薄膜光纤声波传感器,制备出长宽均为500μm,厚6μm的微悬臂梁结构。通过实验得到其反射光谱对比度为8.8 dB,自由光谱范围为7.72 nm,理论计算得光纤法布里-珀罗腔长为155.6μm。研究结果表明,该光纤声波传感器在2200 Hz处出现明显的共振峰,对应的声压灵敏度为414 mV/Pa,在300 Hz时有最大的灵敏度675 mV/Pa,与普通硅橡胶薄膜声波传感器相比灵敏度显著提高。理论计算硅橡胶微悬臂梁光纤声波传感器的一阶共振频率为198 Hz,与实验测得的共振频率较为接近。同时悬臂梁传感器的声压灵敏度可达675 mV/Pa,声压响应线性度为0.994。

基于压电微悬臂梁的煤矿巷道风速检测仿真研究

为了验证压电微悬臂梁检测煤矿巷道风速的可行性,提出利用仿真软件建立流固耦合及压电效应多物理场仿真模型进行模拟分析的方法。该方法通过固定风速检测通道和压电微悬臂梁尺寸及其相对位置,由小到大改变检测通道入口风速大小,风使压电微悬臂梁受力,产生电势变化,通过检测该电势实现对风速的模拟检测。仿真结果表明,风速增大,压电微悬臂梁同一电势监测点的电势也增大,二者线性相关,线性相关系数约为0.9994。

热激励微悬臂梁谐振器品质因数研究

基于对影响微悬臂梁谐振器品质因数的内摩擦、支座损耗、氧化层（或镀层）损耗和分子阻尼、空气阻尼和压膜阻尼等阻尼机制的理论分析，计算出不计成型槽阻尼时微梁在高真空、分子阻尼或粘性空气中谐振的品质因数，提出较小的成型槽宽度可降低在粘性空气中谐振的微悬臂梁谐振器的品质因数．制作了成型槽宽度不等的电热激励-压敏电阻检测硅-二氧化硅双层结构微悬臂梁谐振器，测试了其在粘性空气中的品质因数．实验数据表明：对成型槽宽度大于梁宽度的微悬臂梁谐振器，测量值与计算值符合较好，反之具有较大误差．

微悬臂梁在化学及生物传感器中的应用进展

微悬臂梁结构传感器以其低成本、小体积、高性能在当今传感器研究中愈来愈受到重视。文章概述了以微悬臂梁为主要结构的传感器在化学及生物探测中的应用进展,介绍了几种可能用于化学和生物探测的高性能微悬臂梁传感器。

纳米硬度计研究多晶硅微悬臂梁的弹性模量

利用纳米硬度计通过微悬臂梁的弯曲试验来测量其力学特性是一种简便而有效的方法 ,具有很高的载荷分辨率 ,可精确测量微悬臂梁纳米级弯曲形变。运用该方法在研究微悬臂梁的弯曲形变过程中 ,必须考虑压头在微悬臂梁上的压入以及微悬臂沿宽度方向的挠曲。微悬臂梁采用普通的集成电路工艺 (IC)制造。试验研究表明 ,多晶硅微悬臂梁的纯挠曲与载荷成很好的线性关系 ,呈现弹性变形 ,通过该线性关系可计算得到梁的弹性模量。测得的多晶硅微悬臂梁的弹性模量为 15 6± (2 9% -6 3% )GPa。

微悬臂梁检测三肽Gly-Gly-His与Cu2＋的相互作用过程

将三肽Gly-Gly-His(GGH)共价键合到MPA修饰的微悬臂梁表面,研究了肽与Cu2+的相互作用过程。研究发现,在Cu2+浓度较高时,Cu2+能快速与不同肽链上的羧基和咪唑环配位,并通过连锁反应诱导悬臂梁向镀金面偏转;而后肽链上的氮原子与Cu2+配位,同时构象发生变化,由直链转变成折叠状,进而增加链间的作用力使悬臂梁反向偏转;而Cu2+浓度低时不能实现连锁反应诱导悬臂梁表面快速的形成向内的拉力,直接通过构象变化推动悬臂梁反向偏转。考察了溶液pH值、Cl-浓度对GGH与Cu2+作用的影响,结果表明,在pH7.0的条件下GGH与Cu2+作用导致悬臂梁偏转最大。Cl-的存在会与Cu2+形成CuCl2x?x配合物不易与肽链结合。

