CN102269615A

CN102269615A - 一种基于槽型悬臂梁结构的微质量传感器

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Publication number: CN102269615A
Application number: CN 201110117777
Authority: CN
Inventors: 高仁璟; 赵剑; 刘书田; 黄毓
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2011-05-07
Filing date: 2011-05-07
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2031-05-07
Also published as: CN102269615B

Abstract

一种基于槽型悬臂梁结构的微质量传感器，属于传感器技术领域。这种传感器的槽型悬臂梁在固定块一端设有1-2个相同的压电薄膜，在悬臂端覆盖有探测物吸附膜；通过测量悬臂结构在吸附探测物前、后的谐振频率差Δf，进而计算得到探测物的质量m。槽型悬臂梁的引入，增大了自振频率和吸附面积，提高了传感器灵敏度，提升了传感器的测量稳定性。通过压电薄膜可以准确测量由吸附膜质量引起的传感器频率变化，计算得到探测物的质量。该传感器具有结构简单、吸附面积大、质量测量范围宽、稳定性好和灵敏度高等特点，尤其灵敏度比相同尺寸矩形截面质量传感器最大可提高200％，因而可广泛应用于气/液体浓度测量、微小颗粒、粉尘以及微生物如细菌或病毒等测量。

Description

一种基于槽型悬臂梁结构的微质量传感器

技术领域

本发明涉及一种基于槽型悬臂梁结构的微质量传感器及实现方法，属于传感器技术领域，主要用于液体浓度、空气粉尘以及微生物如细菌或病毒质量等物质的高精度测量。

背景技术

压电式微质量传感器主要通过测量附着在传感器表面的物质的质量引起的结构谐振频率变化来检测物质成分，具有结构简单、响应快，成本低和精度高的特点，它克服了超高频体声波检测法、酶联分析法、荧光标记法等所存在的检测设备昂贵、费时及信号采集过程繁琐的问题，在微生物检测如细菌和病毒、微小颗粒、气/液体成分和浓度等方面具有广泛的应用。

压电式微质量传感器的基本原理可用下式表述，Δf_i＝-f_iΔm/M_e，其中f_i为传感器第i阶谐振频率，M_e为悬臂梁等效质量，Δm为单位面积增加质量，Δf_i为增加质量Δm引起的传感器谐振频率变化。由此可以看出，吸附面积、谐振频率以及系统有效质量是影响传感器质量测量精度的关键因素。近年来随着微加工技术、纳米技术、生物技术的进步，为了追求更高的灵敏度，质量传感器的几何尺寸不断减小，甚至达到了纳米量级，但由尺寸微型化引起的基本物质性质的测量困难如电信号采集、复杂光学系统、材料机械特性测量等，直接影响了传感器的适用范围。国际专利WO 2005/043126A2提出采用单压电片激励的矩形截面悬臂梁传感器，由于矩形截面悬臂梁的刚度质量比固定，因而仅能通过减小传感器尺寸来感应极小敏感质量，同时也直接造成了吸附面积减小、质量测量范围窄和灵敏度提升不明显等弱点，限制了其在气/液浓度、微小颗粒测量等方面的应用。

美国专利US6722200提出一种可测量单原子质量的硅材料传感器，该技术以高频纳米机械共振器的表面在真空环境下吸附原子。但由于该技术需要在真空环境下进行，且计算模型复杂，同时被测原子的吸附位置会直接影响测量结果，使得整个测量工程复杂和可控性差，并且成本昂贵，不适用于生物化学检测。美国专利US 6389877B1和国内专利CN1250156A采用单头和双头的悬臂结构来测量频率，虽然通过增大悬臂面积来增大吸附面积，但同时也增大了悬臂梁的系统有效质量M_e，这不利于传感器灵敏度的提高。最近国内发明专利公开号CN 1609555A提出采用测量吸附有探测物的振子位移差的方法来测量质量，但其中需要复杂的光学位移测量系统，增加测量成本。

