一种利用发光二极管阵列实现微悬臂梁高阶共振激发的方法及应用技术

利用发光二极管阵列实现微悬臂梁高阶共振激发的方法及应用，发光二极管阵列对微悬臂梁进行频率照射，所述微悬臂梁产生频率振动信号。由函数信号发生器输出的频率为f/N相位差为2π/N的相同振幅且加一偏压的交流信号分别控制N个发光二极管，这样在时域上便会表现出一个频率为f的信号，利用其驱动微悬臂梁振动，则振动频率为f，实现了由发光二极管阵列激发高阶振动的目的，提高微悬臂梁作为探测器或传感器的灵敏度。微悬臂梁作为气体或液体探测器使用时，当采用不同波段发光二极管阵列激发处于所测气体或液体环境中的微悬臂梁共振时，便可由共振振幅或品质因子的改变获得所处气体或液体对不同波段光的吸收，以确定气体或液体的组份及含量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，属于微机电器件振动的

技术介绍
微悬臂梁(Micro-cantilever)作为一种常用的微机电器件，通常以晶体生长为基础，通过半导体工艺加工而成。它由底座部分(Bulk)和梁部分(Beam)构成，梁的一端为自由端，作为原子力显微镜使用时通常还要附着一探针，另一端则固定在底座上。对于常用的微悬臂梁，材料一般为硅或者氮化硅，其长度在几十微米到几百微米，宽度在几微米到几十微米，厚度在一到两个微米不等。其所具有的质量小、弹性系数小、共振频率高等力学特点，使得它特别适合用于制造各种超高精度传感器。微悬臂梁的应用本质主要体现在对其共振频率或品质因子随外界环境改变的基础上进行检测。对其共振频率的激发主要包括以下几种激励源:压电式激发:1991年D.Rugar等人在Physical Review Letters发表文章将微悬臂梁与压电换能器(通常选择压电陶瓷片)粘贴在一起，并在压电陶瓷的振动方向上施加一交流电信号从而使压电陶瓷以外加电流的频率振动，即可通过压电陶瓷的振动带动微悬臂梁的振动。但是由于压电陶瓷片均有其谐振频率，且外加电信号频率在其谐振频率附近时，压电片具有比较大的振动。这造成当外加电信号在固定幅值下做频率扫描时，压电片在不同电信号频率下的振幅也不同，因此测得的微悬臂梁振动强度随频率的变化关系，需要消去压电片自身在相应频率下的振幅(归一化)，才能真正得到微悬臂梁的频率响应曲线。归一化过程需要额外的数据测量与数据处理，势必造成实验效率的下降和实验误差的增大。另外，通常选用的压电器件为压电系数较大的含铅陶瓷，具有一定的毒性。电场力激发:2006年 J.Gaillard 等人在 Review of Scientific Instruments 发表文章利用电场力成功激发微悬臂梁振动。主要结构为微悬臂梁和与之平行放置的对电极。通过在微悬臂梁与对电极之间施加具有一定偏压的交流信号，二者之间的交变电场力便可驱动微悬臂梁振动。电场力激发的缺点就是它仍然是一种接触式激发方式，需要对电极的配合才能实现激发，这在一定程度上限制了其应用范围，比如在电化学过程中就难以应用。磁场力激发:1996年A.N.Cleland等人在Applied Physics Letters发表文章，令微悬臂梁的两端固定在两个固定端上，两个固定端之间可通过外部信号发生装置施加交流电信号。当在与微悬臂梁长度方向垂直的方向上加入磁场后，在安培力的驱动下，微悬臂梁就以外加交流电信号的频率，在垂直于磁场和电流构成的平面方向上振动。这种激发方式的缺点在于:(I)只适用于两端固定的微悬臂梁，对于单端固定的微悬臂梁不适用；(2)要求微悬臂梁必须能够导电；(3)外围设备复杂，成本昂贵。超生波激发:2010年ThomasΜ.Huber等人在Applied Physics Letters发表文章利用超声波激发悬臂梁振动。超声波激发属于区别于传统接触式激发的一种新型非接触式激发方式，这种激发方式不需要将微悬臂梁与任何换能装置绑定，使微悬臂梁得到“解放”，这增加了传感器潜在的应用领域。由于微悬臂梁周边没有任何绑定物，只需将超声换能器发出的具有一定频率的超声波辐射微悬臂梁，微悬臂梁即可以超声波的频率进行振动。但是超声波激发也有其不足之处:(I)超声波难以聚焦，这势必造成能量利用率下降；(2)超声波的传播需要一定的介质作为载体，从而不能在真空中传播，而为了让微悬臂梁传感器获得更高的探测精度，将其置于真空环境是重要手段之一。激光激发:1998年喻浩等人在光学学报发表文章，利用激光与物体的光热效应成功实现了微悬臂梁的振动。激光激发是一种新型的远程非接触式激发。由于激光聚焦容易，且可以长距离激发微悬臂梁振动，相较于其它激发方式具有一定的优势。