传感器自诞生以来就对人类的科技进步发挥着重大作用,由于制作工艺的不成熟,传统的传感器体积大、成本高、精度低。经过技术革新,不断进步,新型的传感器已经向微型化、低成本、高精度的方向发展,其中MEMS微纳米梁式谐振器是典型的新型传感器系统,其工作频率可以达到MHz甚至GHz,谐振器在高频范围下工作具有超高灵敏度和分辨率。微纳米梁式谐振器用于材料性能表征的基本原理是:分子、细胞和颗粒等分析物附着到谐振器表面后改变了谐振器的共振频率,根据测量所得的多个共振频率的偏移,可以计算得到附着分析物的材料性质。目前,微纳米梁式谐振器已经作为材料检测领域中检测纳米材料的基本传感工具,通常用于测量纳米薄膜的厚度和弹性模量等物理性质,以及各种不同生物化学分子的质谱分析。然而,这种方法有不足的地方。当分析物结合捆绑到谐振器表面时,生物化学分子等会产生不可忽略的表面弹性应变和应力,导致分析结果误差较大。另外,实际使用过程中要求在生理环境下进行检测,这种方法只能正确识别其中几个低阶模态。因此,目前基于微纳米谐振器的检测方法也不适用于识别生理环境下的生物化学分子。为此,本文在Euler-Bernoulli梁经典理论的基础上,考虑处于生理环境下液体阻尼所带来的影响,在梁控制方程中加入流体阻尼力。基于Sader等人提出的悬臂梁湿模态分析模型,进一步拓展至多层薄膜复合梁结构模型。在分析物附着于谐振器表面的情况下,于间断处引入材料连续匹配条件,建立了悬臂梁和固支梁的各阶模态共振频率和品质因子(Q-factor)的计算模型。由此可以反演计算分析弹性模量、密度等材料物理性质。同时,上述理论模型结果与有限元模拟结果表现出良好的一致性,前三阶弯曲振动模态频率误差小于2%。基于微纳米梁式谐振器的湿模态理论模型,讨论分析利用微纳米谐振器进行薄膜材料表征和细胞团块等重分析物质谱分析的方法。为验证提出模型的可靠性,将理论预测结果与数值仿真结果对比分析。具体而言,本文研究主要包括三个方面:在空气环境下,通过分析在薄膜沉积前后谐振器的频率响应,计算薄膜材料弹性模量和密度等性质;不需要提前知道分析物位置和形状,利用分析物附着前后对微纳米谐振器共振频率和品质因子的变化,实现对重分析物的质谱分析;结合形状记忆合金材料的相变特性,提出一种基于混合多层微纳米谐振器的测量方法。优势在于仅需要测量薄膜或者分析物沉积后的频率响应即能计算得到所需材料性质,简化了现有微纳米谐振器传感分析流程。本文的第三章主要讨论利用微纳米梁式谐振器,计算沉积在谐振器表面的超薄膜材料的多种物理性质,包括弹性模量和密度。微纳米尺寸下,悬臂梁的表面应力使其处于挠曲状态,测量所得相应的静态挠曲度可以用于计算相应的轴向内应力。而在施加外部激励的情况下,动态频率响应受到分析物附着的影响。具体而言,基于测量薄膜沉积前后悬臂梁在空气中的静态挠度、弯曲和扭转共振频率的变化以及相应的谐振器品质因子的变化,计算得到超薄膜的密度、泊松比、杨氏模量和剪切模量等材料性质以及薄膜的内应力。通过已报道的实验数据、有限元模拟结果和理论计算预测结果对比证明了本方法在材料测试中的有效性。应用上述方法,与Colombi等人的实验数据对比,从频率响应变化中计算得到覆盖在SU-8微悬臂梁上原子层沉积Ti O2厚度为20 nm薄膜的杨氏模量;使用有限元模拟与理论计算进行对比,以扭转模态共振频率作为输入,计算覆盖在硅微悬臂上的Si3N4薄膜的剪切模量和密度。利用本文所提的方法来测定涂覆在弹性微悬臂梁上的超薄膜的弹性模量和密度,所得数据与已报道实验数据和有限元模拟对比表现出良好一致性,验证了超薄膜材料性能测定方法的有效性。