[发明专利]一种基于纳米粒子点阵量子输运特性的振动传感器

说明书

本发明提供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)；以金属纳米粒子点阵(1)作为传感器的敏感材料；构成纳米粒子点阵(1)的材料是各种金属，纳米粒子的粒径为1‑500nm，纳米粒子的覆盖率在0.3‑0.99个单层之间。

技术领域

本发明涉及一种振动传感器，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

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

目前，主流的振动传感器根据其机电变换的原理，可以分为光电式、压电式、电涡流式、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、激光检测装置以及测量电路，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，由于晶格畸变能力有限，所以其测量振动幅度的范围十分微小。电涡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，由弹簧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。

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

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。

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)；以金属纳米粒子点阵(1)作为传感器的敏感材料；构成纳米粒子点阵(1)的材料可以是各种金属，纳米粒子的粒径为1-500nm，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、铝等金属薄膜材料构成。

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。

纳米粒子点阵(1)中纳米粒子间不形成欧姆接触。

制备于同一悬臂梁上的纳米粒子点阵(1)和微电极(3)可以是一组也可以多组的并联。

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。