一种双层复用型三角形折叠梁质量块谐振系统及其痕量检测
方法
技术领域
[0001] 本
发明涉及微
机电系统中，通过
硅微
机械加工技术制造的MEMS折叠梁质量块结构系统来测试硅纳米梁的谐振
频率技术，特别是涉及
一种双层复用型三角形折叠梁质量块谐振系统及其痕量检测方法。
背景技术
[0002] 微
电子机械系统(MEMS)，是指利用微机械加工技术，在硅衬底上把可以批量制作、尺寸在1μm～1mm的微型机构如激励器、
传感器和执行器等集成于一体的微型器件或系统。系统具有体积小、成本低、易于集成和批量生产等特点。
[0003] 随着微机械系统技术的不断发展与合作，硅微机械传感器应运而生，而在硅微机械传感器的各种工作方式中。其中，最有前途、最具吸引
力的是谐振的工作方式。微系统
谐振器正是利用这种谐振的工作方式，进而检测谐振频率。利用这种检测谐振频率的方式，当质量m0发生改变时，又能够检测出f0的变化。
[0004] 近年来，随着微电子技术加工工艺及纳米加工技术的进步，人们已经能够很容易制造出纳米量级的固支梁、
悬臂梁和
纳米线。硅纳米梁是
微机电系统中的典型结构，它的质量微小，功率很低，做成的谐振器的谐振频率最高高达GHz，品质因数也可达103，具有10－24
牛顿的超高力学灵敏度。这些优异的性能使纳米梁在高频振荡
信号的产生与处理、超高灵敏质量探测、超小力、超小位移探测、
生物化学传感等方面有很好的应用前景。由于质量极小，连接纳米梁的质量块自身质量或外界工作条件与环境的微量变化，会导致梁的谐振频率较大的变化，这非常有利于微弱信号的探测，使硅质量块谐振器成为痕量检测的主要工具。因此，质量块谐振器有望用于
水环境中重金属汞离子的痕量检测，实现高灵敏度检测与监测。
[0005] 谐振器结构共分为三类：一是悬臂梁质量块结构，采用静电激励压阻检测。二是折叠梁质量块结构，同样采用静电驱动压阻检测。三是两端固支梁结构，采用静电激励MOSFET检测。悬臂梁质量块结构由于质量块一般在悬臂梁的末端，质量块
吸附完离子以后，在进行痕量检测时，梁极其容易塌陷，导致测试系统失效；而两端固支梁结构由于梁的吸附面积小而不利于进行痕量检测。设计出一种简单易行的谐振结构，为频率测试以及痕量检测方法提供更多地选择，很有意义。
[0006] 现有的痕量检测方式(1)仪器分析法，目前被广泛采用。缺点则是要对样品进行前处理，并且由于采用较大型的
光谱仪器，需要昂贵的仪器设备、较繁琐的样品准备程序，不能满足现场快速检测的需求。在样品的前处理阶段，通常都要形成汞
原子蒸气，这极易造成有害气体的挥发和
泄漏，必须采取严格的安全防护设施和措施，这无疑使测试手续更繁琐，也增加了测试的成本。(2)电化学分析法，是建立在物质在溶液中的电化学性质
基础上的一类方法，这种方法的检出限大多在μg/L量级(3)生物检测的方法灵敏度与准确性低，有些还只能进行定性检测，检测结果的重复性和
稳定性都不够好，检测的灵敏度也比较低。
发明内容
[0007] 发明目的：为解决
现有技术的不足，提供一种用于纳机电痕量检测的双层复用型三角形折叠梁质量块结构的谐振系统。
[0008] 技术方案：一种双层复用型三角形折叠梁质量块谐振系统，包括衬底、对称置于衬底上、下表面的第一谐振测试系统和第二谐振测试系统、驱动
电压以及外接
电路；
[0009] 所述第一谐振测试系统包括位于衬底之上的第一
基座、
支撑于第一基座上的第一上极板以及位于衬底表面中央的第一下极板、第一基座设于衬底表面的周围，第一上极板包括第一三角形折叠梁质量块和与其连接的三根第一股梁；第一三角形折叠梁质量块由其周围的第一股梁支撑，水平设置，其与第一股梁连接点之间加入节胫；第一股梁的另一端分别扩散横向和纵向型压阻
电阻，并与第一基座连接；衬底、第一基座、第一三角形折叠梁质量块以及第一股梁形成一个空间，第一下极板和位于第一谐振测试系统中间的第一三角形折叠梁质量块之间存在空气间隙；
[0010] 第二谐振测试系统与第一谐振测试系统结构相同，包括位于衬底之上的第二基座、支撑于第二基座上的第二上极板以及位于衬底表面中央的第二下极板；第二基座设于衬底表面的周围，第二上极板包括第二三角形折叠梁质量块和与其连接的三根股梁；第二三角形折叠梁质量块由其周围的第二股梁支撑，水平设置，其与第二股梁连接点之间加入节胫；第二股梁的另一端分别扩散横向和纵向型压阻电阻，并与第二基座连接；衬底、第二基座、第二三角形折叠梁质量块以及第二股梁形成一个空间，第二下极板和位于第二谐振测试系统中间的第二三角形折叠梁质量块之间存在空气间隙；
