生物粒子机械振动特性探测的方法、装置和应用与流程

技术特征：
1.一种生物粒子机械振动特性探测的方法，其特征在于：利用频率接近的机械谐振器相互耦合的物理机制实现生物粒子机械模式的测量，放置生物粒子在谐振传感器上，检测附有生物粒子的谐振传感器的机械振动谱，改变谐振传感器的机械振动模态，直到生物粒子和谐振传感器的机械振动相互影响，发生耦合，根据耦合状态时的频率数据，估算出生物粒子的共振频率和品质因子。2.根据权利要求1所述的生物粒子机械振动特性探测的方法，其特征在于：生物粒子，是细菌、病毒、蛋白质或其他生物粒子，机械谐振频率范围从几百mhz到几百ghz。3.根据权利要求1所述的生物粒子机械振动特性探测的方法，其特征在于：谐振传感器选自悬梁臂、谐振膜、谐振桥、谐振环、谐振盘任一种机械振荡结构，机械谐振频率范围覆盖生物粒子机械谐振频率范围；谐振传感器的机械振动特性通过改变其质量或刚度来进行调节，此外，刚度通过机械、光学、电学方法增加应力进行调节。4.根据权利要求1所述的生物粒子机械振动特性探测的方法，其特征在于：估算生物粒子的共振频率和品质因子的方法具体为：生物粒子的机械频率ω
a,i
和品质因子q
a,i
由以下公式估算得到其中ω
s
和q
s
分别表示谐振传感器的机械频率和品质因子，ω1和ω2分别表示谐振传感器与生物粒子的耦合机械振动频率与谐振传感器机械频率ω
s
的比值，q1和q2分别表示谐振传感器与生物粒子的耦合机械振动品质因子。5.一种生物粒子机械振动特性测量系统，其特征在于：包括以下装置：可调谐激光器(1)、衰减器(2)、偏振控制器(3)、拉锥光纤(4)、位移台(5)、低频光电探测器(6)、示波器(7)、高频光电探测器(8)、频谱分析仪(9)、显示器(10)、电荷耦合元件(11)、显微镜(12)、开环压电控制器(13)，谐振传感器(14)；可调谐激光器(1)、衰减器(2)、偏振控制器(3)、拉锥光纤(4)和位移台(5)按顺序依次连接，分束器一侧连接位移台(5)，另一侧分成两路，一路是低频光电探测器(6)和示波器(7)连接，另一路是高频光电探测器(8)和频谱分析仪(9)连接，显微镜(12)位于拉锥光纤(4)的正上方，显微镜(12)和电荷耦合元件(11)连接，电荷耦合元件(11)和显示器(10)连接，谐振传感器(14)和拉锥光纤(4)垂直耦合；可调谐激光器(1)为谐振传感器提供稳定的连续光；衰减器(2)调节光的功率；偏振控制器(3)调节光的偏振态；拉锥光纤(4)将光有效耦合进出微腔；位移台(5)包括电动纳米位移台和粗调位移台，电动纳米位移台用于负载样品精确运动，粗调位移台用于手动调节范围；低频光电探测器(6)和示波器(7)用于探测谐振传感器的光学信号；高频光电探测器(8)和频谱分析仪(9)用于探测谐振传感器的机械信号；显示器(10)、电荷耦合元件(11)和显微镜(12)用于观察拉锥光纤(4)与谐振传感器(14)之间的相对位置；开环压电控制器(13)对谐振传感器(14)两侧的电极施加直流电压。6.一种机械振动特性测量方法，使用权利要求5所述的生物粒子机械振动特性测量系
统，其特征在于：可调谐激光器(1)发出的蓝失谐激光经过偏振控制器(3)调整偏振后，通过拉锥光纤(4)与谐振传感器(14)耦合后，激光在谐振传感器(14)上产生光辐射压力，驱动谐振传感器(14)机械振动，谐振传感器(14)机械振动会引起自身的光学频率改变，对于频率为本征光学频率附近的光，其通光功率会随着谐振传感器(14)的机械振动改变，输出光信号携带自身的机械振动信号，通过低频光电探测器(6)转换为电信号，再经示波器(7)提取出谐振传感器(14)的机械振动模式。7.根据权利要求6所述的机械振动特性测量方法，其特征在于：谐振传感器(14)上的样品版图设计包括一定数量且大小不同的谐振传感器，不同大小的谐振传感器依次排列，确保整个芯片上的谐振传感器机械谐振频率覆盖生物粒子机械振动频率范围，同时，谐振传感器(14)两侧的电极，平行于与谐振传感器(14)相切的方向，“ ”极、
“‑”
极在谐振传感器的两侧交替排列。8.根据权利要求6所述的机械振动特性测量方法，其特征在于：选择对振动最敏感的光机械器件，通过拉锥光纤耦合的方式对其机械性能进行测试；通过扫描可调谐激光器(1)波长，将1550nm波段的输出光通过衰减器(2)衰减后，再经过光纤偏振控制器(3)后调整偏振态，通过拉锥光纤(4)与谐振传感器(14)耦合，将输出的激光光束分成两路，一路经低频光电探测器(6)和示波器(7)后，提取出谐振传感器(14)的光学谐振信号；一路经高频光电探测器(8)和频谱分析仪(9)提取谐振传感器(14)的机械谐振信号；频谱分析仪(9)测到的谱图得到谐振传感器(14)的机械谐振频率和品质因子；对谐振传感器(14)两侧电极施加直流电压，改变谐振传感器(14)的谐振频率，使其贴近于生物粒子的机械振动频率，生物粒子吸附在谐振传感器(14)之前和之后，如果谐振传感器(14)的机械模式从单个劈裂成两个，且品质因子大大降低，说明生物粒子与谐振传感器(14)发生机械共振，耦合在一起；在耦合过程中，观测到谐振传感器(14)机械频率劈裂产生到消失的过程。