一种利用发光二极管阵列实现微悬臂梁高阶共振激发的方法及应用

摘要

利用发光二极管阵列实现微悬臂梁高阶共振激发的方法及应用，发光二极管阵列对微悬臂梁进行频率照射，所述微悬臂梁产生频率振动信号。由函数信号发生器输出的频率为f/N相位差为2π/N的相同振幅且加一偏压的交流信号分别控制N个发光二极管，这样在时域上便会表现出一个频率为f的信号，利用其驱动微悬臂梁振动，则振动频率为f，实现了由发光二极管阵列激发高阶振动的目的，提高微悬臂梁作为探测器或传感器的灵敏度。微悬臂梁作为气体或液体探测器使用时，当采用不同波段发光二极管阵列激发处于所测气体或液体环境中的微悬臂梁共振时，便可由共振振幅或品质因子的改变获得所处气体或液体对不同波段光的吸收，以确定气体或液体的组份及含量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用发光二极管阵列实现微悬臂梁高阶共振激发的方法及 应用，属于微机电器件振动的技术领域。

背景技术

微悬臂梁(Micro-cantilever)作为一种常用的微机电器件，通常以晶体生 长为基础，通过半导体工艺加工而成。它由底座部分(Bulk)和梁部分(Beam) 构成，梁的一端为自由端，作为原子力显微镜使用时通常还要附着一探针，另一 端则固定在底座上。对于常用的微悬臂梁，材料一般为硅或者氮化硅，其长度在 几十微米到几百微米，宽度在几微米到几十微米，厚度在一到两个微米不等。其 所具有的质量小、弹性系数小、共振频率高等力学特点，使得它特别适合用于制 造各种超高精度传感器。

微悬臂梁的应用本质主要体现在对其共振频率或品质因子随外界环境改变 的基础上进行检测。对其共振频率的激发主要包括以下几种激励源：

压电式激发:1991年D.Rugar等人在Physical Review Letters发表文章将 微悬臂梁与压电换能器(通常选择压电陶瓷片)粘贴在一起，并在压电陶瓷的振 动方向上施加一交流电信号从而使压电陶瓷以外加电流的频率振动，即可通过压 电陶瓷的振动带动微悬臂梁的振动。但是由于压电陶瓷片均有其谐振频率，且外 加电信号频率在其谐振频率附近时，压电片具有比较大的振动。这造成当外加电 信号在固定幅值下做频率扫描时，压电片在不同电信号频率下的振幅也不同，因 此测得的微悬臂梁振动强度随频率的变化关系，需要消去压电片自身在相应频率 下的振幅(归一化)，才能真正得到微悬臂梁的频率响应曲线。归一化过程需要 额外的数据测量与数据处理，势必造成实验效率的下降和实验误差的增大。另外， 通常选用的压电器件为压电系数较大的含铅陶瓷，具有一定的毒性。

电场力激发：2006年J.Gaillard等人在Review of Scientific  Instruments发表文章利用电场力成功激发微悬臂梁振动。主要结构为微悬臂梁 和与之平行放置的对电极。通过在微悬臂梁与对电极之间施加具有一定偏压的交 流信号，二者之间的交变电场力便可驱动微悬臂梁振动。电场力激发的缺点就是 它仍然是一种接触式激发方式，需要对电极的配合才能实现激发，这在一定程度 上限制了其应用范围，比如在电化学过程中就难以应用。

磁场力激发：1996年A.N.Cleland等人在Applied Physics Letters发表 文章，令微悬臂梁的两端固定在两个固定端上，两个固定端之间可通过外部信号 发生装置施加交流电信号。当在与微悬臂梁长度方向垂直的方向上加入磁场后， 在安培力的驱动下，微悬臂梁就以外加交流电信号的频率，在垂直于磁场和电流 构成的平面方向上振动。这种激发方式的缺点在于：(1)只适用于两端固定的微 悬臂梁，对于单端固定的微悬臂梁不适用；(2)要求微悬臂梁必须能够导电；(3) 外围设备复杂，成本昂贵。

