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飞秒激光加工微悬臂梁薄膜光纤声波传感器

光子学报 2023年第10期52卷 209-219页

作者：郑怡雯陈永璋唐前浩朱一新于永芹杜晨林阮双琛深圳技术大学广东省高校先进光学精密制造技术重点实验室深圳518118 深圳技术大学新材料与新能源学院深圳518118 深圳技术大学中德智能制造学院深圳518118

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... 详细信息

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。

关键词：光纤声波传感器微悬臂梁飞秒激光微加工声压灵敏度法布里-珀罗干涉仪

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基于镀钯微悬臂梁探针的光纤氢气传感器

激光与光电子学进展 2023年第23期60卷 123-129页

作者：张莉超黄嘉斌徐磊王义平廖常锐深圳信息职业技术学院智能制造与装备学院广东深圳518172 深圳大学物理与光电工程学院光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室深圳市超快激光微纳制造重点实验室广东深圳518060 深圳职业技术大学电子与通信工程学院广东深圳518055

为了快速检测氢气泄漏,迫切需要开发一种更安全、浓度检测下限更低的氢气传感器。将镀有钯膜的微悬臂梁探针与单模光纤端面进行组装,设计了一种易制备且低成本的光纤氢气传感器。实验结果表明,该传感器具有超高的氢气响应灵敏度,约为−9.... 详细信息

为了快速检测氢气泄漏,迫切需要开发一种更安全、浓度检测下限更低的氢气传感器。将镀有钯膜的微悬臂梁探针与单模光纤端面进行组装,设计了一种易制备且低成本的光纤氢气传感器。实验结果表明,该传感器具有超高的氢气响应灵敏度,约为−9.887μm/%,同时具有低至1.76×10^(−3)%的超低检测下限和优异的重复性。在痕量氢气体积分数条件下,该传感器对氢气体积分数表现出优异的线性响应,这对痕量气体检测具有重要意义,使其在氢能源电池、核电站和太空探索中具有重要的应用价值。

关键词：光纤传感器氢气检测微悬臂梁钯膜

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

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仪表技术与传感器 2023年第2期 12-16页

作者：滕艳华王启明周宁鸿冯贺许艺婷刘松薛长国安徽理工大学材料科学与工程学院安徽淮南232001

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... 详细信息

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。

关键词：微悬臂梁 Au-ZnO 温度检测光热光谱热膨胀传感器

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微悬臂梁传感器的光学检测系统研究

微悬臂梁传感器的光学检测系统研究

作者：李虹霞江苏大学

学位级别：硕士

微悬臂梁传感器是MEMS传感器的基本结构之一,主要用于微纳传感检测,具有体积小质量轻、非标记、灵敏度高、响应速度快等优点,目前已在生物医学、化学、材料、环境监测等领域成为研究热点。随着微悬臂梁检测技术的不断改进,对其检测系统... 详细信息

微悬臂梁传感器是MEMS传感器的基本结构之一,主要用于微纳传感检测,具有体积小质量轻、非标记、灵敏度高、响应速度快等优点,目前已在生物医学、化学、材料、环境监测等领域成为研究热点。随着微悬臂梁检测技术的不断改进,对其检测系统的多功能化提出了要求,本文以微悬臂梁传感器的检测系统为研究对象,通过分析微悬臂梁动静态工作模式下的偏转位移和共振频率变化,设计并搭建一套基于光杠杆原理的微悬臂梁传感器光学检测系统,该系统能够同时实现对微悬臂梁的静态和动态检测,具体研究内容如下:(1)设计基于光杠杆原理的检测光路。光路模块包括光源、反射镜、透镜、和光电探测器等光学件,通过光学结构搭建能够将微悬臂梁的微小位移放大216倍,根据光电探测器的噪声影响,理论上检测系统能够检测到的最小位移为26.6nm。(2)设计微悬臂梁的夹持机构及动态激励装置。微悬臂梁夹持机构采用机械固定的方式便于拆卸,外部驱动的压电陶瓷谐振频率为315k Hz,响应测试的迟滞性误差为11%,符合微悬臂梁的驱动要求;压电驱动电源模块采用信号发生器与功率放大器组合的形式,同时满足了激励信号的输出要求及压电陶瓷75V的驱动电压要求。(3)编写图像显示和数据采集处理程序。引入图像采集光路,并利用Lab VIEW平台设计图像监测面板;设计光电探测器的信号处理模块,将输出的μA级的光电信号进行转换及运算放大为m V级,数据采集卡将电压信号送至上位机软件;数据采集与处理模块采用生产者-消费者的结构确保数据不会流失,动态测试时根据微悬臂梁的空载谐振频率12.324k Hz及梁上的附加质量设置扫频信号,对滤波后的信号作FFT分析得出时频信息。(4)搭建整体检测系统并完成系统的性能测试。微悬臂梁传感器上分别加载直径约50μm的Mo粒子和FeO粒子,理论质量分别是13.34μg、5.085μg,静态测得Mo粒子的质量为12.12μg,相对误差9.15%,测得FeO粒子的质量为4.67μg,相对误差8.16%;动态测得Mo粒子的质量为12.05μg,相对误差9.67%,测得FeO粒子的质量为4.62μg,相对误差9.14%;分析测量误差可以看出,静态模式下集中载荷的测量误差比均匀载荷的测量误差小,动态模式下梁表面粒子质量集中分布的测量误差比粒子质量均匀分布的测量误差小,测量结果表明系统可用于检测微小质量。

