微悬臂梁表面附着多目标质量位置双识别方法研究

The fundamental mechanical problem of sensing and detection methods applied in many micro and nano fields can be attributed to the identification of micro-mass attached on the surface of microcantilever sensors. Currently, the following limitations are still existing in the research of this issue: (1) the lack of mechanism study on multiple targets attached on single cantilever. (2) the lack of mechanism study on both of target mass and positions. (3) negligence of the effect of two-dimensional characteristic of microcantilever, adsorption and size effects on the dynamic properties of microcantilever sensors. Here, this project tries to establish the quantitative relationship between mass and/or positions of multiple targets attach on the microcantilever and the static&dynamic response parameters of microcantilever sensors, as well as the solution for the inverse problems, provide mechanical basis, experimental devices and experimental methods of ultra-small mass measurement based on microcantilever sensors, and promote the realization of multi-objectives target recognition technology based on single microcantilever sensor.

众多微纳米领域的传感和测量方法研究的根本性力学问题都可以归结为微悬臂梁表面附着目标的识别问题，目前国内外对此问题的研究存在如下局限：（1）识别目标局限于单质量体或单均布吸附物等单一目标，单微悬臂梁多目标识别方法研究匮乏。（2）识别参数局限于目标质量，目标位置参数识别方法研究匮乏。（3）识别模型中，微悬臂梁二维化及吸附作用等尺度效应的影响研究相对匮乏。为此，本课题拟:（1）建立单微悬臂梁表面附着多目标的质量和位置双参数与其动力学响应之间的定量关系模型，模型中充分考虑微悬臂梁二维化和吸附作用等尺度效应的影响；（2）建立上述模型的反问题求解方法，在此基础上提供单微悬臂梁表面附着多目标的质量和位置参数的识别方法；（3）提供基于单微悬臂梁多目标识别的试验装置和试验方法，促进基于单微悬臂梁的多目标靶向识别技术的实现。

众多微纳米领域的传感和测量方法研究的根本性力学问题都可以归结为微悬臂梁表面附着目标的识别问题。报告针对表面附着有多个集中质量的平板型微悬臂梁的动力学特性进行了研究，利用梁函数组合假设悬臂板振型，分别使用经典理论（不考虑尺寸效应）和修正Cosserat理论（考虑尺寸效应），由拉格朗日方程建立粘附有集中质量的平板型微悬臂梁的动力学模型。计算了粘附集中质量的平板型微悬臂梁的各阶弯曲固有频率及模态，并给出了集中质量数为1~5时的算例。针对表面附着有多个均匀吸附带的平板型微悬臂梁动力学特性进行了研究，分析了均匀带状粘附质量的吸附特性，对粘附带状粒子与基底间的相互作用能、弹性应变能以及动能等进行了详细的分析，得出相应的数学表达式，并给出此理论的能量模型。使用气弹模型法建立微悬臂梁流固耦合振动模型，并进行了仿真分析，结果表明，流体环境对微悬臂梁传感器的动力学响应影响明显，并且这种影响用本报告提出的气弹模型可以得到很好的解释。