但是一般利用斩波器或者外部电路调制激光脉冲，其频率覆盖范围窄，脉冲激光设备昂贵、可调连续激光器调制频率低下、光谱覆盖范围窄，为了有效激发，通常还要镀一层金属以利用两层材料的热膨胀系数差产生振动。随着微悬臂梁传感器的发展，为了提高品质因子和探测精度，通常会使用共振频率非常高的微悬臂梁，甚至会超过1MHz。在这种情况下，传统的激光激发技术难以应用，因为产生如此高频的周期激光在技术上难以实现。如果激光发射器通过商业产品中常见的电路控制器，最多可以产生频率为几个kHz的周期激光。即使配备尖端的开关电路，周期激光照射的频率上限通常也只能达到几百个kHz，还远远达不到对超高共振频率的微悬臂梁进行共振激发的要求。同时，尖端设备不但使制造成本大幅提高，并且不利于探测器的小型化。若利用脉冲激光器，其价格通常极其昂贵，且庞大笨重，另外其扫频信号通常不能从低阶频率开始，极大地限制了其应用。另外对于由低阶信号源激发微悬臂梁高阶共振的方法也曾有报道，中国专利102620751A公开了一种利用低阶脉冲电信号激发微悬臂梁共振的方法。其原理是当脉冲电信号的频率是微悬臂梁探针共振频率的分数倍时，其高阶傅立叶谐波包含与微悬臂梁共振频率相同的成分，可以驱动悬臂梁在共振频率下振动。由于高阶傅立叶谐波能量相较于原频率已经极其微小，从而不能有效激发微悬臂梁大幅度高阶振动。特别对于研宄微悬臂梁非线性振动，此方法具有一定的局限性。在应用上，微悬臂梁作为气体或液体传感器具有广泛的应用价值，以往都是通过在微悬臂梁表面镀上一层功能化的敏感材料实现对气体的检测。微悬臂梁在气体检测过程中由于气体分子与敏感层的吸附，引起微悬臂梁表面应力或质量改变，最终导致微悬臂梁共振频率或品质因子的改变，通过改变量的大小达到气体检测的目的。但是对悬臂梁镀层增加了工艺，提高了成本。另外，由于一种镀层材料可能对几种气体敏感，这就限制了检测气体的准确度，另外不同气体也有可能对应不同的敏感材料，使得其难于检测混合气体，应用范围有限。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提出了一种利用发光二极管阵列实现微悬臂梁高阶共振激发的方法。本专利技术还涉及一种上述激发方法的应用。本专利技术的技术方案如下:一种利用发光二极管阵列实现微悬臂梁高阶共振激发的方法，发光二极管阵列对微悬臂梁进行频率照射，所述微悬臂梁产生频率振动信号，信号发生装置进行频率扫描时，即得到微悬臂梁的振动频域响应，得到所述微悬臂梁各阶共振频率f和品质因子；由上述信号发生装置输出的交流电信号激励发光二极管发光并控制其发光频率，所述发光频率与交流电信号的频率同步；所述微悬臂梁由于光热效应在其表面产生温度差，此温度差造成的不同部位的膨胀程度不同而导致微悬臂梁的振动；当信号发生装置进行频率扫描时，便可得到微悬臂梁的频域响应，进而求得其各阶固有振动频率和品质因子;由信号发生装置输出的频率为f/N，相位差为2Ji /N的交流信号分别控制N个发光二极管，其发光频率为f/N，发光强度由信号发生装置输出交流信号的峰峰值决定，则发光二极管阵列在时域上表现出一个频率为f的脉冲信号，通过辐射微悬臂梁实现其频率为f的高阶振动，即实现N倍频。即实现了由发光二极管阵列激发微悬臂梁高阶振动的目的，极大地拓宽了频率探测范围。相较于传统激光激发利用光热效应激励微悬臂梁振动，需在微悬臂梁表面镀层金属以提高激光的吸收率，增大吸热量，发光二极管波长覆盖范围广，除可利用悬臂梁材本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用发光二极管阵列实现微悬臂梁高阶共振激发的方法，其特征在于，发光二极管阵列对微悬臂梁进行频率照射，所述微悬臂梁产生频率振动信号，信号发生装置进行频率扫描时，即得到微悬臂梁的振动频域响应，得到所述微悬臂梁各阶共振频率f和品质因子；由上述信号发生装置输出的交流电信号激励发光二极管发光并控制其发光频率，所述发光频率与交流电信号的频率同步；由信号发生装置输出的频率为f/N，相位差为2π/N的交流信号分别控制N个发光二极管，其发光频率为f/N,发光强度由信号发生装置输出交流信号的峰峰值决定，则发光二极管阵列在时域上表现出一个频率为f的脉冲信号，通过辐射微悬臂梁实现其频率为f的高阶振动，即实现N倍频。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘铎，高乃坤，林贯军，张茜，林晓煜，赵东方，贾冉，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37