关键词：微悬臂梁光杠杆动静态检测压电陶瓷

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微悬臂梁非致冷红外探测器的研制

红外与毫米波学报 2006年第1期25卷 46-49页

作者：刘海涛陈永平梁平治中国科学院上海技术物理研究所

介绍了一种基于标准硅工艺的微悬臂梁非致冷红外探测器的设计和制作.由于氮化硅和铝的热膨胀系数相差很大,用这两种材料的薄膜做成的双材料微悬臂梁在红外辐射下温度升高并发生弯曲,微悬臂梁和衬底形成一个可变电容,通过检测电容的变化... 详细信息

介绍了一种基于标准硅工艺的微悬臂梁非致冷红外探测器的设计和制作.由于氮化硅和铝的热膨胀系数相差很大,用这两种材料的薄膜做成的双材料微悬臂梁在红外辐射下温度升高并发生弯曲,微悬臂梁和衬底形成一个可变电容,通过检测电容的变化来反映微悬臂梁的弯曲,从而可以探测红外辐射的情况.利用外部测试设备对单元探测器进行测试表明,该微悬臂梁对红外辐射有很高的响应.

关键词：非致冷红外探测器微悬臂梁电容微电子机械系统

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电容式内嵌通道微悬臂梁传感器研究

电容式内嵌通道微悬臂梁传感器研究

作者：何沛凌江苏大学

学位级别：硕士

微悬臂梁传感器是一种比较常见的MEMS元器件,广泛应用于各个领域,通过设计不同的微结构能够实现不同的检测效果,还具有体积小、灵敏度高、分辨率高等优点,在生化领域的应用越来多,常被用于微小质量检测、液体浓度检测、气体浓度检测等... 详细信息

微悬臂梁传感器是一种比较常见的MEMS元器件,广泛应用于各个领域,通过设计不同的微结构能够实现不同的检测效果,还具有体积小、灵敏度高、分辨率高等优点,在生化领域的应用越来多,常被用于微小质量检测、液体浓度检测、气体浓度检测等各个方面。本文结合SON结构的特点,设计了一种电容式内嵌通道微悬臂梁传感器,具体工作如下:(1)电容式内嵌通道微悬臂梁传感器的输入输出特性研究。对电容式内嵌通道微悬臂梁传感器的工作原理进行分析,建立电容式内嵌通道微悬臂梁传感器的输入输出关系,给出电容式内嵌通道微悬臂梁传感器的电容计算公式。分析了在均匀流体和集中载荷下电容式内嵌通道微悬臂梁传感器的输出电容计算公式,得到输入载荷和电容式内嵌通道微悬臂梁传感器输出电容的关系式。(2)电容式内嵌通道微悬臂梁传感器的模拟仿真分析。使用COMSOL多物理场仿真软件,通过对固体力学与静电场两个物理场进行耦合,建立电容式内嵌通道微悬臂梁传感器的仿真模型。仿真分析了电容式内嵌通道微悬臂梁传感器在集中载荷和均匀载荷两种载荷下,不同的结构尺寸参数对电容式内嵌通道微悬臂梁传感器输出电容的影响,为传感器的尺寸设计和优化提供依据。(3)电容式内嵌通道微悬臂梁传感器的加工和制作。结合SON结构的加工工艺,设计好电容式内嵌通道微悬臂梁传感器的尺寸,完成电容式内嵌通道微悬臂梁传感器制作,并采用导电玻璃制作电极。制作好的电容式内嵌通道微悬臂梁传感器的长度为750μm、宽度为90μm、厚度为10μm、内部微通道的长度为700μm、宽度为20μm、高度为2.739μm。(4)电容式内嵌通道微悬臂梁传感器的测试。搭建电容式内嵌通道微悬臂梁传感器的测试系统,分别对内嵌通道中充满水溶液、不同浓度乙醇溶液、以及含有单个PMMA微球水溶液的传感器进行了测试。在电极距离5μm时,测得水的密度为1.056g/cm,相对误差为5.6%;乙醇溶液的密度为0.829g/cm,相对误差为5.1%;50%乙醇溶液的密度为0.967g/cm,相对误差为5.9%;半径1μm的PMMA微球的质量为0.442ng,相对误差5.8%。电容式内嵌通道微悬臂梁传感器对微球质量测试的重复性误差为5.25%。