[0011] 驱动电压一端与第一谐振测试系统的第一下极板和第二谐振测试系统的第二下极板连接，另一端与第一谐振测试系统的第一三角形折叠梁质量块和第二谐振测试系统的第二三角形折叠梁质量块连接，形成两个输出回路；
[0012] 外接电路与和其连接的第一谐振测试系统和第二谐振测试系统的压阻电阻形成惠斯通全桥。
[0013] 优选的，所述第一下极板和第二下极板均为Al
电极。
[0014] 优选的，在股梁与基座连接端通过扩散
硼离子形成P型压阻电阻，基座和股梁材料均为n型，以形成PN节。
[0015] 另一
实施例中，一种基于所述的双层复用型三角形折叠梁质量块谐振系统的痕量检测方法，所述第一谐振测试系统和第二谐振测试系统的三角形折叠梁质量块采用相同的复合
型材料，使第一谐振测试系统和第二谐振测试系统有相同的固有频率。当第一谐振测试系统或第二谐振测试系统用以吸附特定离子，相对的第二谐振测试系统或第一谐振测试系统不吸附特定离子；第一三角形折叠梁质量块或第二三角形折叠梁质量块的质量发生变化，相对的第二三角形折叠梁质量块或第一三角形折叠梁质量块的质量不发生变化；然后，两个谐振测试系统给予相同的驱动电压，两个输出回路只有一个回路由于三角形折叠梁质量块质量的变化发生改变，另一回路三角形折叠梁质量块不发生变化；第一谐振测试系统和第二谐振测试系统的股梁与三角形折叠梁质量块在静电力作用下发生振动，股梁将发生弯曲，则外表面上最大的弹性力恰好出现在股梁支撑点上，使得股梁末端的压阻区
电阻率发生周期性变化，相对的产生两个
输出信号，通过外接电路，利用惠斯通电桥的方法来检测两个输出信号的周期性变化曲线，测得第一和第二谐振测试系统的频率，进一步测得第一谐振测试系统或第二谐振测试系统的三角形折叠梁质量块变化的质量，即吸附特定离子的质量。
[0016] 进一步的，当有微小质量到达三角形折叠梁质量块上时，质量块的质量发生改变，从而产生振荡频率的偏移，计算公式为：
[0017]
[0018]
[0019] f0为股梁的固有频率，△f为股梁频率的变化值，m0为三角形折叠梁质量块的初始质量，△m为三角形折叠梁质量块在吸附特定离子后质量的变化值，k为常数；
[0020] 由公式(1)和(2)可得：
[0021]
[0022] 化简得：
[0023] m0f02＝m0f02+m0△f2+2m0f0△f+△mf02+△m△f2+2△m△f×f0 (4)；
[0024] 由于△m与△f的数值很小，约去其二次项得：
[0025] △m△f2+2△m△f×f0＝0 (5)；
[0026] 进一步求得：
[0027]
[0028] 由公式(5)可推得三角形折叠梁质量块的质量变化情况，进而检测水中特定离子的浓度。
[0029] 有益效果：与现有技术相比，本发明在高频振动测试检测的过程中相较于传统的矩形折叠梁质量块结构更加精确稳定，在高频振动过程中具有更优益的
压电效应。且两个输出回路只有一个回路由于质量块质量的变化发生改变，另一回路质量块不发生变化，利用惠斯通电桥的方法来检测输出信号，排除
温度、湿度变化对频率检测的影响，提高测量
精度。且当质量块的质量m0发生改变时，三角形折叠梁质量块结构谐振器系统能更加精确的检测出固有频率f0的变化，即Δf的值，进而更好的表征m0的变化量，满足了低成本、高速度的现场可测试的需求。该结构简单易行，使得在增加质量块吸附面积的同时，不易造成梁的塌陷，可广泛应用于利用纳米梁高频振动特性进行痕量探测中，使检测更加方便快捷、数值更加精确。另外，本发明相对传统四边形折叠梁结构的品质因数Q值更大，且随着
真空度(谐振系统所在空间的真空度)上升，Q值提高更加明显。
附图说明
[0030] 图1是本发明的侧面结构示意图；
[0031] 图2a和图2b是本发明中的两种不同形状的梁结构顶面示意图；
[0032] 图3是惠斯通电桥电路图；
[0033] 图4是两种三角形折叠梁质量块结构与四边形结构的品质因数曲线图；