超生波激发：2010年Thomas M.Huber等人在Applied Physics Letters发 表文章利用超声波激发悬臂梁振动。超声波激发属于区别于传统接触式激发的一 种新型非接触式激发方式，这种激发方式不需要将微悬臂梁与任何换能装置绑 定，使微悬臂梁得到“解放”，这增加了传感器潜在的应用领域。由于微悬臂梁 周边没有任何绑定物，只需将超声换能器发出的具有一定频率的超声波辐射微悬 臂梁，微悬臂梁即可以超声波的频率进行振动。但是超声波激发也有其不足之处： (1)超声波难以聚焦，这势必造成能量利用率下降；(2)超声波的传播需要一 定的介质作为载体，从而不能在真空中传播，而为了让微悬臂梁传感器获得更高 的探测精度，将其置于真空环境是重要手段之一。

激光激发：1998年喻浩等人在光学学报发表文章，利用激光与物体的光热 效应成功实现了微悬臂梁的振动。激光激发是一种新型的远程非接触式激发。由 于激光聚焦容易，且可以长距离激发微悬臂梁振动，相较于其它激发方式具有一 定的优势。但是一般利用斩波器或者外部电路调制激光脉冲，其频率覆盖范围窄， 脉冲激光设备昂贵、可调连续激光器调制频率低下、光谱覆盖范围窄，为了有效 激发，通常还要镀一层金属以利用两层材料的热膨胀系数差产生振动。

随着微悬臂梁传感器的发展，为了提高品质因子和探测精度，通常会使用共 振频率非常高的微悬臂梁，甚至会超过1MHz。在这种情况下，传统的激光激发 技术难以应用，因为产生如此高频的周期激光在技术上难以实现。如果激光发射 器通过商业产品中常见的电路控制器，最多可以产生频率为几个kHz的周期激 光。即使配备尖端的开关电路，周期激光照射的频率上限通常也只能达到几百个 kHz，还远远达不到对超高共振频率的微悬臂梁进行共振激发的要求。同时，尖 端设备不但使制造成本大幅提高，并且不利于探测器的小型化。若利用脉冲激光 器，其价格通常极其昂贵，且庞大笨重，另外其扫频信号通常不能从低阶频率开 始，极大地限制了其应用。

另外对于由低阶信号源激发微悬臂梁高阶共振的方法也曾有报道，中国专利 102620751A公开了一种利用低阶脉冲电信号激发微悬臂梁共振的方法。其原理 是当脉冲电信号的频率是微悬臂梁探针共振频率的分数倍时，其高阶傅立叶谐波 包含与微悬臂梁共振频率相同的成分，可以驱动悬臂梁在共振频率下振动。由于 高阶傅立叶谐波能量相较于原频率已经极其微小，从而不能有效激发微悬臂梁大 幅度高阶振动。特别对于研究微悬臂梁非线性振动，此方法具有一定的局限性。

在应用上，微悬臂梁作为气体或液体传感器具有广泛的应用价值，以往都是 通过在微悬臂梁表面镀上一层功能化的敏感材料实现对气体的检测。微悬臂梁在 气体检测过程中由于气体分子与敏感层的吸附，引起微悬臂梁表面应力或质量改 变，最终导致微悬臂梁共振频率或品质因子的改变，通过改变量的大小达到气体 检测的目的。但是对悬臂梁镀层增加了工艺，提高了成本。另外，由于一种镀层 材料可能对几种气体敏感，这就限制了检测气体的准确度，另外不同气体也有可 能对应不同的敏感材料，使得其难于检测混合气体，应用范围有限。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种利用发光二极管阵列实现微悬臂梁 高阶共振激发的方法。

