基于光信号与电信号的微/纳谐振器振动测量方法

1.本发明属于高精度振动测量技术领域，具体涉及一种基于光信号与电信号的微/纳谐振器振动测量方法。


背景技术：

2.随着材料科学的不断快速发展，大量具有特殊属性的新材料不断涌现。二维微/纳材料已经成为未来微/纳谐振器的主要候选材料，因为其机械性能在原子水平上得到了高度的增强。继石墨烯之后，各种二维微/纳材料被作为微/纳谐振器的结构材料得到研究，包括超导nbse2、半导体mos2和黑磷等，这为新兴应用开辟了广阔的空间。
3.与器件制造和运动激励相比，共振检测可以说是微/纳谐振器实验研究中最具技术挑战性的方面。由于器件尺寸小，共振信号振幅也小，现有用于宏观谐振器的谐振检测技术，如电容读出、高速相机成像等，可能无法直接适用或有效适用，必须开发不同的技术，以更好地完成谐振检测。到目前为止，大多数微/纳谐振器都是用光学或电学方法测量的。但是单独的光学或电学方法测量存在着各自的缺点，在光学方法测量中，测量结果对外部环境扰动非常敏感，当外界扰动较大或者试件品质因数太低时，噪声会淹没掉谐振器的频率信号，或者产生谐振器频率信号外的其他峰值，让谐振器的频率信号难以测量；在电学方法测量中，由于缺少对振型的直接观测，导致对耗散机制、破坏性干扰效应、声泄漏途径、有效模态质量和非线性模态耦合等方面的深入研究存在着一定的困难。