9.根据权利要求6所述的机械振动特性测量方法，其特征在于包括如下步骤：(1)一种可调谐激光器(1)为装置提供1550nm波段的稳定激光；通过衰减器(2)调节光功率；通过偏振控制器(3)调节光的偏振状态，使拉锥光纤(4)与谐振传感器(14)发生耦合；(2)拉锥光纤(4)通过氢焰加热并同时拉伸单模光纤：拉锥光纤(4)的中心直径为1μm,与光学波长相当；其中拉锥光纤(4)中心区域弯曲，使得它的倏逝场更好地出现自身周围的环境中，使得它贴近谐振传感器(14)时发生耦合；(3)拉锥光纤(4)的另一侧接分束器，将光分成两路；一路被低频光电探测器(6)探测，转换成电信号传递给示波器(7)，通过扫描可调谐激光器(1)的输出光波长，测量每一波长的透射光功率，即可得到谐振传感器的光学特性；当蓝失谐光信号波长设置于光学谐振中最大斜率处，谐振波长的变化会改变该处的光学透射率，进而使器件透射光的强度受到机械振动的调制，因而可以从频谱分析仪(9)记录的透射光强度频谱信息中，得到谐振传感器(14)机械振动特性；这时，将分束器的另一路光信号送入高频光电探测器(8)，高频光电探测器(8)将蓝失谐光信号转换为电信号，送入频谱分析仪(9)进行读取谐振传感器(14)的机械信号；(4)位移台(5)调节样品位置，使得拉锥光纤(4)与谐振传感器(14)进行耦合；(5)显示器(10)、电荷耦合元件(11)和显微镜(12)用于观察拉锥光纤(4)与谐振传感器(14)之间的相对位置；
(6)开环压电控制器(13)对谐振传感器(14)两侧的电极施加直流电压；(7)单个谐振传感器(14)上的样品包括一定数量且大小不同的谐振传感器，不同大小的谐振传感器依次排列，确保整个芯片上的谐振传感器机械谐振频率覆盖病毒机械振动频率范围，同时，谐振传感器两侧的电极，平行于与谐振传感器相切的方向，“ ”极、
“‑”
极在谐振传感器的两侧交替排列；(8)制备样品，验证谐振传感器机械模式和电学调谐性，确定可调谐的范围；(9)从之前的谐振传感器阵列测试结果中，得到不同大小谐振传感器的电学调谐范围，根据电学调谐范围，确定不同谐振传感器之间的尺寸差，重新设计谐振传感器阵列，通过不断地测量、筛选和优化谐振传感器样品，最终获得适用于生物粒子探测的谐振传感器样品；(10)对谐振传感器两侧的电极施加直流电压，不断改变谐振传感器的机械振动频率，直到生物粒子和谐振传感器的机械振动达到耦合状态；对比生物粒子转移前后谐振传感器的机械模式变化，如果在转移生物粒子后谐振模式增加一个，则说明测试到生物粒子与谐振传感器机械振动耦合的信号，在这一调谐过程中，观测到附有生物粒子的谐振传感器机械频率劈裂产生到消失的过程；(11)根据理论预期，整个调谐过程分为以下三个区间：当被测生物粒子的机械频率远高于谐振传感器机械频率，由于受到生物粒子重物的影响，谐振传感器的机械频率会发生偏移；当被测生物粒子的机械频率接近于谐振传感器机械频率，谐振传感器与生物粒子耦合，谐振传感器的机械模式劈裂成两个，一个来源于谐振传感器与被测生物粒子机械振动方向相同，另一个来源于谐振传感器与被测生物粒子机械振动方向相反；当被测生物粒子的机械频率远低于谐振传感器的机械频率，谐振传感器的机械频率不变。10.权利要求6或7所述的机械振动特性测量方法在估算生物粒子机械谐振频率的应用，其特征在于：(1)利用有限元方法初步估算生物粒子的机械谐振频率，生物粒子直径在10nm
‑
1000nm之间，经有限元仿真计算得生物粒子机械振动频率在几百mhz到几百ghz，供谐振传感器的尺寸设计提供参考；生物粒子与谐振传感器接触面半径为生物粒子半径的四分之三，然后设计谐振传感器的尺寸，确保谐振传感器机械谐振频率覆盖病毒机械振动频率范围；(2)在生物粒子机械振动模式仿真结果基础上，仿真设计谐振传感器样品结构；(3)通过谐振传感器机械振动特性测量系统，得到生物粒子和谐振传感器耦合的机械频率，并以此估算出生物粒子的机械频率和品质因子。

技术总结
本发明公开了一种生物粒子机械振动特性探测的方法、装置和应用。本发明所述的生物粒子机械振动特性探测装置，利用机械谐振器共振耦合的物理机制实现生物粒子机械振动特性的测量。探测方法为：将生物粒子放置到微纳谐振传感器上，检测谐振传感器的机械振动频谱，改变谐振传感器的机械振动模态，直到生物粒子和谐振传感器的机械振动达到共振耦合状态，根据耦合状态的频谱数据，推算出生物粒子的机械振动频率和品质因子。通过此方法设计的生物粒子机械特性探测装置具有机械频率高、探测装置要求低、灵敏度高的特性，且具有片上集成的潜力，可在生物粒子识别、精密测量、医药开发等领域得到广泛应用。得到广泛应用。得到广泛应用。


技术研发人员：邓光伟 吕晓敏 唐锦道 程则迪 周炫锴 郭孟林 周强 王浟 宋海智
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2021.07.27
技术公布日：2021/11/4