CN102305658B

CN102305658B - 一种静电吸附式微质量传感器

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Publication number: CN102305658B
Application number: CN2011102163230A
Authority: CN
Inventors: 刘书田; 赵剑; 高仁璟; 黄毓
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2011-07-31
Filing date: 2011-07-31
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2031-07-31
Also published as: CN102305658A

Abstract

一种静电吸附式微质量传感器，属于精密传感技术领域。该传感器的多层梯形梁采用悬臂梁结构，作为微小质量测量的关键元件。多层梯形梁由导电弹性板、上绝缘薄膜、下绝缘薄膜和压电薄膜组成，且各层均为相同的梯形结构。导电弹性板带有均匀电荷，依靠静电力将微质量吸附于相应的测量敏感区域，进而通过测量结构的谐振频率变化得到区域内的质量。梯形结构作为敏感元件在提高传感器灵敏度的同时，利用静电吸附效应将微颗粒固定于多层梯形梁的测量敏感端，有效地避免了因悬臂梁谐振引起被测物脱落或相对振动而造成的测量误差，提高了测量准确度和重复可靠度，可广泛用于微小颗粒称重、危化品及食品安全检验以及微生物、细菌或病毒检测等领域。

Description

一种静电吸附式微质量传感器

技术领域

本发明涉及一种静电吸附式微质量传感器，属于精密传感器技术领域。主要用于微颗粒、危化品、细胞及微生物如细菌或病毒等物质的质量测量。

背景技术

压电谐振式微质量传感器，主要通过测量谐振区域内附加物引起谐振频率变化得到附加物的实际质量，具有结构简单、响应快，成本低和精度高的特点，在生物医学、环境监测及食品安全领域具有广泛的应用前景。然而，实际测量过程中被测物的种类存在多样性，包括微小颗粒、细胞以及细菌和病毒等，使得微小被测物在谐振区域内的固定问题和分散性成为影响传感器测量精度和准确性的关键因素。

根据谐振式质量传感器的基本原理：Δf_i＝-f_iΔm/M_e，其中f_i为传感器第i阶谐振频率，M_e为悬臂梁有效质量，Δm为被测物质量，Δf_i为传感器谐振频率变化量。可以看出，通过调整传感器的谐振频率和有效质量可以有效地提高传感器的灵敏度。因而，目前专利主要集中于利用MEMS技术来改变传感器结构参数尺度的方法来提高传感器灵敏度，而忽略了被测物在传感器敏感谐振区域的位置和固定对灵敏度的影响因素。例如，国际专利WO 2005/043126 A2采用压电片激励的矩形截面悬臂梁传感器，专利中指出通过减小传感器尺寸来感应微小质量。由于缺乏有效的固定措施，使得谐振状态下微小被测物的位置容易发生变化或从悬臂梁测量区域散落，造成较大的测量误差。美国专利US6389877 B1和国内专利CN1250156A采用单头和双头的悬臂结构来测量频率，其实现方式主要借助增大悬臂梁面积来增大被测物吸附面积，但测量端的吸附平板结构同时也增大了测量系统有效质量M_e，这不利于传感器灵敏度的提高。该类传感器同样未给出有效的被测物固定方法，严重限制了其在单粒子、细胞及微小颗粒测量等方面的应用。另外，国内发明专利公开号CN 1609555A提出通过测量吸附有探测物的振子位移差的方法来推算吸附物的质量，但其中需要复杂的光学位移测量系统和定位系统，增加了测量难度和测量成本。

综合分析发现，现有的基于谐振原理研制的微小质量传感器，虽然通过微加工技术能够获得较高的灵敏度，但是在测量过程中微小被测物与测量极板之间的相对移动和在测量区域内的集中程度已成为影响质量传感器测量精度、测量重复性和准确性的关键因素。因此，有效的被测物固定方法和传感元件结构的设计是提高传感器性能，并拓展其质量传感器应用范围的重要途径。

发明内容

本发明针对现有微小质量传感器测量过程中由于被测物分散和无法固定而引起的测量误差，提供一种新型静电吸附式微质量传感器。该传感器应采用多层梯形悬臂梁结构作为测量关键部件，引入静电吸附方式将微小被测物固定于测量敏感区域内，有效地提高传感器的测量精度和分辨率，实现微小质量的准确测量。

本发明采用的技术方案是：一种静电吸附式微质量传感器，它主要包括一个一端固定于固定块上的悬臂粱。所述悬臂粱是一个平板结构的多层梯形梁，多层梯形梁的主体采用一个导电弹性板，在导电弹性板的上表面设有一层上绝缘薄膜，下表面设有一层下绝缘薄膜，在悬臂粱固定端的上绝缘薄膜上设有一个上压电薄膜；对导电弹性板表面加载均匀的静电荷，或电气连接具有一定电势的直流电源，依靠静电吸附力将微小被测物固定于多层梯形梁悬臂端的测量敏感区域，并通过测量所述微质量传感器在吸附微颗粒前与吸附微颗粒后的谐振频率差Δf，计算得到微颗粒质量m。

