一種基于納米粒子點陣量子輸運特性的振動傳感器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及一種振動傳感器，特別是一種基于納米粒子點陣量子輸運特性的振動 傳感器。
【背景技術】
[0002] 振動傳感器是工程領域的重要監(jiān)測手段，在諸如材料探傷、機械系統(tǒng)的故障診斷、 噪聲消除、安全防范、工業(yè)自動化、結構件的動態(tài)特性分析等方面有著廣泛應用
[0003]目前，主流的振動傳感器根據(jù)其機電變換的原理，可W分為光電式、壓電式、電滿 流式、電動式、電阻式等。其中光電式是利用激光技術進行測量的傳感器，其組成部分為激 光器、激光檢測裝置W及測量電路，雖然具備速度快，精度高，抗光電干擾，使用安全等優(yōu) 點，但是由于其光路復雜，振動對其本身影響不可忽略，只能在振動強度相對較弱的場合使 用，使得其應用受到了很大的限制。壓電式振動傳感器則是利用壓電晶體在發(fā)生形變之后 會在表面產(chǎn)生極化電壓，從而表征載荷的應變或是振動能力，由于晶格崎變能力有限，所W 其測量振動幅度的范圍十分微小。電滿流式傳感器是一種相對式非接觸傳感器，但是由于 其需要產(chǎn)生強大的高頻電流，且需要被測物體具有鐵磁性質(zhì)，其抗磁干擾較弱，自身電路也 需要做好磁性屏蔽。電動式傳感器則是通過內(nèi)部永磁鐵在振動過程中，由彈黃固定的線圈 切割磁感線從而產(chǎn)生電動勢輸出，其抗磁干擾較弱，不利于微型化與模塊化。電阻式傳感器 則是通過將被測的機械振動量轉化成傳感元件電阻的變化量，其結構相對簡單，安全，對于 環(huán)境容忍度較高。本發(fā)明即是一種電阻式振動傳感器。
[0004]本發(fā)明旨在提供一種基于納米技術的高靈敏度振動傳感器和測量振動的方法。該 傳感器將金屬納米粒子點陣與懸臂梁傳感器結合，形成一種新的電阻式振動感應器件。并 可集成于MEMS器件中具有體積小、量程大、靈敏度高等特點。并且，本發(fā)明提供的技術能使 得振動傳感器的頻率響應范圍、振幅響應靈敏度和振幅測量范圍等性能參數(shù)可通過傳感器 的懸臂梁的材料、形狀、尺寸等進行設計。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的是，提出基于基于納米粒子點陣量子輸運特性的振動傳感器及振動測 量方法。本發(fā)明的另一目的在于提供一種使用納米粒子點陣作為敏感材料測量機械振動的 方法。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明技術方案是，基于納米粒子點陣量子輸運特性的振動傳 感器，包括金屬納米粒子點陣（1)、帶有微電極(3)的懸臂梁(2)、基礎(4)和質(zhì)塊(5);其中， 納米粒子點陣（1)制備于懸臂梁（2)表面且位于一對微電極（3)之間；懸臂梁（2)呈現(xiàn)長條 狀，一端固定于基礎(4)上，另一端為自由端;在懸臂梁(2)的自由端附著質(zhì)塊(5);W金屬納 米粒子點陣（1)作為傳感器的敏感材料;構成納米粒子點陣（1)的材料可W是各種金屬，納 米粒子的粒徑為1-500皿，納米粒子的覆蓋率在0.3-0.99個單層之間。微電極(3)由金、銀、 銅、侶等金屬薄膜材料構成。
[0007] 懸臂梁(2)由具有彈性的絕緣材料制作，也可由帶有表面絕緣層的非絕緣體彈性 材料制作。
[0008] 納米粒子點陣（1)中納米粒子間不形成歐姆接觸。