本发明还涉及一种上述激发方法的应用。

本发明的技术方案如下：

一种利用发光二极管阵列实现微悬臂梁高阶共振激发的方法，发光二极管阵 列对微悬臂梁进行频率照射，所述微悬臂梁产生频率振动信号，信号发生装置进 行频率扫描时，即得到微悬臂梁的振动频域响应，得到所述微悬臂梁各阶共振频 率f和品质因子；

由上述信号发生装置输出的交流电信号激励发光二极管发光并控制其发光 频率，所述发光频率与交流电信号的频率同步；所述微悬臂梁由于光热效应在其 表面产生温度差，此温度差造成的不同部位的膨胀程度不同而导致微悬臂梁的振 动；当信号发生装置进行频率扫描时，便可得到微悬臂梁的频域响应，进而求得 其各阶固有振动频率和品质因子；

由信号发生装置输出的频率为f/N，相位差为2π/N的交流信号分别控制N 个发光二极管，其发光频率为f/N,发光强度由信号发生装置输出交流信号的峰 峰值决定，则发光二极管阵列在时域上表现出一个频率为f的脉冲信号，通过辐 射微悬臂梁实现其频率为f的高阶振动，即实现N倍频。即实现了由发光二极管 阵列激发微悬臂梁高阶振动的目的，极大地拓宽了频率探测范围。相较于传统激 光激发利用光热效应激励微悬臂梁振动，需在微悬臂梁表面镀层金属以提高激光 的吸收率，增大吸热量，发光二极管波长覆盖范围广，除可利用悬臂梁材料吸收 率大的波长使其由于光热效应激励微悬臂梁振动外，还可利用特定的波长发光二 极管使悬臂梁材料分子产生受激辐射，形成振荡，另外发光二极管阵列各个发光 波长独立，可实现多种不同波长的发光脉冲跳舞式激发微悬臂梁振动。

根据本发明优选的，一种利用发光二极管阵列实现微悬臂梁高阶共振激发的 方法，包括具体步骤如下：

(1)利用信号发生装置输出的扫频信号驱动发光二极管激发微悬臂梁振动 的频域响应，得到其本征振动频率f及品质因子，并利用现有测振技术探测其振 动信号；

(2)利用信号发生装置产生两个或N个相位差为π或2π/N的同频f/N方 波信号驱动发光二极管阵列，其中各个发光二极管发光波长独立，激励微悬臂梁 振动，并利用测振技术得到微悬臂梁频率为f的振动，即利用发光二极管阵列驱 动微悬臂梁高阶振动。

根据本发明优选的，所述步骤(1)中利用信号发生装置输出的扫频信号驱 动发光二极管激发微悬臂梁振动的频域响应，包括步骤如下：

1)利用信号发生装置输出的正弦振荡信号驱动发光二极管闪烁，其闪烁频 率与信号发生装置输出电信号频率相同；

2)发光二极管发光脉冲与微悬臂梁相互作用，由光热效应和受激辐射向晶 格传热导致激励微悬臂梁振动；优选的，所述悬臂梁长350微米，宽35微米， 厚1微米；

3)利用检测设备采集微悬臂梁的振动位移和速度信号作为振动信号；优选 的，所述检测设备为激光测振仪或光杠杆；所述激光测振仪是利用激光的多普勒 效应对运动物体的位移和速度进行探测的仪器：当测振仪激光探头发出的激光照 射到运动物体上时，需对其聚焦到微悬臂梁尖端，聚焦斑点大约为10微米，当 微悬臂梁朝向激光探头运动，其反射回的激光会比入射激光具有更短的波长，即 发生蓝移；当微悬臂梁背向激光探头运动，其反射回的激光会比入射激光具有更 长的波长，即发生红移。通过测量反射光的波长以及相对于入射光的相位，通过 现有技术即可计算出微悬臂梁振动的位移量和速度值，并将其转化为电压信号；

4)采集的振动信号通过锁相放大器，经放大和带通滤波后与参考信号共同 输入现有的混频器得到的结果再通过低通滤波器滤波后得到其振动信号的频域 响应，其中，参考信号锁定为信号发生装置输出交流信号。

