一种基于纳米粒子点阵量子输运特性的振动传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种振动传感器，特别是一种基于纳米粒子点阵量子输运特性的振动 传感器。
【背景技术】
[0002] 振动传感器是工程领域的重要监测手段，在诸如材料探伤、机械系统的故障诊断、 噪声消除、安全防范、工业自动化、结构件的动态特性分析等方面有着广泛应用
[0003]目前，主流的振动传感器根据其机电变换的原理，可W分为光电式、压电式、电满 流式、电动式、电阻式等。其中光电式是利用激光技术进行测量的传感器，其组成部分为激 光器、激光检测装置W及测量电路，虽然具备速度快，精度高，抗光电干扰，使用安全等优 点，但是由于其光路复杂，振动对其本身影响不可忽略，只能在振动强度相对较弱的场合使 用，使得其应用受到了很大的限制。压电式振动传感器则是利用压电晶体在发生形变之后 会在表面产生极化电压，从而表征载荷的应变或是振动能力，由于晶格崎变能力有限，所W 其测量振动幅度的范围十分微小。电满流式传感器是一种相对式非接触传感器，但是由于 其需要产生强大的高频电流，且需要被测物体具有铁磁性质，其抗磁干扰较弱，自身电路也 需要做好磁性屏蔽。电动式传感器则是通过内部永磁铁在振动过程中，由弹黃固定的线圈 切割磁感线从而产生电动势输出，其抗磁干扰较弱，不利于微型化与模块化。电阻式传感器 则是通过将被测的机械振动量转化成传感元件电阻的变化量，其结构相对简单，安全，对于 环境容忍度较高。本发明即是一种电阻式振动传感器。
[0004]本发明旨在提供一种基于纳米技术的高灵敏度振动传感器和测量振动的方法。该 传感器将金属纳米粒子点阵与悬臂梁传感器结合，形成一种新的电阻式振动感应器件。并 可集成于MEMS器件中具有体积小、量程大、灵敏度高等特点。并且，本发明提供的技术能使 得振动传感器的频率响应范围、振幅响应灵敏度和振幅测量范围等性能参数可通过传感器 的悬臂梁的材料、形状、尺寸等进行设计。
【发明内容】
[0005]本发明目的是，提出基于基于纳米粒子点阵量子输运特性的振动传感器及振动测 量方法。本发明的另一目的在于提供一种使用纳米粒子点阵作为敏感材料测量机械振动的 方法。
[0006]为实现上述目的，本发明技术方案是，基于纳米粒子点阵量子输运特性的振动传 感器，包括金属纳米粒子点阵（1)、带有微电极(3)的悬臂梁(2)、基础(4)和质块(5);其中， 纳米粒子点阵（1)制备于悬臂梁（2)表面且位于一对微电极（3)之间；悬臂梁（2)呈现长条 状，一端固定于基础(4)上，另一端为自由端;在悬臂梁(2)的自由端附着质块(5);W金属纳 米粒子点阵（1)作为传感器的敏感材料;构成纳米粒子点阵（1)的材料可W是各种金属，纳 米粒子的粒径为1-500皿，纳米粒子的覆盖率在0.3-0.99个单层之间。微电极(3)由金、银、 铜、侣等金属薄膜材料构成。
[0007] 悬臂梁(2)由具有弹性的绝缘材料制作，也可由带有表面绝缘层的非绝缘体弹性 材料制作。
[0008] 纳米粒子点阵（1)中纳米粒子间不形成欧姆接触。
[0009] 制备于同一悬臂梁上的纳米粒子点阵（1)和微电极(3)可W是一组也可W多组的 并联。
[0010] 基础(4)与振动源接触产生振动，在基础上质块(5)的惯性驱动下悬臂梁（2)响应 振动源的振动并使其表面发生应变，进而使得纳米粒子点阵（1)中的纳米粒子之间距发生 变化，而纳米粒子间距的变化导致纳米粒子点阵（1)的电导发生变化;通过测量微电极间电 导(或电阻）的变化实现对振动的探测。
[0011] 振动传感器的频率响应参数能根据质块（5)的质量进行调整，质块（5)不是必需 的，某些条件下也可将质块m(5)移去。
[0012] 本发明还提供一种基于纳米粒子点阵量子输运特性的振动传感器与振动测量方 法。在悬臂梁上制备金属电极，并将金属纳米粒子W预定的数密度沉积于电极间形成具有 一定电导的金属纳米粒子点阵。当悬臂梁因振动而产生形变时，金属纳米粒子点阵的电导 会发生同步变化，通过电极监测该电导值的变化即可实现振动谱的定量测量。基于金属纳 米粒子点阵构造的振动传感器具有灵敏度高，性能可靠，易于集成，价格低廉等优点，并且 传感器振幅和频率响应特性可W通过改变选择悬臂梁材料和形状参数进行调节。
[0013] 传感器的原理可由悬臂梁模型解释，假定悬臂梁长度为L，宽度为b，厚度为h，纳米 粒子点阵位于悬臂梁固定端的一侧，受迫振动时，假设振动方程为.= 肿+例，悬臂 梁自由端产生的扰度为Xr=X，由此引起固定端附近的纳米粒子点阵横向应变为：
[0014]
<1>
[0015]由物理学知识可知纳米粒子点阵的隧穿电阻变化率为：
[0016]
<2>
[0017]其中，Ro为纳米粒子初始电阻值，β为与纳米粒子尺寸和溫度相关的参数，d为平均 纳米粒子间距。由<1〉和<2〉式联立可得：
[001引
<3〉
[0019] 由式<3〉可知，通过测量纳米粒子点阵电阻R(t)即可得到振动源的振动信息。
[0020] 在悬臂梁重量相对可忽略不计的情况下，传感器的共振频率为：
[0021]
<4>
[0022] 其中= 为悬臂梁的刚度，E为悬臂梁的弹性模量。 4/:
[0023] 传感器受迫振动频率越接近共振频率，测量信号越强，测量灵敏度越高。因此，传 感器的测量性能能够依据悬臂梁的材料种类、尺寸和形状等进行调控，同时还与质块的质 量m有关。
[0024]基于上述的振动传感器，有两种方法进行振动测量方法：
[0025] 1.固定基础，使其处于静止状态，振动源驱动悬臂梁的自由端受迫振动，同时测量 纳米粒子点阵的电阻或电导值。如图6A所示。
[0026] 2.将基础与振动源之间采用刚性连接，传感器整体随振动源振动，悬臂梁在质块 的惯性作用下往复振动，同时测量纳米粒子点阵的电阻或电导值。如图6B所示。
[0027]有益效果:本发明提供的一种基于纳米粒子点阵量子输运特性的振动传感器由带 有微电极的悬臂梁和分布于微电极之间的纳米粒子点阵组成。纳米粒子点阵的覆盖率可精 确控制在0.5-1个单层。通过微电极测量纳米粒子点阵的电导值。将悬臂梁的一段固定，另 一端保持自由。在悬臂梁的自由端可附着具有一定质量的质块。在振动源的作用下，质块及 悬臂梁自身的惯