碳纳米管压阻微悬臂梁红外热探测器

研究了一种压阻复合层微机械悬臂梁红外探测器,建立了其热挠曲理论模型。为提高探测器的红外吸收特性,应用了一种新型红外吸收层材料—碳纳米管,利用IC工艺和微机械加工技术设计制作了一种硅/铝/碳纳米管三层微机械悬臂梁红外探测器。该探测器基于硅和铝两种材料热膨胀系数的差异,存在双物质效应,不同温度下梁的挠度不同,其形变可通过梁根部的压敏电桥检测。实验探索出了在微机械悬臂梁上涂覆碳纳米管吸热层的工艺方法。实验研究了具有碳纳米管薄膜吸热层的三层微机械悬臂梁红外热探测器对红外辐射的响应规律,结果表明,涂覆碳纳米管吸热层使响应灵敏度提高近1倍。此种探测器样管的制作研究为开发新型的红外热探测器提供了新的可能。

利用微悬臂梁传感对瘦肉精进行非标记检测

目的利用微悬臂梁传感技术对瘦肉精抗原抗体的特异性结合进行检测。方法将巯基化的瘦肉精抗体通过自组装修饰到微悬臂梁的金面,在加入不同浓度的瘦肉精标准样品的过程中,通过光杠杆原理监测微悬臂梁的实时弯曲信号。巯基化瘦肉精抗体的活性和微悬臂梁上抗原抗体的结合得到酶联免疫吸附(ELISA)实验的验证。结果该系统能够检测至少1μg/L浓度的瘦肉精标准样品,而且具有很强的选择性,在对照实验中加入不含瘦肉精的1 mg/L氯霉素溶液没有响应。另外,瘦肉精抗原抗体的结合导致微悬臂梁产生压应力,而且微悬臂梁表面应力的改变与样品浓度的对数成线性关系。结论利用微悬臂梁传感技术对瘦肉精的检测是可行的。

压电微悬臂梁振动能量采集器谐振频率和功率的研究

压电振动能量采集器可将自然界中广泛存在的机械振动能转换为电能,并且一直向微型化电源的目标迈进.为此,以矩形压电微悬臂梁结构作为换能单元,通过对压电层等效电流源和单相桥式整流电路的理论及相关公式的推导,得出微能量功率的计算公式.通过分析看出,在实际设计压电振动能量采集装置时,可采用适当增加质量块质量和减小梁长度的方式来满足整体结构在自然环境中实现低频谐振、获得较大的功率输出的设计要求.

基于BST微悬臂梁横向挠曲电系数的测定

挠曲电材料具有高力电耦合系数、尺度效应及对环境温度无特定要求等特点,有望用于传感器、作动器及结构健康监测等领域。基于钛酸锶钡(BST)微悬臂梁结构,实验分析了横向挠曲电系数对驱动频率的依赖关系,并讨论了尺度效应。利用压电微驱动器的低频激振,获得了横向挠曲电系数。结果表明,作为传感器,挠曲电材料在传感方面呈现出明显的尺度效应,当梁的厚度减小到微纳米尺度时,其传感特性将优于压电材料。