根据本发明所优选的，所述步骤(2)中利用发光二极管阵列驱动微悬臂梁 高阶振动的方法，包括步骤①-③：

①由函数发生器产生2个或N个相位差为π或2π/N的方波信号分别驱动2 个或N个发光二极管进行同频率闪烁；

②调制发光二极管产生的脉冲光直接辐射或通过光学器件聚焦到微悬臂梁 上，使其由于光热效应和受激辐射产生振动；

③利用现有光杠杆技术探测微悬臂梁振动信号:

由He-Ne激光器发出的功率为3mW的632nm光入射到微悬臂梁表面并产生 反射光射入到光电探测器光敏面；当微悬臂梁开始振动，其反射光将此变化量转 变为激光光斑在光电探测器光敏面的偏移量,并将所述变化量放大；经过光电探 测器的光电转换,位移信息转变为电信号,再经前置放大电路、滤波电路的处理, 由数据采集卡采集,经过PC机处理,最后得到微悬臂梁在某一频率振动下的时域 信号，即微悬臂梁振动信号。

如上述由发光二极管阵列实现微悬臂梁高阶共振激发的方法的应用，所述激 发方法对气体或液体进行探测，用以确定气体或液体的组份。由于任意一种气体 或液体都有数个特征峰，不同的气体或液体其特征峰还会有不同程度的重叠。当 采用不同波段发光二极管阵列激发处于所测气体或液体环境中的微悬臂梁共振 时，由共振振幅或品质因子的改变获得所处气体或液体对不同波段光的吸收，从 而确定气体或液体组份及含量。

本发明的优势在于：

1.本发明为首次采用发光二极管激励微悬臂梁振荡，由于其光谱覆盖范围 宽，可以针对不同材质的微悬臂梁利用其特定吸收波长的光源进行激发，相较于 普通的激光激励，不用再镀一层金属介质膜来增大对光的吸收，在降低操作方法 复杂度的同时，增大了实验精度。

2.本发明采用发光二极管激励微悬臂梁振荡，调制频率可高达GHz，远远大 于利用外部调制功能的激光器或斩波器调制激光脉冲激励微悬臂梁，可以激励出 更高阶共振，对于提高微悬臂梁探测器及传感器的分辨率有着极大的意义。

3.本发明所采用的发光二极管阵列可以通过调制其不同发光时间差，达到低 阶信号激发高阶振动的目的，极大地提高了微悬臂梁作为探测器或传感器的灵敏 度。

4.本发明可作为一种气体或液体的探测器使用。由于任意一种气体或液体都 有数个特征峰，不同的气体或液体其特征峰还会有不同程度的重叠。当采用不同 波段发光二极管阵列激发处于所测气体或液体环境中的微悬臂梁共振时，便可由 共振振幅或品质因子的改变获得所处气体或液体对不同波段光的吸收，从而确定 气体或液体组份及浓度。

5.本发明调制波形质量好，普通的激光外部调制波形在高频率下失真严重。

6.本发明为一种激励微悬臂梁振动的远程非接触技术，相对与电容式激发和 压电式激发等短程激发，极大的拓展了其应用范围。

7.本发明所用激发源具有高亮度、低热量、环保、使用寿命长、性价比高、 体积小且易于实现得特点。

8.本技术发明可通过其频域响应得到悬臂梁的各阶振动的品质因子，这对于 探测及传感器件尤为重要。

附图说明

图1是本发明中所述利用信号源输出的扫频信号驱动发光二极管激发微悬 臂梁振动信号的频域响应示意图，其中1：多普勒测振仪探头；2：多普勒测振 仪控制器；3：锁相放大器；4：微悬臂梁；5：发光二极管；6：光电探测器；7： 数据采集卡；8：函数信号发生器；9：计算机；