技术实现要素：

4.针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于光信号与电信号的微/纳谐振器振动测量方法，以解决现有的微/纳谐振器振动测量技术中测量精度低，无法测量振型的问题；本发明实现了在微小激励条件下高精度测量微/纳谐振器振动频谱图的同时，对振型进行观测。
5.为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
6.本发明的一种基于光信号与电信号的微/纳谐振器振动测量方法，步骤如下：
7.1)设计和制备带有激励电极和检测电极的微/纳谐振器；
8.2)在激励电极上施加交流电压对微/纳谐振器进行激励，使用激光多普勒测振仪检测其振动信号的同时，在检测电极的一端施加与激励电极上施加的交流电压存在频率差的交流电压，并测量该电压通过微/纳谐振器后得到的电流信号，分析得到微/纳谐振器的振动信息；
9.3)对比基于光信号和电信得到的频谱图，分析得到微/纳谐振器振动固有频率，对振动固有频率进行单频激励后得到清晰的振动模态图。
10.进一步地，所述步骤2)具体包括：在激励电极上施加频率为ω的交流电压激励微/纳谐振器，使用激光多普勒测振仪通过激光多普勒效应及光外差干涉检测其振动；当微/纳谐振器在交流电压的激励下以频率ω振动时，其与激励电极之间的电容发生周期性变化，
在微/纳谐振器上产生周期性变化的电荷；使得其载流子浓度做周期性变化(场效应)，得到电导也随之做周期性变化；将微/纳谐振器作为混频器，在检测电极一端施加一个频率为ω+δω的交流电压，经过混频后得到包含振动信息的频率为δω的交流电流，通过阻抗放大器转变为电压信号后输入参考信号为δω的锁相放大器进行检测，得到微/纳谐振器的振动信息。
11.进一步地，所述步骤3)具体包括：对比基于光信号和电信号得到的频谱图，排除基于光信号得到的结果中由于外界干扰造成的杂峰，分析得到微/纳谐振器振动固有频率；在激励电极上施加频率为微/纳谐振器固有频率的交流电压，基于光信号得到清晰的振动模态图。
12.本发明的有益效果：
13.本发明的方法既可以在小激励力条件下，通过电信号排除光信号中由于外界干扰造成的杂峰，寻找到被外界噪声淹没掉的谐振器的频率信号，得到清晰的频谱图，同时可以原位观测其对应的振型；本发明具有精度高，易操作等优点，适合在微机电、纳机电系统中推广使用。
附图说明
14.图1为本发明方法示例中的测量示意图。
具体实施方式
15.为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
16.本发明的一种基于光信号与电信号的微/纳谐振器振动测量方法，步骤如下：
17.1)设计和制备带有激励电极和检测电极的微/纳谐振器；
18.2)在激励电极上施加交流电压对微/纳谐振器进行激励，使用激光多普勒测振仪检测其振动信号的同时，在检测电极的一端施加与激励电极上施加的交流电压存在频率差的交流电压，并测量该电压通过微/纳谐振器后得到的电流信号，分析得到微/纳谐振器的振动信息；
19.3)对比基于光信号和电信得到的频谱图，分析得到微/纳谐振器振动固有频率，对振动固有频率进行单频激励后得到清晰的振动模态图。
20.示例中，参照图1所示：
21.步骤一：将制备好的多层二维微/纳材料薄膜转移至带激励电极(图中gate电极)和检测电极(图中s电极和d电极)的硅衬底上，要求多层二维微/纳材料薄膜表面平整，无褶皱或气泡等；多层二维微/纳材料薄膜的制备和转移具体操作过程如下：
22.a)利用化学气相沉积法或机械剥离的方法在实验室中制备多层的二维微/纳材料，在室温大气环境下能够稳定存在的多层二维微/纳材料均可，比如多层石墨烯，多层二硫化钼或多层的异质二维纳米材料等；
23.b)取纯硅衬底，为保证表面的洁净，先将硅衬底放到丙酮溶液中超声清洗5-8分钟，然后将丙酮溶液换成异丙酮超声清洗5-8分钟，完成后，再用乙醇溶液超声清洗5-8分钟，最后用超纯水清洗三到四次，将硅衬底表面残留的乙醇溶液清洗掉；
24.c)对于机械剥离的多层二维微/纳材料薄膜的转移，需在无尘实验室中操作，在洁净的硅衬底上旋涂水溶层，将旋涂后的硅片转移到80℃的热台上加热三分钟；在加热后的硅衬底上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)，将旋涂后的硅片转移到100℃的热台上加热五分钟；将粘有多层二维微/纳材料薄膜的胶带按压到硅衬底上，按压五分钟后，将胶带从硅衬底上撕下；
25.d)在显微镜下确定样品位置，溶解其下方水溶层后，将其转移到带电极的试件上。将试件在400℃条件下退火三小时以消除聚甲基丙烯酸甲酯层。
26.步骤二：在gate电极上施加频率为ω的交流电压对多层二维微/纳材料薄膜进行激励，并用激光对其进行振动测量，当激光照射到多层二维微/纳材料薄膜表面时，由于多层二维微/纳材料薄膜的振动，使得从其表面散射的光的频率发生变化，该频率变化值与物体运动的速度、方向、波长以及入射光的方向有关。在速度、方向、波长以及入射光的方向已知的情况下，通过光外差干涉原理测量出散射光频率的变化，得到运动物体的速度。同时当多层二维微/纳材料薄膜在交流电压的激励下以频率ω振动时，其与gate电极之间的电容发生周期性变化，在多层二维微/纳材料薄膜上会产生周期性变化的电荷。对于半导体性质的多层二维微/纳材料薄膜，其上周期性变化的电荷会造成其载流子浓度做周期性变化(场效应)，因此电导也随之做周期性变化。
27.再在s电极上施加一个频率为ω+δω的交流电压，将多层二维微/纳材料薄膜作为混频器，包含频率成分ω的多层二维微/纳材料薄膜电导与频率为ω+δω的交流电压混频后，在d电极上输出的电流将包含以下几个频率:δω，2ω+δω。将该电流信号通过阻抗放大器转换为电压信号并通过参考信号频率为δω的锁相放大器后，仅测试δω频率成分的幅值，其他频率成分的信号被忽略。通过这种方法，将多层二维微/纳材料薄膜的振动信号转化到低频信号区进行检测，可以很好的排除外界因素的干扰，更利于检测微小信号。
28.对比基于光信号和电信号得到的频谱图，排除基于光信号得到的结果中由于外界干扰造成的杂峰，分析二维微/纳材料薄膜振动固有频率；在gate电极上施加频率为二维微/纳材料薄膜固有频率的交流电压，基于光信号得到清晰的振动模态图。
29.本发明的方法结合光测可视化振型的优点和电测高精度，可调谐等的优点，减轻外界扰动造成的影响得到清晰的频谱图，并得到每个峰值的振型。
30.本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于光信号与电信号的微/纳谐振器振动测量方法，其特征在于，步骤如下：1)设计和制备带有激励电极和检测电极的微/纳谐振器；2)在激励电极上施加交流电压对微/纳谐振器进行激励，使用激光多普勒测振仪检测其振动信号的同时，在检测电极的一端施加与激励电极上施加的交流电压存在频率差的交流电压，并测量该电压通过微/纳谐振器后得到的电流信号，分析得到微/纳谐振器的振动信息；3)对比基于光信号和电信号得到的频谱图，分析得到微/纳谐振器振动固有频率，对振动固有频率进行单频激励后得到清晰的振动模态图。2.根据权利要求1所述的基于光信号与电信号的微/纳谐振器振动测量方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括：在激励电极上施加频率为ω的交流电压激励微/纳谐振器，使用激光多普勒测振仪通过激光多普勒效应及光外差干涉检测其振动；当微/纳谐振器在交流电压的激励下以频率ω振动时，其与激励电极之间的电容发生周期性变化，在微/纳谐振器上产生周期性变化的电荷；使得其载流子浓度做周期性变化，得到电导也随之做周期性变化；将微/纳谐振器作为混频器，在检测电极一端施加一个频率为ω+δω的交流电压，经过混频后得到包含振动信息的频率为δω的交流电流，通过阻抗放大器转变为电压信号后输入参考信号为δω的锁相放大器进行检测，得到微/纳谐振器的振动信息。3.根据权利要求1所述的基于光信号与电信号的微/纳谐振器振动测量方法，其特征在于，所述步骤3)具体包括：对比基于光信号和电信号得到的频谱图，排除基于光信号得到的结果中由于外界干扰造成的杂峰，分析得到微/纳谐振器振动固有频率；在激励电极上施加频率为微/纳谐振器固有频率的交流电压，基于光信号得到清晰的振动模态图。

技术总结
本发明公开了一种基于光信号与电信号的微/纳谐振器振动测量方法，步骤如下：设计和制备带有激励电极和检测电极的微/纳谐振器；在激励电极上施加交流电压对微/纳谐振器进行激励，分析得到微/纳谐振器的振动信息；对比基于光信号和电信号得到的频谱图，分析得到微/纳谐振器振动固有频率，对振动固有频率进行单频激励后得到清晰的振动模态图。本发明实现了在微小激励条件下高精度测量微/纳谐振器振动频谱图的同时，对振型进行观测。对振型进行观测。对振型进行观测。


技术研发人员：刘汝盟 刘鑫杰 王立峰
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2023.05.22
技术公布日：2023/8/23