总的来说,利用在流体环境下微悬臂梁的静态挠曲和动态谐振两种工作模式,能够实现非破坏性地计算薄膜材料的层间应力,以及弹性模量等材料性质。根据薄膜材料沉积前后的共振频率偏移和品质因子变化,本文推导了薄膜弹性模量和层间内应力的表达式,在本计算方法中不需要知道薄膜的密度。在微纳米尺度下,这有助于我们在超薄膜的材料测试中密度已经明显偏离体积密度的情况下准确计算薄膜密度。在误差分析中,谐振器尺寸和共振频率的测量误差对表征超薄膜材料性质的影响很小。此外,我们发现使用较高阶模态共振频率能够提高计算的准确性。本文的第四章引入品质因子优化目前的表征方法,使得仅通过谐振器的单一模态频率和品质因子的变化,就可以实现包括大型生物团块等重分析物的质谱分析,而在该过程中无需关心分析物的位置、刚度和表面应力耦合等影响。一般情况下,梁式微纳米谐振器能够根据频率响应的变化识别各种结合的分析物,例如单细胞或生物和化学分子。但是,这种方法仅限于分析物质量比谐振器本身质量要轻得多的分析物。这样,分析物就能被视为点粒子,从而忽略其刚度和表面应力的影响。对于相对较重的分析物,这种测定方法会导致测量的质量值不准确,甚至有较大的偏差。为改进现有方法,我们结合品质因子,通过测量流体环境下梁式谐振器的频率响应和品质因子的变化,实现了包括大型生物团块在内的重分析物的质谱分析。本法方法的优势在于不需要提前测量分析物的位置,避免了由于分析物质量、刚度和结合诱导应力的影响。我们建立了从共振频率和品质因子的变化中提取分析物质量详细过程的理论。与Gupta等人实验数据对比,运用本文方法计算结合在微悬臂梁上的原子层沉积蛋白质薄膜、大肠杆菌细胞团块(轻质)和花粉颗粒(重质)分析物的质量,证明了本方法的有效性和普遍性。在流体中,微纳米梁本身的固有耗散影响可以忽略不计,品质因子取决于分析物的质量和流体阻尼。同时,我们发现利用平面内弯曲振动模态可以实现最高的质量灵敏度,同时保证平面外弯曲振动模态的灵敏度最低。本章所取得的成果推动了梁式微纳米谐振器在医疗领域的应用,为重质分析物的质谱分析提供了另一种精确可行的手段。本文的第五章利用形状记忆合金的优越性能,我们提出一种仅通过测量在微纳米悬臂梁表面溅射薄膜沉积后的共振频率的方法,就能够计算得到超薄膜的杨氏和剪切模量,而无需测量沉积前悬臂梁本身的共振频率,简化了表征程序。形状记忆合金(SMA)是通过热弹性马氏体相变及其逆变而具有形状记忆效应,相变温度滞后很小。在相变过程中,马氏体片可随着驱动力(温度或外应力)的改变而长大或者缩小,从而改变了材料本身的性质如弹性模量。本文的第五章是基于形状记忆合金的梁式微纳米谐振器提出一种能够在流体环境中测量超薄膜的弹性特性和微颗粒的质量的方法。并从理论上分析了,在受到外界激励如温度的作用下,材料相变导致混合微悬臂梁的共振频率和品质因子的影响。首先,Ni Ti合金从马氏体向奥氏体转变过程中提高了材料的弹性模量,获得较高的品质因子,从而提高谐振器的灵敏度。同时,可以人为施加不同外界激励,从而主动调节谐振器的共振频率。一般来说,共振频率是谐振器的固有属性,当谐振器制造后就无法改变,但结合形状记忆合金的新型微纳米谐振器可以实现主动调节共振频率,极大地方便不同应用场景的需求。通过理论计算和有限元模拟仿真结果对比,验证了薄膜材料性质表征和重分析物质谱分析方法。其理论预测结果和有限元模拟数据保持了较好的一致性,从而验证了所建理论模型的有效性。进一步地,就Ni Ti混合多层谐振器的有效弹性模量变化对共振频率和品质因子的影响,以及是否考虑分析物刚度效应对质谱分析结果的影响进行了研究和讨论,为设计高性能的Ni Ti混合多层谐振器提供了有力的理论支撑。