图2-1是微悬臂梁一阶振动位移图；

图2-2是微悬臂梁一阶振动相位信息频域图；

图3-1是微悬臂梁二阶振动位移图；

图3-2是微悬臂梁二阶振动相位信息频域图；

图4-1是微悬臂梁三阶振动位移图；

图4-2是微悬臂梁三阶振动相位信息频域图；

图5是本发明中所述由函数波形发生器产生的低阶信号驱动发光二极管激 励微悬臂梁高阶振动示意图：

在图5中，4：微悬臂梁；5：发光二极管(不同灰度代表不同波长)；6：光 电探测器；9：氦氖激光器；

图6是发光二极管产生的相位差为π的低阶发光脉冲图；

图7是发光二极管产生的两相位差为π的发光阵列脉冲叠加得到的高阶脉 冲图；

图8是由两相位差为π的发光阵列信号得到的悬臂梁高频振动位移信号。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不仅限于此。

如图1-8所示。

实施例1、

一种利用发光二极管阵列实现微悬臂梁高阶共振激发的方法，发光二极管阵 列对微悬臂梁进行频率照射，所述微悬臂梁产生频率振动信号，信号发生装置进 行频率扫描时，通过微悬臂梁的振动频域响应，得到所述微悬臂梁各阶共振频率 f和品质因子；其中所述信号发生装置为函数信号发生器；

由上述信号发生装置输出的交流电信号激励发光二极管发光并控制其发光 频率，所述发光频率与交流电信号的频率同步；

由信号发生装置输出的频率为f/N，相位差为2π/N的交流信号分别控制N 个发光二极管，其发光频率为f/N,发光强度由信号发生装置输出交流信号的峰 峰值决定，则发光二极管阵列在时域上表现出一个频率为f的脉冲信号，通过辐 射微悬臂梁实现其频率为f的高阶振动，相当于实现了N倍频。

一种利用发光二极管阵列实现微悬臂梁高阶共振激发的方法，包括具体步骤 如下：

(1)利用信号发生装置输出的扫频信号驱动发光二极管激发微悬臂梁振动 的频域响应，得到其本征振动频率f及品质因子，并利用现有测振技术探测其振 动信号；

(2)利用信号发生装置产生两个或N个相位差为π或2π/N的同频f/N方 波信号驱动发光二极管阵列，其中各个发光二极管发光波长独立且可不同选择， 激励微悬臂梁振动，并利用测振技术得到微悬臂梁频率为f的振动，即利用发光 二极管阵列驱动微悬臂梁高阶振动。

所述步骤(1)中利用信号发生装置输出的扫频信号驱动发光二极管激发微 悬臂梁振动的频域响应，包括步骤如下：

1)利用信号发生装置输出的正弦振荡信号驱动发光二极管闪烁，其闪烁频 率与信号发生装置输出电信号频率相同；发光二极管发光中心波长为464nm锁相 放大器通过外部参考模式锁定函数信号发生器输出信号频率；

2)发光二极管发光脉冲与微悬臂梁相互作用，由光热效应和受激辐射向晶 格传热导致激励微悬臂梁振动；所述悬臂梁长350微米，宽35微米，厚1微米；

3)利用检测设备采集微悬臂梁的振动位移和速度信号作为振动信号；所述 检测设备为激光测振仪或光杠杆；

4)采集的振动信号通过锁相放大器，经放大和带通滤波后与参考信号共同 输入现有的混频器得到的结果再通过低通滤波器滤波后得到其振动信号的频域 响应，其中，参考信号锁定为信号发生装置输出交流信号。

实施例2、

如实施例1所述一种利用发光二极管阵列实现微悬臂梁高阶共振激发的方 法，其特征在于，所述步骤(2)中利用发光二极管阵列驱动微悬臂梁高阶振动 的方法，包括步骤①-③：

①由函数发生器产生2个或N个相位差为π或2π/N的方波信号分别驱动2 个或N个发光二极管进行同频率闪烁；

②调制发光二极管产生的脉冲光直接辐射或通过光学器件聚焦到微悬臂梁 上，使其由于光热效应和受激辐射产生振动；

③利用现有光杠杆技术探测微悬臂梁振动信号:

