该文提出了一种基于模态局部化现象来检测外部质量扰动的可调式压电驱动谐振质量传感器, 质量传感器的检测结构由两个不同长度的悬臂梁通过机械耦合梁连接。首先利用哈密顿原理对压电驱动下的非对称谐振元件进行理论建模, 采用伽辽金方法求解, 得到前两阶模态下的振动特性;理论求解所得固有频率与COMSOL仿真分析、实验数据基本一致。实验研究表明, 无调谐质量的谐振器检测范围为2~10 mg, 添加调谐质量后的谐振器检测范围提高至1~13 mg, 质量检测的分辨率也得到优化。此外, 对传感器的结构进行非线性分析研究发现, 超谐振动下的谐振器检测灵敏度提升了80%, 这为非线性谐振传感器的设计提供了基础。

高灵敏度是微质量传感器准确探测细菌、病毒和气体等物质的关键指标。虽然借助微型化的高阶模态梁振动可以有效提升探测灵敏度, 但微尺度效应也降低了传感器的抗环境干扰能力。因此, 如何在特定尺度约束下提升高阶模态传感器的灵敏度已成为谐振式微传感器设计的前沿问题。本文在研究弹性梁几何构型、压电层尺寸与有效质量分布对振动模态影响关系的基础上, 建立了压电驱动多阶梯梁式微质量传感器的灵敏度分析模型, 以传感器灵敏度提升最大为目标, 建立了高阶振动模态下悬臂梁几何构型优化设计模型, 得到了在不同振动模态下具有最高灵敏度的悬臂梁构型, 使同尺寸传感器的灵敏度提升了10.0~15.0倍。考虑驱动位置与制造成本约束, 设计并研制了具有六阶梯梁结构的高阶模态微质量传感器。实验结果表明, 总长度为17.6 mm的六阶梯梁微质量传感器的灵敏度为18.8×104 Hz/g, 考虑制造误差的影响, 其二阶模态灵敏度为同尺寸等截面梁传感器的10.0倍, 较一阶模态同尺寸传感器灵敏度提升了19.8倍, 从而验证了所提出的高阶模态微质量传感器灵敏度提升方法的有效性和可行性。

提出了一种基于硅/二氧化硅基底的平板状圆形单层二硫化钼纳米机械振子系统。通过将一束较强的抽运激光和一束较弱的探测激光同时作用于该振子系统, 实现了一种测量机械振子频率的全光学方法, 证明了系统中存在声子诱导透明现象, 并给出其物理解释。通过测量探测吸收谱中两尖峰之间的分裂宽度, 发现激子和振子的耦合强度与线宽呈正比关系, 该方法可用来测量激子和振子的耦合强度。基于该纳米机械振子系统, 提出了一种全光学质量传感方案。通过测量光谱中的共振频移, 可直接得到沉积在二硫化钼振子表面的额外质量。数值结果显示,该振子系统的质量响应率为2.32 Hz/ag。单层二硫化钼纳米机械振子系统将在量子传感和基于二硫化钼的全光学器件中得到广泛应用。

压电式微质量传感器的测试精度直接依赖于结构频率对质量变化的灵敏程度。本文利用对称槽型梁和压电薄膜组成的对称敏感结构, 提出了一种提高传感器灵敏度的结构设计方法, 并设计了一种高精度谐振式微质量传感器。建立了结构频率变化对吸附质量敏感性的分析模型, 并研究了槽型截面参数、自振频率及振动模态对灵敏度的影响。与矩形截面结构进行了仿真与实验对比, 结果表明, 相同几何尺寸参数下, 槽型截面悬臂梁的一阶自振频率为1 851 Hz, 矩形截面悬臂梁的一阶自振频率为1 610 Hz, 相应的传感器灵敏度则分别为3.12×104 Hz/g和1.5×104 Hz/g, 前者是后者的2倍。该项设计为提高微质量传感器灵敏度提供了一种新思路。