所述上绝缘薄膜的长度比导电弹性板的长度短，所述下绝缘薄膜全部覆盖导电弹性板的下表面，在导电弹性板的悬臂端未被上绝缘薄膜覆盖的区域构成第一测量敏感区域。

所述上绝缘薄膜全部覆盖导电弹性板的上表面，所述下绝缘薄膜全部覆盖导电弹性板的下表面，下绝缘薄膜厚度是上绝缘薄膜厚度的1.5-10.0倍，在导电弹性板的悬臂端未被上压电薄膜覆盖的区域构成第二测量敏感区域。

所述上绝缘薄膜的长度比导电弹性板的长度短，所述下绝缘薄膜的长度比导电弹性板的长度短，在悬臂粱固定端的下绝缘薄膜上设有一个下压电薄膜，在导电弹性板的悬臂端未被上绝缘薄膜和下绝缘薄膜覆盖的区域构成第三测量敏感区域。

所述固定块采用绝缘材料制作，并在固定块上设有安装固定孔和导线孔，连接导线通过导线孔与导电弹性板、上压电薄膜、下压电薄膜进行电气连接。

上述的静电吸附式微质量传感器主要包括一个与固定块连接的多层梯形梁作为质量传感关键弹性部件，其中，多层梯形悬臂梁主要包括导电弹性板、覆盖于导电弹性板上下表面的绝缘薄膜以及压电薄膜等。压电薄膜覆盖于绝缘薄膜表面，与导电弹性板之间形成电隔离。导电弹性板表面带有静电荷，通过绝缘薄膜尺寸的调整，可以实现不同种类微小被测物(包括导电型被测物和非导电性被测物)的静电吸附。压电薄膜连接于检测仪器，当被探测物依靠静电力吸附于弹性梁的敏感区域时，通过测量传感器结构的谐振频率变化量，推算得到探测物的质量。覆盖于导电弹性板上下表面的绝缘薄膜长度不等，且可调，通过不同组合，形成针对不同种类微颗粒的质量测量敏感区域。绝缘薄膜的长度和厚度可以根据被吸附物性质和质量范围进行调整，以保证敏感测量区域内静电吸附力大于被测物所受的惯性力。

本发明与现有技术相比具有如下的优点：

[1]本发明采用多层梯形梁结构替代传统的矩形截面梁结构作为关键弹性元件，在提高系统有效刚度的同时，更容易使被测物集中于传感器的敏感区域，获得更高的灵敏度和准确性，有效地提高传感器测量精度和分辨率；

[2]本发明采用静电吸附的方式固定微小被测物，消除谐振工作环境下被测物偏离测量位置引起的质量误差，提高传感器的测量重复性和准确性；

[3]本发明可以通过改变绝缘薄膜在导电弹性板上的覆盖区域，实现不同种类的被测物的静电吸附，以达到不同场合的应用需求。

上述的静电吸附式微质量传感器具有结构简单、驱动电压低、灵敏度高、重复性好和性能稳定的特点，在微小颗粒称重、气/液体成分和浓度检测、微生物及危化品检验等等领域具有广泛的推广应用价值。

附图说明

图1是一种静电吸附式微质量传感器的结构示意图。

图2是梯形悬臂梁与传统矩形截面梁质量传感器的灵敏度对比图。

图3是另一种静电吸附式微质量传感器的结构示意图。

图4是又一种静电吸附式微质量传感器的结构示意图。

图5是微小被测物的静电吸附原理示意图。

图中：1、上压电薄膜，2、上绝缘薄膜，3、下绝缘薄膜，4、导电弹性板5、固定块，6、多层梯形梁，7、下压电薄膜，8、微小被测物。

具体实施方式

实施例一

图1给出了一种静电吸附式微质量传感器结构示意图，其中，多层梯形梁结构6连接于固定块5上形成悬臂梁结构，上绝缘薄膜2和下绝缘薄膜3连接于导电弹性板4的上下表面，通过调整绝缘薄膜的长度，可以在导电弹性板4的表面上形成不同的质量敏感区域。压电薄膜1连接于上绝缘薄膜2的上表面，与导电弹性板4形成电隔离，且上绝缘薄膜2和下绝缘薄膜3的厚度较大，使静电吸附力小于被测物所受的惯性力。传感器测量过程中，依靠导电弹性板的静电吸附作用，将微小被测物固定于结构的敏感区域，实现微小质量的准确测量。其中，导电弹性板4为高弹性材料，上绝缘薄膜2和绝缘薄膜3能够有效地粘附于导电弹性板4的上下表面。