关键词：微悬臂梁电容式内嵌通道质量检测密度检测

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微悬臂梁谐振技术检测溶液粘度的研究

压电与声光 2005年第5期27卷 572-574页

作者：李艳宁唐洁饶志军傅星胡小唐天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室天津300072

提出了一种测量溶液粘度的微悬臂梁谐振技术。推导了溶液粘度与微悬臂梁的谐振频率的理论关系式,并利用原子力显微镜的微悬臂梁测量了不同质量分数的甘油溶液和蔗糖溶液的粘度。与落球法测量结果的比较表明,利用微悬臂梁谐振频率技术测... 详细信息

提出了一种测量溶液粘度的微悬臂梁谐振技术。推导了溶液粘度与微悬臂梁的谐振频率的理论关系式,并利用原子力显微镜的微悬臂梁测量了不同质量分数的甘油溶液和蔗糖溶液的粘度。与落球法测量结果的比较表明,利用微悬臂梁谐振频率技术测量液体粘度的误差小于4%。这种方法不仅可以作为液体粘度的一般性测量方法,也可以通过检测溶液粘度变化来监测溶液中的化学反应。

关键词：粘度微悬臂梁谐振频率原子力显微镜

微悬臂梁适配子传感器检测维埃克斯、沙林及动力学分析

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分析化学 2014年第8期42卷 1143-1148页

作者：刘志伟童朝阳郝兰群刘冰穆晞惠张金平高川防化研究院国民核生化灾害防护国家重点实验室

采用生物素-亲和素法在微悬臂梁传感芯片上固定维埃克斯、沙林适配子,建立了压阻式微悬臂梁适配子传感器检测维埃克斯、沙林及动力学分析方法。传感器对维埃克斯检测的线性范围为2;0μg/L,线性回归方程为ΔUe=0.886C-1.039（n=5,R=0.984... 详细信息

采用生物素-亲和素法在微悬臂梁传感芯片上固定维埃克斯、沙林适配子,建立了压阻式微悬臂梁适配子传感器检测维埃克斯、沙林及动力学分析方法。传感器对维埃克斯检测的线性范围为2;0μg/L,线性回归方程为ΔUe=0.886C-1.039（n=5,R=0.984,p微悬臂梁传感器输出电压变化之间的关系,建立了传感器检测维埃克斯、沙林的反应动力学模型,根据拟合方程求出的传感器对不同浓度维埃克斯、沙林反应达到平衡时的响应电压（ΔUe）、响应时间（t0）均与实测值非常接近。

关键词：微悬臂梁适配子传感器维埃克斯沙林动力学分析

利用微悬臂梁表面应力研究聚N-异丙基丙烯酰胺分子的构象转变

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物理学报 2006年第8期55卷 4111-4116页

作者：李凯刘红张青川侯毅张广照伍小平中国科学技术大学中国科学院材料力学行为和设计重点实验室合肥230027 中国科学技术大学化学物理系合肥230026

提出了一种基于微悬臂梁传感技术研究大分子折叠构象转变的新方法.通过分子自组装的方法将热敏性的聚N异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)分子链修饰到微悬臂梁的单侧表面,用光杠杆技术检测温度在20—40℃之间变化时由于微悬臂梁上的PNIPAM分子在... 详细信息

提出了一种基于微悬臂梁传感技术研究大分子折叠构象转变的新方法.通过分子自组装的方法将热敏性的聚N异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)分子链修饰到微悬臂梁的单侧表面,用光杠杆技术检测温度在20—40℃之间变化时由于微悬臂梁上的PNIPAM分子在水中的构象转变所引起的微悬臂梁变形.实验结果显示:在升温过程中,微悬臂梁的表面应力发生了变化并且导致微悬臂梁产生了弯曲变形,这个过程对应着微悬臂梁上的PNIPAM分子从无规线团构象到塌缩小球构象的构象转变.在降温过程中,微悬臂梁发生了反方向的弯曲变形,这对应着PNIPAM分子从塌缩小球构象向无规线团构象的构象转变.整个温度变化过程中构象转变是连续进行的,而在低临界溶解温度(约32℃)附近转变幅度较大,这与自由水溶液中PNIPAM分子的无规线团塌缩小球构象转变相对应.实验结果还显示:由于PNIPAM分子在塌缩过程中氢键的形成和链段间可能的缠结效应,整个温度循环过程中微悬臂梁的变形是不可逆的且有明显的迟滞效应.

关键词：构象转变聚N-异丙基丙烯酰胺分子链表面应力微悬臂梁