[0009] 制備于同一懸臂梁上的納米粒子點陣（1)和微電極(3)可W是一組也可W多組的 并聯(lián)。
[0010] 基礎(4)與振動源接觸產(chǎn)生振動，在基礎上質(zhì)塊(5)的慣性驅(qū)動下懸臂梁（2)響應 振動源的振動并使其表面發(fā)生應變，進而使得納米粒子點陣（1)中的納米粒子之間距發(fā)生 變化，而納米粒子間距的變化導致納米粒子點陣（1)的電導發(fā)生變化;通過測量微電極間電 導(或電阻）的變化實現(xiàn)對振動的探測。
[0011] 振動傳感器的頻率響應參數(shù)能根據(jù)質(zhì)塊（5)的質(zhì)量進行調(diào)整，質(zhì)塊（5)不是必需 的，某些條件下也可將質(zhì)塊m(5)移去。
[0012] 本發(fā)明還提供一種基于納米粒子點陣量子輸運特性的振動傳感器與振動測量方 法。在懸臂梁上制備金屬電極，并將金屬納米粒子W預定的數(shù)密度沉積于電極間形成具有 一定電導的金屬納米粒子點陣。當懸臂梁因振動而產(chǎn)生形變時，金屬納米粒子點陣的電導 會發(fā)生同步變化，通過電極監(jiān)測該電導值的變化即可實現(xiàn)振動譜的定量測量?；诮饘偌{ 米粒子點陣構造的振動傳感器具有靈敏度高，性能可靠，易于集成，價格低廉等優(yōu)點，并且 傳感器振幅和頻率響應特性可W通過改變選擇懸臂梁材料和形狀參數(shù)進行調(diào)節(jié)。
[0013] 傳感器的原理可由懸臂梁模型解釋，假定懸臂梁長度為L，寬度為b，厚度為h，納米 粒子點陣位于懸臂梁固定端的一側，受迫振動時，假設振動方程為.= 腫+例，懸臂 梁自由端產(chǎn)生的擾度為Xr=X，由此引起固定端附近的納米粒子點陣橫向應變?yōu)椋?br>[0014]
<1>
[0015]由物理學知識可知納米粒子點陣的隧穿電阻變化率為：
[0016]
<2>
[0017]其中，Ro為納米粒子初始電阻值，β為與納米粒子尺寸和溫度相關的參數(shù)，d為平均 納米粒子間距。由<1〉和<2〉式聯(lián)立可得：
[001引
<3〉
[0019] 由式<3〉可知，通過測量納米粒子點陣電阻R(t)即可得到振動源的振動信息。
[0020] 在懸臂梁重量相對可忽略不計的情況下，傳感器的共振頻率為：
[0021]
<4>
[0022] 其中= 為懸臂梁的剛度，E為懸臂梁的彈性模量。 4/:
[0023] 傳感器受迫振動頻率越接近共振頻率，測量信號越強，測量靈敏度越高。因此，傳 感器的測量性能能夠依據(jù)懸臂梁的材料種類、尺寸和形狀等進行調(diào)控，同時還與質(zhì)塊的質(zhì) 量m有關。
[0024]基于上述的振動傳感器，有兩種方法進行振動測量方法：
[0025] 1.固定基礎，使其處于靜止狀態(tài)，振動源驅(qū)動懸臂梁的自由端受迫振動，同時測量 納米粒子點陣的電阻或電導值。如圖6A所示。
[0026] 2.將基礎與振動源之間采用剛性連接，傳感器整體隨振動源振動，懸臂梁在質(zhì)塊 的慣性作用下往復振動，同時測量納米粒子點陣的電阻或電導值。如圖6B所示。
[0027]有益效果:本發(fā)明提供的一種基于納米粒子點陣量子輸運特性的振動傳感器由帶 有微電極的懸臂梁和分布于微電極之間的納米粒子點陣組成。納米粒子點陣的覆蓋率可精 確控制在0.5-1個單層。通過微電極測量納米粒子點陣的電導值。將懸臂梁的一段固定，另 一端保持自由。在懸臂梁的自由端可附著具有一定質(zhì)量的質(zhì)塊。在振動源的作用下，質(zhì)塊及 懸臂梁自身的慣