研究与开发杂志
开放获取

抽象的

质谱 2017：液体中的高频纳米光机械圆盘谐振器 - Eduardo Gil Santos - 巴黎大学

爱德华多·吉尔·桑托斯

振动纳米和微机械结构一直是用于光谱测定、化学传感和生物医学分析的超灵敏质量传感器开发的广泛研究的主题。简而言之，最小可检测质量与谐振器的有效质量成正比，如果机械耗散减少，灵敏度就会提高。因此，器件小型化和耗散控制至关重要。在液体中，能量损失很高，因此质量灵敏度通常会急剧下降。为了解决这个问题，提出了新颖的结构，例如液体直接在谐振器内部流动的微通道或微毛细管。虽然这些结构确实表现出较低的机械耗散，但它们很难小型化。在这里，我们展示了纳米光机械圆盘谐振器在这种情况下的潜力，特别是专门研究这些结构的高频径向呼吸模式的谐振器。微型半导体机械盘即使在空气中也具有高机械 Q (>103)、低质量 (pg) 和高机械频率 (GHz)，为质量传感应用提供了明显的优势。然而，到目前为止，它们还没有在液体中运行。在这里，我们通过实验、数值和分析研究了这种振动盘谐振器与任意液体的相互作用，并提出了其机械模式的频移和耗散模型。纳米光机械圆盘谐振器最终成为具有前所未有的灵敏度和速度的流变信息探针，

 用于早期疾病检测等生物应用的超灵敏质量传感器的开发最近引起了巨大的努力。在这种背景下，具有低惯性质量的微米和纳米机械谐振器成为一项关键技术，其在真空中感知单个原子的能力就是例证。简而言之，最小可检测质量与谐振器的有效质量成正比，如果机械耗散减少，灵敏度就会提高。因此，器件小型化和耗散控制至关重要。在液体（典型的生物环境）中，能量损失很高，因此质量灵敏度急剧下降。此外，当悬臂或薄膜等标准机械装置小型化时，液体中的粘性阻尼也会增加。

 为了解决这些问题，已经开发了新的结构和技术。一种有效的方法是使用振动微通道悬臂梁，其中液体直接在谐振器内部流动，以减少感应耗散。纤维微毛细管也采用这种方法，具有更集成的光学检测。由于这两种类型的设备都需要嵌入流体通道，因此它们的尺寸从几十到几百微米不等，导致质量超过纳克，机械频率最多在 MHz 范围内。这些通道器件很难小型化到纳米级。人们还研究了其他几何形状，包括部分浸入式谐振器的情况，该谐振器面临类似的尺寸限制，并且表现出较低的集成能力。