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微悬臂梁品质因数调控模块研究

李树民  
【摘要】: 随着MEMS微加工技术的发展,微悬臂梁作为一种高灵敏度的纳米传感元件广泛应用于物理化学生物等传感领域,如温度、湿度检测,生化分子识别,DNA分子成像等。微悬臂梁有两种工作模式:静态弯曲模式和动态共振模式,可用于传感器中作为换能元件,将微观物理、化学变化转换成容易检测的电学或机械量。 品质因数是反映微悬臂梁动态振动的一个重要参数,它受环境阻尼影响,随着阻尼增大,微悬臂梁的品质因数大幅度降低,它直接影响动态工作模式下微悬臂梁传感器的检测精度和原子力显微镜轻敲模式下的成像质量。 本课题从微悬臂梁的振动模型出发,对微悬臂梁阻尼条件下的受迫振动进行分析,推导了微悬臂梁在阻尼条件下的受迫振动方程。根据环境阻尼和液体粘性对微悬臂梁品质因数的影响,给出了品质因数调控的原理,并以此为基础设计了品质因数调控模块,可在原子力显微镜成像时进行品质因数调控以改善成像质量,也可在生化传感技术中提高品质因数以提高检测精度。 本文的主要研究内容包括: 1.根据机械振动的理论,建立了微悬臂梁无阻尼振动和阻尼受迫振动的方程,通过分析环境阻尼对微悬臂梁品质因数的影响,推导了品质因数调控的基本方法以及提高和降低品质因数的方法。 2.在分析品质因数调控方法的基础上,设计了品质因数调控模块,搭建硬件模块并编制了相应的控制软件。 3.以品质因数调控模块驱动微悬臂梁进行扫频实验,测量不同品质因数下微悬臂梁振动的幅频特性曲线和相频特性曲线,分析了品质因数对频谱曲线的影响。 4.将品质因数调控模块与Veeco公司Multimode SPM连接,在阻尼环境下对凝胶进行了轻敲模式成像实验,验证本品质因数调控模块的性能,并分析了品质因数调控对成像质量的影响。


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