由He-Ne激光器发出的功率为3mW的632nm光入射到微悬臂梁表面并产生 反射光射入到光电探测器光敏面；当微悬臂梁开始振动，其反射光将此变化量转 变为激光光斑在光电探测器光敏面的偏移量,并将所述变化量放大；经过光电探 测器的光电转换,位移信息转变为电信号,再经前置放大电路、滤波电路的处理, 由数据采集卡采集,经过PC机处理,最后得到微悬臂梁在某一频率振动下的时域 信号，即微悬臂梁振动信号。

所述函数信号发生器输出的波形是正弦波、方波或者三角波等交流信号。

实施例3、

如实施例1或2所述由发光二极管阵列实现微悬臂梁高阶共振激发的方法的 应用，所述激发方法对气体或液体进行探测，用以确定气体或液体的组份，当采 用不同波段发光二极管阵列激发处于所测气体或液体环境中的微悬臂梁共振时， 由共振振幅或品质因子的改变获得所处气体或液体对不同波段光的吸收，从而确 定气体或液体组份及浓度。

实施例1-3以蓝光发光二极管激励微悬臂梁为例，结合如图1-图8进一步 说明：

(1)交流信号驱动发光二极管：如图1所示，锁相放大器3采用外部参考模 式，使其参考信号与函数信号发生器输出信号同步，输出信号经BNC转鳄 鱼钳分别连接至发光二极管的正负极，调节输出电压峰峰值5V，偏压5V， 使发光二极管5点亮，其发光脉冲可通过光电探测器6进行采集，采集的 电压信号通过数据采集卡7进行模数转换，然后在计算机中得到其发光脉 冲的时域响应；

(2)多普勒测振仪探头激光聚焦：由激光测振仪探头发出的633nm的光通过 显微物镜聚焦到微悬臂梁表面，聚焦光斑为10μm，聚焦效果通过光学显 微镜探测得到，其中调节聚焦效果的方法为通过三维螺旋测微仪移动微悬 臂梁的空间位置；

(3)振动信号的采集、处理：由函数信号发生器输出扫频信号驱动微悬臂梁 振动，振动信号通过多普勒效应由激光探头采集，然后经过多普勒测振仪 控制器2转化为电压信号。其后通过锁相放大器，经放大和带通滤波后与 参考信号共同输入混频器得到的结果再通过低通滤波器滤波后，由计算机 控制系统得到微悬臂梁前三阶本征振动的位移和相位信号的频域响应；

(4)π相位差交流信号的产生：由信号发生器输出两个频率均为3750Hz、电 压峰峰值均为5V、偏压5V、占空比均为5％的方波信号驱动两个发光二极 管5。其中交流信号具有π的相位差，导致两个发光二极管在发光时间上 也具有二分之一周期的差值，如图6所示。所述信号发生器输出信号不可 采用正弦波或三角波，否则其波形叠加得不到倍频信号，而是一直流信号。 由光电探测器探测这两个发光信号转变成电压信号再通过示波器便可得 到其叠加效果，如图7所示，成功产生了发光倍频信号；

(5)振动信号的采集、处理：信号的采集由光杠杆完成，如图5所示。He-Ne 激光器发出的功率为3mW的632nm光入射到微悬臂梁表面并产生反射， 反射光入射到光电探测器光敏面。当微悬臂梁开始振动，其反射光便会将 此微小变化量转变为激光光斑在光电探测器光敏面的偏移量,并将微小量 放大。经过探测器的光电转换,位移信息转变为电信号,再经前置放大电 路、滤波电路的处理,由数据采集卡采集,经过PC机处理,最后得到微悬臂 梁在7700Hz共振处的振动信号，如图8所示，实现了由不同波长的发光 二极管阵列激发高阶信号。