一种高灵敏度微振动检测方法.pdf

本发明公开了一种基于高深宽比纳米阵列探测微振动的方法，属于微振检测领域。该方法是：激光器经过光束整形后，从侧面入射到高深宽比纳米阵列，在另一侧形成明暗相间的衍射条纹；当高深宽比柱阵列感受到外界振动时，会发生同步摇晃振动，导致衍射条纹随之发生变化；读取衍射条纹±1级的运动轨迹，得到衍射条纹的变化角度θ，根据理论力学与材料力学的相关知识，推导出外界载荷p与角度θ之间的关系，从而通过检测衍射条纹变化角度θ实现测量外界微小振动载荷的目的。本发明结构简单，易于实现系统集成。同时，与现有探测方式相比，避免微小电信号的检测难度，提高探测系统的精度。

1.  一种高灵敏度微振动检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在硅基底上布置周期性高深宽比柱阵列结构；
步骤2：激光器经过光束整形后，从侧面入射到高深宽比柱阵列结构，在另一侧形成明暗相间的衍射条纹；
步骤3：当高深宽比柱阵列感受到外界振动时，发生同步摇晃振动，导致衍射条纹随之发生变化；
步骤4：读取衍射条纹±1级的运动轨迹，得到衍射条纹的变化角度θ，即为高深宽比柱阵列的振动角度；
步骤5：计算外界载荷p：
p=πEd38h3tanθ]]>
其中，E为高深宽比柱阵列材料的杨氏模量；d为高深宽比柱阵列结构的直径；h为高深宽比柱阵列的高度。

一种高灵敏度微振动检测方法
所属领域
本发明涉及一种基于高深宽比纳米阵列探测微振动的方法，主要用于微小声振动的精确测量，属于微振检测领域。
背景技术
随着海洋经济、军事战略地位的日益突出，各种军事目标声信号越来越复杂，迫切需要研究探测、定位和跟踪目标的新方法。声波是水中远程传播的最佳媒体，然而随着声对抗与反对抗的发展，特别是多数潜艇采用消声瓦之后，声呐的工作频率要求下降到约3kHz以下，为水听器探测提出了更大的挑战；低空或地面运动目标位于雷达盲区时，利用空气中传播的目标辐射噪声进行目标探测也引起了广泛重视。
声探测技术是微振动探测的一个方向，基于声学探测的一个典型应用就是水听器。中北大学提出的三维矢量水听器(专利号：102103013A)，其采用MEMS微加工技术加工获得的分别用于敏感X向、Y向、Z向三方向水下声信号的敏感单元，以此测量质点振速的三个振速分量，最终实现声源定位。然而，此水听器采用压阻式工作原理，通过敏感结构将感受到的声压变化引起的声振动信号转换成电量信号，再经过放大将信号以电压或者电流的形式输出，在微小电容、电流等信号检测上需要非常严格的设计与控制，对电路测试等相关技术水平的要求非常高。
发明内容
本发明的目的是：为了克服现有微探测灵敏度低以及微小电信号检测难度大的缺点，提出了一种基于高深宽比柱阵列的光衍射实现微振动的检测方法，通过探测衍射光斑的变化实现微小振动的探测，该方法具有工艺简单、灵敏度高。
本发明的技术方案是一种高灵敏度微振动检测方法，包括如下步骤：
步骤1：在硅基底上布置周期性高深宽比柱阵列结构。
步骤2：激光器经过光束整形后，从侧面入射到高深宽比纳米阵列，在另一侧形成明暗相间的衍射条纹。
步骤3：当高深宽比柱阵列感受到外界振动时，会发生同步摇晃振动，导致衍射条纹随之发生变化。
步骤4：读取衍射条纹±1级的运动轨迹，得到衍射条纹的变化角度θ，即为高深宽比柱 阵列的振动角度。
步骤5：根据理论力学与材料力学的相关知识，可以推导出外界载荷p与角度θ之间的关系为：
p=πEd38h3tanθ]]>
其中，E为高深宽比柱阵列材料的杨氏模量；d为高深宽比柱阵列结构的直径；h为高深宽比柱阵列的高度。
因此，通过检测衍射条纹变化角度θ实现测量外界微小振动载荷的目的。
本发明的有益效果是：提出了一种通过探测高深宽比柱阵列结构的衍射条纹的变化实现外界微小微振动的高灵敏度探测方法，该方法结构简单，易于实现系统集成。同时，与现有探测方式相比，避免微小电信号的检测难度，提高探测系统的精度。
附图说明
图1是高深宽比柱阵列结构图。
图2是高深宽比柱阵列微振动检测原理图。
图3是高深宽比柱阵列衍射图像。
具体实施方法
实施例1：
本实施例中给出了一种5行5列组成的高深宽比纳米柱阵列实现低频声探测的光衍射检测方法，具体包括如下步骤：
步骤1：在硅基底上，以光刻胶为掩膜采用高密度等离子体刻蚀技术刻蚀硅，形成周期为2微米、直径d为500纳米、高度h为200微米的高深宽比纳米柱阵列。
步骤2：选用波长为520纳米的红光激光器，并通过光阑等各种元器件将光束直径控制在50μm左右。激光光束以45°角度入射到高深宽比纳米阵列侧面，在另一侧形成明暗相间的衍射条纹。
步骤3：在没有感受到外界声压变化时，高深宽比纳米柱阵列的衍射条纹有规律的振动。当感受到相邻一侧的外界声压发生变化时，高深宽比纳米阵列结构就会发生同步摇晃振动，导致衍射条纹随之发生变化。
步骤4：采用CCD读取并分析衍射条纹±1级的运动轨迹，并将其显示到计算机内。利 用MATLAB作简单的图像处理，将衍射前后光斑在CCD照片上的相对位置变化转化成像素个数，再乘以单个像素尺寸即得到衍射光的相对位置变化量。通过测得初始状态下CCD相机与光栅面的垂直距离，利用正切函数即可求得前后两种状态下的衍射条纹的角度变化θ。
步骤5：将变化角度θ带入公式得到外界低频声振动的声压大小p，其中E为硅材料的杨氏模量。
实施例2：
本实施例中给出了一种3行3列组成的高深宽比纳米柱阵列实现加速度的光衍射检测方法，具体包括如下步骤：
步骤1：在硅基底上，以光刻胶为掩膜采用高密度等离子体刻蚀技术刻蚀硅，形成周期为1微米、直径d为300纳米、高度h为200微米的高深宽比纳米柱阵列。
步骤2：选用波长为520纳米的红光激光器，并通过光阑等各种元器件将光束直径控制在50μm左右。激光光束以45°角度入射到高深宽比纳米阵列侧面，在另一侧形成明暗相间的衍射条纹。
步骤3：将装置以大小为a的加速运动，高深宽比纳米阵列在加速度的作用下发生偏移，导致衍射条纹随之发生变化。
步骤4：采用CCD读取并分析衍射条纹±1级的运动轨迹，并将其显示到计算机内。利用MATLAB作简单的图像处理，将衍射前后光斑在CCD照片上的相对位置变化转化成像素个数，再乘以单个像素尺寸即得到衍射光的相对位置变化量。通过测得初始状态下CCD相机与光栅面的垂直距离，利用正切函数即可求得前后两种状态下的衍射条纹的角度变化θ。
步骤5：将变化角度θ带入公式通过理论力学分析得到加速度其中E为硅材料的杨氏模量，s为硅高深宽比纳米柱阵列的侧面面积，m为硅高深宽比纳米柱阵列的质量。