使用等效质量进行热机械校准

Laura Bowen 2014年 9月 2日

对许多纳米电子学和纳米机械标准商用产品而言,热机械传感器都非常重要。这类传感器非常小,能在纳米尺度上工作,支持测量十亿分之一米大小的部件。在阿尔伯塔大学,研究人员正在探索能够更快地计算微机械传感器中等效质量的方法,等效质量即粒子与力相互作用时的质量。此类测量是执行热机械校准的关键。

从温度数据中计算等效质量的线索

粒子等效质量的传统计算方法是推动粒子,然后测量它对作用力的反应。阿尔伯塔大学的一个研究团队(Brad Hauer、Callum Doolin、Kevin Beach 和 John Davis)使用仿真这一高效的非侵入工具来实现热机械校准。

根据 Hauer 的说法:“对谐振器的恰当校准非常重要,尤其是在极端重视精度的行业。”

热机械校准因其精确性保证了设备能准确、最优地运转。谐振器的热运动与它的能量成正比,能量又与其等效质量和瞬态位移的平方成正比。等效质量的计算要同时考虑质量与振型,因此,要考虑谐振器的位移。简单地说,对谐振器设计等效质量的精确预测,才使我们能够恰当地校准。

模拟原子力显微镜针尖

原子力显微镜是一个需要极其精细测量的领域,它为仪器提供了一种检查表面的方式。原子力显微镜会沿物体操作一个物理探针,以创建物体的高解析度图片。该工艺存在一个缺陷,即测量可能会由于设备的制造缺陷而完全无效。像原子力显微镜针尖一样敏感的器件,尤其需要精确的校准。

阿尔伯塔大学的研究人员利用结构力学模块的特征频率研究分析了基础振型。他们随即将谐振器密度乘以归一化的位移平方,再对结果在整个几何上执行体积分,进而得到等效质量。

原子力显微镜仿真图片。
原子力显微镜针尖振型的仿真,使用光电二极管测量了悬臂反射的光。

计算任何器件的等效质量

考虑到需要校准的多种传感器类型,如果能在同一个软件内模拟所有几何,将带来极大的帮助。未来,阿尔伯塔大学的研究人员将研究一些涉及光机械的前沿设计。自然,他们会继续使用 COMSOL Multiphysics 来模拟他们的设计。

在研究纳米结构、纳米弦,以及其间任何领域的公司中,这项研究都能得到广泛的应用。最重要的是,结构力学模块用户将能通过一种有效且可扩展的方式来获取纳米电子与纳米机械器件中的等效质量。

测力传感器中的等效质量,以执行热机械校准。
测力传感器能够测量最小为阿牛顿 (10-18N) 大小的力的增量。

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