综合分析发现，虽然缩小传感器尺寸可以提高其最小质量测量精度和灵敏度，但由此引起的测量困难、量程范围缩小和测量环境要求苛刻等问题，严重影响了其适用范围。因此，在特定尺寸要求下提高灵敏度是高性能微小质量传感器研制的难点和关键，也是扩展其应用范围的重要途径之一。

发明内容

本发明针对现有微质量传感器灵敏度、几何尺度以及质量测量范围方面存在的不足，提供一种基于槽型悬臂梁结构的微质量传感器，通过引入双压电薄膜和槽型悬臂梁结构，通过增大有效吸附面积来提高传感器的灵敏度，拓宽质量或浓度测量范围。

本发明的技术方案是：一种基于槽型悬臂梁结构的微质量传感器，它主要包括一个与固定块固定连接的槽型悬臂梁，它还包括压电薄膜和探测物吸附膜，所述槽型悬臂梁在固定块一端设有1-2个相同的压电薄膜，在悬臂端覆盖有探测物吸附膜；通过测量悬臂结构在吸附探测物前、后的谐振频率差Δf，进而计算得到探测物的质量m。

所述槽型悬臂梁的上部设有一个上压电薄膜。

所述槽型悬臂梁的下部设有一个与上压电薄膜对称的下压电薄膜。

所述槽型悬臂梁的两侧或中间沿中心线开槽，形成工字型梁或回字梁结构，并采用弹性钢或铍青铜高弹性材料制作。

所述上压电薄膜和下压电薄膜极化类型相同，电气连接采用并联连接或串联连接。

所述槽型悬臂梁的截面结构，工字型单边槽宽与梁宽比0＜w₂/w₁＜0.5，回字型槽宽与悬臂梁宽比为0＜w₂/w₁＜1，且槽高与悬臂梁高的比0＜h₂/h₁＜1。

所述槽型悬臂梁压电薄膜覆盖部分的谐振频率和吸附薄膜覆盖延伸部分的谐振频率满足以下条件：f_1i＝f_2i

1.第一部分为压电薄膜-槽型梁-压电薄膜组成的多层组合对称结构，因而确定其谐振频率满足f_1i

f_{1 i} = \frac{λ_{1 i}^{2}}{2 π L_{1}^{2}} \sqrt{\frac{Σ E_{i} I_{i}}{Σ A_{i} ρ_{i}}},

其中，

Σ E_{i} I_{i} = 2 E_{p} [\frac{{Wt}_{p}^{3}}{12} + {Wt}_{p} {(\frac{t_{p} + t_{s}}{2})}^{2}] + E_{s} \frac{{Wt}_{s}^{3} - w_{c} t_{c}^{3}}{12}

λ_1i与各阶模态本征值有关的系数，E_p，E_s分别为压电材料和悬臂梁材料的弹性模量，t_p，t_s，W，w_c，t_c分别为压电膜厚度、槽型梁总厚度、宽度、槽宽度、槽厚度，A_i、ρ_i为各层所对应的截面面积和材料密度。

2.吸附膜与悬臂梁组成的双层梁结构f_2i

槽型悬臂梁的表面和槽内表面覆盖探测物吸附膜，构成对称结构。

f_{2 i} = \frac{λ_{2 i}^{2}}{2 π L_{2}^{2}} \sqrt{\frac{Σ E_{i} I_{i}}{Σ A_{i} ρ_{i}}},

其中，

Σ E_{i} I_{i} = E_{f} \frac{(W + 2 t_{f}) {(t_{s} + 2 t_{f})}^{3} - (w_{c} - 2 t_{f}) {(t_{c} - 2 t_{f})}^{2}}{12} + (E_{s} - E_{f}) \frac{{Wt}_{s}^{3} - w_{c} t_{c}^{3}}{12}

E_f、t_f为探测物吸附膜的弹性模量和厚度；

3.槽型悬臂梁与矩形截面梁自振频率的比值满足下式

γ = \sqrt{\frac{1 - {αβ}^{3}}{1 - αβ}}

其中，槽型梁截面尺寸的参数为α和β，α为槽宽与梁宽比，β为槽高与梁高比。

本发明与现有技术相比具有如下的优点：

[1]微质量传感器采用槽型截面悬臂梁结构替代传统的矩形截面梁结构作为质量传感器的关键弹性元件，不仅增大传感器的吸附面积和传感器谐振频率，提升了传感器的单位面积质量灵敏度，而且使吸附膜上探测物的重心位置趋于稳定，使传感器测量值的重复性提高；

