基于互补开口环谐振器(CSRR)的高灵敏度振动光谱检测技术及其在纳米力学研究中的应用

（编辑推荐）本研究创新性地利用3 GHz互补开口环谐振器(CSRR)实现了0.2 nm/Hz0.5运动灵敏度的振动检测，成功构建了悬垂聚酰亚胺(PI)膜和巴基纸(BP)的亚微米级振动光谱平台，为微纳机电系统(MEMS/NEMS)的量子极限检测提供了新型微波传感方案。

　　

实验方法

本研究所用的互补开口环谐振器(CSRR)如图1(a)所示，制作于1.6 mm厚的FR4印刷电路板(PCB)上，具有35 μm铜层和4.4介电常数。CSRR外半径3.8 mm，线宽0.4 mm，间隙0.4 mm，这些参数使其谐振频率达到3.0 GHz。根据电路模型，该CSRR具有特定电容值...

膜层引起的谐振偏移

用于PI实验(CSRR1)和BP实验(CSRR2)的探测器本征谐振频率分别为3.00 GHz和2.63 GHz。当膜层靠近CSRR时，谐振频率持续下移。大幅频率偏移表明膜层对谐振器的强作用，这预示着高检测灵敏度。为定位最佳检测位点，我们系统性地...

检测灵敏度与位移检测极限

实时监测中，我们通过固定测量频率下的传输振幅Δ|S₂₁|或相位Δφ变化来追踪振动。振幅和相位对高度变化的响应是两种微分函数的乘积：这种"光机械耦合"可从频率-高度依赖关系(1a)(1b)推导得出，并随高度降低而增强。另一方面，微分函数?|S₂₁|/?f和?φ/?f主要由...

CSRR传感优化

表6对比了采用电子方法的NEMS机械运动检测技术，包括我们Δh=0.4 mm案例的结果。除文献[105]采用压电效应外，其余研究均使用LC谐振电路或微波谐振器。这些研究均聚焦微纳尺度机械结构，因此实现了超过1 MHz的高机械谐振频率(f_m)。此外...

实时振动检测

为监测膜层振动实时变化，设置高度Δh=0.4 mm（该高度可平衡检测灵敏度与膜振动幅度）。通过施加正弦交流电压V_ac和频率f_ac的扬声器驱动膜层振动。对于BP振动检测，测量频率f_m分别设为2.37 GHz（振幅检测）和2.303 GHz（相位检测）。图7显示...

振动光谱与振动模式分析

频率响应中的显著峰可能代表BP在这些频率下的重要机械振动。但需注意响应系数可能部分来源于扬声器的频率响应。为消除扬声器影响，我们通过校准实验测量了恒定驱动电压V_ac=1 V下的声压级P随驱动频率变化关系。根据...

结论

我们成功利用谐振频率约3 GHz（Q值12）的互补开口环谐振器(CSRR)检测了导电膜的机械振动。通过位置映射和Δh扫描测量，阐明检测机制依赖于邻近导体引起的CSRR有效电容变化。在内部环区实现了0.5-0.6 kHz/nm的光机械耦合...