[0034] 图5是
单层质量块结构和双层质量块结构产生的输出信号比较图。
具体实施方式
[0035] 下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。
[0036] 如图1和图2所示，本发明的用于纳机电痕量检测的双层复用型三角形折叠梁质量块结构的谐振系统，包括衬底1、对称置于衬底上、下表面的第一谐振测试系统和第二谐振测试系统、驱动电压4以及外接电路5。
[0037] 其中，第一谐振测试系统包括位于衬底之上的三个第一基座21、支撑于基座上的第一上极板以及位于衬底上表面中央的第一下极板；第一基座设于衬底上表面的周围，第一三角形折叠梁质量块22和与其连接的三根第一股梁23作为弹性元件，并作为第一上极板；位于衬底上表面中央的Al电极24作为第一下极板。第一三角形折叠梁质量块由其周围的三根第一股梁支持，水平设置，其三个角分别与三根第一股梁的一端连接，且第一三角形折叠梁质量块与第一股梁之间加入节胫；第一股梁的另一端与第一基座连接，且在第一股梁的另一端分别扩散横向和纵向型压阻电阻25。衬底、第一基座、第一三角形折叠梁质量块以及第一股梁形成一个空间，Al电极和位于第一谐振测试系统中间的第一三角形折叠梁质量块之间存在空气间隙。
[0038] 第二谐振测试系统包括位于衬底下表面上的三个第二基座31、支撑于基座上的第二上极板以及位于衬底下表面中央的第二下极板；第二基座设于衬底下表面的周围，第二三角形折叠梁质量块32和与其连接的三根第二股梁33作为弹性元件，并作为第二上极板；位于衬底之下表面中央的的Al电极34作为第二下极板。第二三角形折叠梁质量块由其周围的三根第二股梁支持，水平设置，其三个角分别与三根第二股梁的一端连接，且第二三角形折叠梁质量块与第二股梁之间加入节胫；第二股梁的另一端与第二基座连接，且在第二股梁的另一端分别扩散横向和纵向型压阻电阻35。衬底、第二基座、第二三角形折叠梁质量块以及第二股梁形成一个空间，Al电极和位于第二谐振测试系统中间的第二三角形折叠梁质量块之间存在空气间隙。
[0039] 驱动电压4一端与第一谐振测试系统和第二谐振测试系统的Al电极连接，另一端与第一谐振测试系统的第一三角形折叠梁质量块和第二谐振测试系统的第二三角形折叠梁质量块连接，形成两个输出回路。
[0040] 外接电路5为惠斯通半桥，与和其连接的压阻电阻形成惠斯通全桥，如图1和3所示，图3中的惠斯通电桥的一个桥臂电阻Rj1为图1中的压阻电阻25，另一个桥臂电阻Rj2为图1中的压阻电阻35，分析过程如下：
[0041] (1)当不给三角形折叠梁质量块谐振器施加驱动电压时：Rj1＝Rj2＝R3＝R4＝Rj0，Rj0(j＝1，2，3，4)为各桥臂的初始电阻，因此Vm＝0；
[0042] (2)当给三角形折叠梁质量块谐振器施加驱动电压时：
[0043]
[0044]
[0045] 其中，△Rj1为压阻电阻Rj1的变化值，△Rj2为压阻电阻Rj2的变化值，△Rj1p为压阻电阻在Rj1所在的质量块发生质量变化后施加激励电阻所产生变化的数值，△Rj1x与△Rj2x为外界变化引起的压阻电阻的变化值，两者相等。
[0046] 可求得：
[0047] 其中，Es为输入电压。
[0048] 化简得：
[0049] 第一谐振测试系统和第二谐振测试系统的股梁与基座连接端通过扩散硼离子形成P型压阻电阻，基座和股梁的材料均为n型，以形成PN节；三角形折叠梁质量块可用相同的复合型材料，使第一谐振测试系统或第二谐振测试系统有相同的固有频率。当第一谐振测试系统(或第二谐振测试系统)用以吸附特定离子，相对的第二谐振测试系统(或第一谐振测试系统)不吸附特定离子；第一三角形折叠梁质量块(或第二三角形质量块)的质量发生变化，相对的第二三角形折叠梁质量块(或第一三角形折叠梁质量块)的质量不发生变化；然后，两个谐振测试系统给予相同的激励(驱动电压4)，两个输出回路只有一个回路由于三角形折叠梁质量块质量的变化发生改变，另一回路三角形折叠梁质量块不发生变化；第一谐振测试系统和第二谐振测试系统的股梁与三角形折叠梁质量块在静电力作用下发生振动，股梁将发生弯曲，则外表面上最大的弹性力将恰好出现在股梁支撑点上，使得股梁末端的压阻区电阻率发生周期性变化，相对的产生两个输出信号，通过外接电路5，利用惠斯通电桥的方法来检测两个输出信号(电压或