[2]微质量传感器采用双层压电薄膜来激励和感应谐振频率的变化，结构的对称性提升了传感器测量的稳定性和线性度，并且拓宽了其微小质量探测范围，使其能够探测具有超低浓度的气液态物质；

[3]微质量传感器可以通过调整双压电薄膜的串联和并联连接，调整传感器的输入阻抗，增强传感器的抗干扰能力，以达到不同场合的应用。

上述的微质量传感器结构简单、驱动电压低，灵敏度与相同尺度下矩形截面梁结构传感器提高约1.5～2倍，且有效吸附面积增大了1.2～1.9倍，质量或浓度测量范围获得了有效拓宽。在微小颗粒、气/液体成分和浓度、微生物检测如细菌和病毒、微质量称重、危化品检测等方面具有广泛的应用。

附图说明

图1是一种基于槽型悬臂梁结构的微质量传感器。

图2是槽、梁高宽比对悬臂梁谐振频率的影响图。

图3是本发明质量传感器的灵敏度与传统矩形截面梁对比图。

图4是本发明的实施方式2结构示意图。

图5是本发明实施方式3结构示意图。

图6是本发明实施例3中的另一种结构示意图。

图中：1、固定块；2、上压电薄膜；3、下压电薄膜；4、槽型截面梁；5、探测物吸附薄膜；6、回字形截面梁。

具体实施方式

实施例一

图1给出了一种基于槽型截面梁结构的压电式微质量传感器结构示意图。其中，上压电薄膜2和下压电薄膜3分别连接于槽型截面梁4的上下表面构成截面对称结构，其一端连接于固定块1，形成悬臂梁结构，在槽型截面悬臂梁的延伸部分包括槽内表面覆盖有探测物吸附膜5。其中，槽型截面梁4为高弹性材料，上压电薄膜2和下压电薄膜3的极化方式相同，通过并联或串联方式连接入频率测量电路系统，通过测量由吸附探测物引起的悬臂梁谐振频率变化值，计算得到被探测物的质量。

图2是槽、梁高宽比对悬臂梁谐振频率的影响图。通过改变槽型梁结构中槽宽与梁宽比α和槽高与梁高比β，改变槽型截面悬臂梁的自振频率，并得到其与同外形尺寸的矩形截面梁自振频率比γ。所提出的槽型悬臂梁的自振频率与同尺寸矩形截面梁结构相比，最大可提高60％，并且吸附面积可增大为原有的1.9倍，根据单位面积质量灵敏度计算式Δf_i＝-f_iΔm/M_e，确定传感器的灵敏度提升幅度将达到200％。

图3是质量传感器的灵敏度与传统矩形截面梁对比图。按照传感器几何参数表1中的尺寸，所得到的结构形式与矩形截面梁结构的灵敏度对比。图中的斜率为灵敏度值，可以看出，灵敏度明显高于同尺寸下矩形截面灵敏度。

表1传感器几何参数

实施例二

图4示出了基于槽型截面悬臂梁的压电式微质量传感器结构示意图。在实施例一的基础上，将下压电薄膜3移除，形成由上压电薄膜2、槽型悬臂梁4、固定块1和探测物吸附膜5组成的质量传感器装置。检测过程中，将下压电薄膜3接入频率测试系统，即可得到由探测物引起的频率变化量，进而得到探测物吸附膜5所吸附的微质量。其中，传感器的悬臂梁部分为不同材料的双层组合结构，其谐振频率满足下式：

f_{1 i} = \frac{λ_{1 i}^{2}}{2 π L_{1}^{2}} \sqrt{\frac{Σ E_{i} I_{i}}{Σ A_{i} ρ_{i}}}