矩形微悬臂梁的流固耦合谐振频率分析

为了得到矩形微悬臂梁的谐振频率与流体密度的理论关系式,建立了微悬臂梁与流体的耦合振动微分方程.通过叠加微悬臂梁的真空振型替代微悬臂梁的流固耦合振型,将流体对微悬臂梁的影响转换为流体动压力,利用真空振型的正交性对振动微分方程进行求解,从而得到悬臂梁谐振频率与流体密度的函数关系.在此基础上,对浸没于10～30℃正庚烷和异辛烷中的单晶硅微悬臂梁的谐振频率进行理论计算、仿真分析和实验测量,将谐振频率的理论计算值分别与仿真和实验值进行比较,结果表明：理论值和仿真值的绝对偏差低于2.8％,理论值和实验值的绝对偏差低于0.9％,验证了悬臂梁的流固耦合谐振频率与流体密度理论关系式的正确性,为流体密度的测量和传感器尺寸的微型化提供了理论基础和参考依据.

压电微悬臂梁微弱压电信号检测

压电微悬臂梁是一种利用压电元件的逆压电效应驱动微悬臂梁使其振动,并利用压电元件的压电效应来检测梁的变形量的集成微驱动器和微传感器。文中讨论了压电微悬臂梁中的压电元件的两种等效电路模型,并且提出了检测微压电信号的检测系统以及两种前放电路。在检测微悬臂梁频率响应特性的实验中得到了较好的结果。

基于微悬臂梁的化学传感器的灵敏度研究

基于探测的原理,在动态模式下,首先对不同结构梁的本征频率偏移量进行了有限元分析,结果表明三角形梁的灵敏度最高。然后重点针对不同结构参数的三角形梁进行了动态计算,获得了其频率偏移量随结构参数变化的关系曲线。另外,通过静态模式下的有限元计算,发现各种梁自由端的偏移量相同,表明它们的静态灵敏度与形状无关。最后,对三角形梁在不同测量模式下结构参数的优化设计进行了分析。

AFM微悬臂梁探针弹性常数各种标定方法的比较与分析

微悬臂梁探针是基于原子力显微镜(AFM)的微纳尺度力学测试中重要的力传感元件,其弹性常数的准确程度直接影响力学测量结果的可靠性。但是,目前已有的众多标定微悬臂梁探针弹性常数的方法都有各自的局限性,且准确性各异,因此需要对各种方法进行对比来选择出最佳方法。选取三种商用悬臂梁探针利用本实验室搭建的基于天平法的可溯源微悬臂梁探针弹性常数标定仪对其法向弹性常数进行标定,之后再将相同悬臂梁用三种常用标定方法(尺寸参数法,Sader法,热噪声法)进行再次标定。对不同方法测量结果进行比较,分析并详细讨论每种方法的优缺点与适用范围。结果表明相比于其他方法,微悬臂梁探针弹性常数标定仪(天平法)可测范围广,精度高,可溯源,可成为精确标定各种悬臂梁探针弹性常数的最佳方法之一。

S型折叠式微悬臂梁刚度计算

针对目前没有成熟的设计计算S型折叠式悬臂梁刚度公式的问题,本文利用能量法和胡克定律推导了S型折叠悬臂梁x向、y向和z向的刚度计算公式。推导过程中发现对于复杂的微悬臂梁结构,其转角处的弯矩对最终结果影响较大,不可忽略。在ANSYS中对S型折叠悬臂梁建模,应用有限元法计算了S型悬臂梁的刚度,并和理论公式进行了对比。与有限元法对比显示,公式计算值的相对误差分别为0.67%、1.09%和2.95%,均小于3%。应用图像测位移法对S型悬臂梁进行了x、y向的拉伸实验,实验显示得到的实验值和理论值吻合,表明本文推导的S型悬臂梁的刚度计算公式合理,能够为该类型悬臂梁的设计和计算提供理论依据。

集成硅微悬臂梁融合式传感器制造技术

简要地描述了以各种微结构的硅悬臂梁作为敏感元件构成的不同用途的新型融合式传感器及其列阵；介绍了硅微悬臂梁融合式传感器的设计和制造工艺；对笔者正在研究的硅微悬臂梁与光纤组合式列阵感器作了初步的报道。研究结果表明这是一种很有前途的技术。