电流)的周期性变化曲线，测得第一和第二谐振测试系统的频率(此频率不受温度、湿度、气压等环境变化的影响)，进一步测得第一谐振测试系统(或第二谐振测试系统)的三角形折叠梁质量块变化的质量，即吸附特定离子的质量。
[0050] 原理具体为：当有微小质量到达第一谐振测试系统(或第二谐振测试系统)的三角形折叠梁质量块上时，该三角形折叠梁质量块的质量发生改变，从而产生振荡频率的偏移，另一三角形折叠梁质量块质量没有变化，振荡频率不变。当给予两个三角形折叠梁质量块相同的激励电压时，产生两个输出信号，通过外接电路与压阻电阻形成的惠斯通电桥，测得第一谐振测试系统和第二谐振测试系统的频率，就可推得到达第一谐振测试系统(或第二谐振测试系统)的三角形折叠梁质量块上的微小质量。对于三角形折叠梁质量块结构的谐振器，假设待测物质均匀分布在第一谐振测试系统(或第二谐振测试系统)的三角形折叠梁质量块的表面，则通过该第一谐振测试系统(或第二谐振测试系统)高频振动的
频率偏移△f，所测得的最小质量△m可由公式△m＝-2m0×△f/f求得。m0、f0分别为第一谐振测试系统(或第二谐振测试系统)的初始质量和谐振频率，由工艺尺寸决定，数据已知。
[0051] 此方法在痕量检测中发挥重要作用，如检测水中重
金属离子的浓度大小。且不受温度、湿度、气压等环境变化的影响。三角形折叠梁质量块可采用具有吸附性的
复合材料吸附溶液的汞离子，吸附过的质量块质量发生改变，驱动电路测得f0+△f的值，从而检测溶液中汞离子的浓度。
[0052] 具体计算方法如下：
[0053]
[0054]
[0055] f0为折叠梁的固有频率，△f为频率的变化值，m0为质量块的初始质量，△m为质量块在吸附特定例子后质量的变化值，k为常数。
[0056] 由公式(1)和(2)可得：
[0057]
[0058] 化简得：
[0059] m0f02＝m0f02+m0△f2+2m0f0△f+△mf02+△m△f2+2△m△f×f0 (8)；
[0060] 由于△m与△f的数值很小，约去其二次项得：
[0061] △m△f2+2△m△f×f0＝0 (9)
[0062] 进一步求得：
[0063]
[0064] 即，由公式(5)可推得质量块的质量变化情况，进而检测水中特定离子的浓度。
[0065] 如图4所示，与现有的四边形折叠梁质量块结构相比，通过实验测得三角形折叠梁质量块的品质因数Q相对传统四边形折叠梁结构的值更大，且随着真空度上升，Q值提高值更加明显，其中如图2a和2b所示的三角形谐振器结构无论在任何真空度环境下其品质因数Q都要远远大于四边形谐振器，这是由于质量块的体积相对四边形有所减小，振动时受到的空气阻尼也相对较小，导致振动周期消耗的的
能量较低。其次是传统的四边形谐振器振动梁有四根，而此谐振器的振动梁只有三根，当系统振动时内耗更小，因此Q值更高。另一个重要的原因是四边形谐振器在振动的过程中发生多种模式的振动，即不只发生上下的振动，还会出现偏离垂直方向的振动模式，多模的振动形式极大的影响了谐振器的品质因数，影响固有振动频率。而三角形具有天然的稳定性，其三角形折叠梁质量块结构在振动的过程中，只存在单模的形式，即只保持上下的振动模式，极大的提高了品质因数，克服了四边形谐振器由于多模振动带来的影响，从而使得频率的检测结果更加精确。另外通过测试，三角形谐振器振动梁末端的压阻效应更加明显，能更好的通过外围电路测出振动频率，因而当质量块的质量发生变化时，通过此谐振结构更容易测得Δf，使得测试结果更加精确、方便，可广泛应用于利用纳米梁高频振动特性进行痕量的探测。
[0066] 进一步的，如图5所示，为单层结构(单层三角形折叠梁质量块结构)和双层结构(双层复用型三角形折叠梁质量块结构)产生的输出信号通过滤波电路之后的比较图，采用双通道示波器显示比较结果，上面通道的正弦曲线为单层结构的输出信号，下面通道的余弦曲线为双层结构的输出信号，单层结构输出信号的峰值为217mV，而双层结构为318mV。说明通过双层三角形折叠梁质量块结构的谐振系统外接惠斯通桥式电路的方法得出的输出信号优于单层三角形折叠梁质量块结构的谐振系统外接差频电路的方法。
