基于模态局域化原理、采用高Q值耦合谐振器实现的可调谐混合传感系统

摘要： 过去十年间，基于安德森模态局域化原理的微机电系统（MEMS）器件研发日益受到关注，这类器件能显著提升对质量扰动的检测灵敏度[1-7]。模态局域化现象发生于弱耦合的相同谐振器阵列中——当引入质量或刚度扰动时即会出现。该技术的核心优势在于对扰动的高灵敏度响应及共模抑制能力[8]。然而要实现这一效应，必须满足两个条件：一是谐振器阵列需完全一致，二是耦合刚度既要足够低以避免模式混叠，又不能过低[9]。因此，微加工缺陷往往成为此类高灵敏度传感器应用的障碍。此外，器件几何结构与激励模式的选择也受限于耦合方式实现（例如双端音叉[4]或悬臂梁[5]的首阶模态）。为此，我们提出替代方案：构建由第一机械谐振器与第二物理性质不同的可调谐谐振器耦合的系统。这种混合方法已应用于Q因子达1000的电学谐振器进行MEMS特性表征[10]，我们先前也证实了在Q因子20的电学谐振器与数字器件组合系统中产生模态的可行性[11]。本研究首次采用品质因数超过10^5的压电谐振器（QCM）构建二自由度耦合系统，其中耦合部分及其中一个谐振器通过基于动力学方程的数字等效模型实现，并搭载实时计算的硬件系统。该方法可调控谐振器设计参数与耦合系数以达到模态局域化的最优条件，同时消除耦合设计带来的几何约束（从而允许使用QCM等器件）。鉴于此类压电谐振器在食品安全、环境监测、安全防护及健康检测等质量传感领域的广泛应用[12]，本成果为新一代超灵敏生物传感器研发开辟了新途径。