其中，

Σ E_{i} I_{i} = \frac{1}{12} [\begin{matrix} {Wt}_{p}^{3} + W t_{s}^{3} - w_{c} t_{c}^{3} + \\ \frac{3 {Wt}_{p} {(W E_{p} t_{p}^{2} t_{s}^{2} + E_{s} (2 t_{p} + t_{s}) ({Wt}_{s}^{3} - w_{c} t_{c}^{3}))}^{2}}{{({WE}_{p} t_{p} t_{s}^{2} + E_{s} ({Wt}_{s}^{3} - w_{c} t_{c}^{3}))}^{2}} \\ + \frac{3 t_{s}^{2} {(W t_{s} - w_{c} t_{c}) (W E_{p} t_{p} t_{s} (t_{p} - 2 t_{s}) + 3 E_{s} (- W t_{s}^{3} + w_{c} t_{c}^{3}))}^{2}}{(W E_{p} t_{p} t_{s}^{2} + E_{s} ({Wt}_{s}^{3} - w_{c} t_{c}^{3}))^{2}} \end{matrix}]

λ_i为与各阶模态本征值有关的系数，E_p，E_s分别为压电材料和悬臂梁材料的弹性模量，t_p，t_s，W，w_c，t_c分别为压电膜厚度、槽型梁总厚度、宽度、槽宽度、槽厚度，A_i、ρ_i为各层所对应的截面面积和材料密度。

实施例三

图5示出了一种基于槽型截面悬臂梁的压电式微质量传感器结构示意图。在实施例一的基础上，将工字型截面槽型梁4替换为回字形槽型截面梁6，此时，探测物吸附膜5覆盖于悬臂梁6的延伸部分外表面和内表面中，被探测物质被吸附于回字形槽型截面梁6的外表面和内表面，频率测量电路系统通过测试吸附前后悬臂梁的频率差。另外，本实施方式中，采用单压电薄膜也可实现测量微小质量的测量，如图6所示，所对应的结构频率变化公式按照实施例二中的方法进行计算测量。

Claims

1.一种基于槽型悬臂梁结构的微质量传感器，它主要包括一个与固定块(1)固定连接的槽型悬臂梁(4)，其特征在于：它还包括压电薄膜和探测物吸附膜(5)，所述槽型悬臂梁(4)在固定块(1)一端设有1-2个相同的压电薄膜，在悬臂端覆盖有探测物吸附膜(5)；通过测量悬臂结构在吸附探测物前、后的谐振频率差Δf，进而计算得到探测物的质量m。

2.根据权利要求1所述的一种基于槽型悬臂梁结构的微质量传感器，其特征在于：所述槽型悬臂梁(4)的上部设有一个上压电薄膜(2)。

3.根据权利要求2所述的一种基于槽型悬臂梁结构的微质量传感器，其特征在于：所述槽型悬臂梁(4)的下部设有一个与上压电薄膜(2)对称的下压电薄膜(3)。

4.根据权利要求1所述的一种基于槽型悬臂梁结构的微质量传感器，其特征在于：所述槽型悬臂梁(4)的两侧或中间沿中心线开槽，形成工字型梁或回字梁结构，并采用弹性钢或铍青铜高弹性材料制作。

5.根据权利要求3所述的一种基于槽型悬臂梁结构的微质量传感器，其特征在于：所述上压电薄膜(2)和下压电薄膜(3)极化类型相同，电气连接采用并联连接或串联连接。

6.根据权利要求1所述的一种基于槽型悬臂梁结构的微质量传感器，其特征在于：所述槽型悬臂梁(4)的截面结构，工字型单边槽宽与梁宽比0＜w₂/w₁＜0.5，回字型槽宽与悬臂梁宽比为0＜w₂/w₁＜1，且槽高与悬臂梁高的比0＜h₂/h₁＜1。

7.根据权利要求1所述的一种基于槽型悬臂梁结构的微质量传感器，其特征在于：所述槽型悬臂梁(4)压电薄膜覆盖部分的谐振频率f_1i和吸附薄膜覆盖延伸部分的谐振频率f_2i相等。