摘 要

谐振式微质量传感器通过测量敏感元件本身的谐振频率变化量来测得被测物的质量，在微小颗粒探测、生物分子识别等方面具有广泛应用。在综合考虑传感器的灵敏度性能、结构参数、实现难易程度等因素下，寻找新方法提高微质量传感器的性能具有重要意义。

本文在细致总结微质量传感器研究现状基础上，从谐振式微质量传感器的传感原理出发，运用欧拉-伯努利梁理论模型，较深入地分析了各种结构参数对传感器灵敏度的影响，从而提出传感器结构的优化设计方案。论文主要完成了以下工作：

1. 基于欧拉-伯努利梁的理论分析了几种截面为不同几何形状的悬臂梁式微质量传感器的传感原理、性能参数，并进行比较分析，得到在同等条件下，V形梁微质量传感器的灵敏度最高的结论；
2. 基于（1）的结论设计了一种槽式变截面梯形梁微质量传感器，并得出了其灵敏度随各结构参数的变化关系，为该类型微质量传感器设计提供理论参考；
3. 采用欧拉-伯努利梁的理论分析计算了基于单壁碳纳米管的谐振式微质量传感器的谐振频率，并介绍了一种利用探测光吸收谱测量原子质量的光学测量方法，结果表明该方法能在全光域测量单原子质量。

本文从仿真实验的角度对悬臂梁式微质量传感器的传感原理进行了详细分析并验证了通过优化悬臂梁的形状和截面来提高传感器灵敏度方法的可行性，为设计高灵敏度悬臂梁式微质量传感器提供了思路。

关键词：微质量传感器；谐振器；悬臂梁；碳纳米管

Abstract

Resonant micro-mass sensor detect the mass of the attached thing by measuring the frequency shift of the sensitive element,so it has a wide range of applications in the tiny particles detection, biological molecular recognition and so on.In consideration of the sensitivity of the sensor performance, factors such as the structural parameters, degree of difficulty to achieve, to find a new way to improve the quality of micro-mass sensor performance is of great significance.

Based on the detailed summary of micro-mass sensor based on the research status quo, starting from the sensing principle of resonant decay quality sensor, the use of euler-Bernoulli beam theory model, more in-depth analysis of the various structural parameters on its sensitivity, and then puts forward the sensor structure optimization design.This paper mainly finished the following work:

1. Based on euler-Bernoulli beam theory,we analyze the several sections for different geometric shapes of cantilever beam micro-mass sensor sensing principle, performance parameters, and have a comparative analysis.We found that under the same conditions, v-shaped cantilever beam micro-mass sensor has the highest sensitivity.

(2) Based on the conclusion of (1) ,we design a groove cross-section of trapezoidal cantilever beam micro-mass sensor, and it is concluded that its sensitivity varies with the change of structural parameters, which provides theoretical reference for the quality of this type of micro-mass sensor design.

(3) To use the euler-Bernoulli beam theory,we analyse the resonance frequency of the resonant micro-mass sensor based on single-walled carbon nanotubes and introduce a kind of detection method by using light absorption spectrum to detect atomic mass in all-optical domain.

The article analyses the sensing principle of cantilever beam micro-mass sensor in detail ,and it validated the feasibility of the method to improve sensor sensitivity by optimizing the shape and cross section of the beam,which provides a train of thought for designing a cantilever micro-mass sensor with high sensitivity.

Key Words: micro-mass sensor;resonator;cantilever;carbon nanotube

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1微质量传感技术 1

1.2 MEMS设计方法与微质量传感器 2

1.3 论文主要内容与章节安排 2

第2章 谐振式悬臂梁微质量传感理论分析 4

2.1 谐振式悬臂梁微质量传感原理 4

2.2 欧拉-伯努利梁的理论分析 5

2.3 集中质量吸附的灵敏度分析 10

2.4 几种特殊几何形状的悬臂梁式微质量传感器的传感性能分析 12

2.4.1 槽式截面矩形梁微质量传感器 12

2.4.2 变截面梯形梁微质量传感器 14

2.4.3 V形悬臂梁微质量传感器 17

2.5 本章小结 19

第3章 悬臂梁式微质量传感器的设计 20

3.1设计方案 20

3.2 仿真实验验证 21

3.3 结论 24

第4章 基于单壁碳纳米管的谐振式微质量传感器 25

4.1 单壁碳纳米管微质量传感器的欧拉-伯努利梁理论分析 25

4.1.1 悬臂梁式单壁碳纳米管模型 25

4.1.2 两端固支梁式单壁碳纳米管模型 29

4.2 原子质量的吸收光谱法 32

4.3 本章小结 35

第5章 结论 36

参考文献 37

附录 39

致谢 42

绪论

1.1微质量传感技术

微质量传感技术是一种精确测量微小质量的技术，测量量级能到达皮克甚至飞克。因为它具备无需标记、灵敏度高、检测快速、实时性好等优点，所以，它在微小颗粒探测、细菌或病毒等微生物检测以及气/液体成分与浓度等方面具有广泛应用^[1-4]。

按照微质量传感器的检测技术分类，可以将微质量传感器分为两类：弯曲模式微质量传感器和谐振模式微质量传感器^[5]。弯曲模式微质量传感器主要通过被测物与敏感元件表面薄膜的层间应力或者被测物微小自重作用力引起敏感元件弯曲变形，从而通过测量变形量测得被测物的质量。按照工作方式的不同，弯曲模式微质量传感器又可分为：压阻弯曲式、光学弯曲式和电容弯曲式。