其中所述的静电力计算方法如下：

微小被测物所受静电力的计算如图5所示，球冠部分代表微小被测物附有的有效电荷部分，坐标点C为球冠的圆心，E点为球冠顶点，被测物与吸附基板之间的距离为d₀。假设由球冠到试样表面的电力线由圆弧线AB和直线BD组成，且在电力线上的平均电场强度的大小为E，得到微小被测物所受的静电力为：

F = \frac{{πϵU}^{2}}{2} [\frac{2 (d_{0} + R)}{d_{0}} + \frac{2 R (d_{0} - 4 R)}{16 R^{2} + d_{0}^{2}} + \ln (\frac{d_{0}}{2 R \sin^{2} (θ_{0} / 2) + d_{0} \cos (θ_{0} / 2)})]

+ \frac{4 R ({8 R}^{2} + d_{0}^{2}) + 2 d_{0} (12 R^{2} + d_{0}^{2}) \cos (θ_{0} / 2)}{[R (\cos θ_{0} - 1) - d_{0} \cos (θ_{0} / 2)] (16 R^{2} + d_{0}^{2})}

- \frac{d_{0} (24 R^{2} + d_{0}^{2})}{{({16 R}^{2} + d_{0}^{2})}^{3 / 2}} \ln (\frac{{[(\sqrt{{16 R}^{2} + d_{0}^{2}} + 4 R) [1 - \cos (θ_{0} / 2)] + d_{0} [1 + \cos (θ_{0} / 2)]]}^{2}}{{4 d}_{0} [{2 R \sin}^{2} (θ_{0} / 2) + d_{0} \cos (θ_{0} / 2)]})]

实际测量过程中，通过调整绝缘薄膜厚度、绝缘薄膜面积以及吸附电压，使微小被测物在敏感区域所承受的静电力大于谐振状态下所产生的惯性力F_e＞ma，即微小颗粒与基板之间不发生相对位移。在非敏感区域，通过调整绝缘膜的厚度，使微小被测物所受的静电力小于微小被测物的自重F_e＜mg，即谐振状态下非敏感区域不存在微小被测物。

图2是梯形悬臂梁与传统矩形悬臂梁传感器的灵敏度对比图。当梯形悬臂梁的下底面与矩形截面梁尺寸、结构形式和层数相同时，本发明所提出的传感器灵敏度要比矩形悬臂梁传感器高一倍。通过修改梯形悬臂梁的结构参数，可以获得更高的灵敏度和测量精度。

实施例二

图3给出了另一种静电吸附式微质量传感器结构示意图。针对具有导电性能的微小被测物的微质量测量，在实施例一的基础上，将上绝缘薄膜2全覆盖导电弹性板4的上表面，与下绝缘薄膜3组成全封闭静电吸附装置。其中，下绝缘薄膜3的厚度3倍于上绝缘薄膜2的厚度，使导电被测物能够有效地吸附于梯形悬臂梁的敏感区域。

实施例三

图4示出了又一种静电吸附式微质量传感器结构示意图。在实施例一的基础上，让下绝缘薄膜3与上绝缘薄膜2等尺寸，并部分覆盖导电弹性板4，导电弹性板4敏感区域的上下表面都能够吸附微小被测物，且两层绝缘薄膜的厚度能够使导电弹性板4所产生的静电力小于微小被测物的惯性力。另外，本实施方式中，下压电薄膜7与上压电薄膜1形成双压电测量，以获得更高的灵敏度。

Claims

1.一种静电吸附式微质量传感器，它主要包括一个一端固定于固定块(5)上的悬臂粱，其特征是：所述悬臂粱是一个平板结构的多层梯形梁(6)，多层梯形梁(6)的主体采用一个导电弹性板(4)，在导电弹性板(4)的上表面设有一层上绝缘薄膜(2)，下表面设有一层下绝缘薄膜(3)，在悬臂粱固定端的上绝缘薄膜(2)上设有一个上压电薄膜(1)；对导电弹性板(4)表面加载均匀的静电荷，或电气连接具有一定电势的直流电源，依靠静电吸附力将微小被测物固定于多层梯形梁(6)悬臂端的测量敏感区域，并通过测量所述微质量传感器在吸附微颗粒前与吸附微颗粒后的谐振频率差Δf，计算得到微颗粒质量m。

2.根据权利要求1所述的一种静电吸附式微质量传感器，其特征是：所述上绝缘薄膜(2)的长度比导电弹性板(4)的长度短，所述下绝缘薄膜(3)全部覆盖导电弹性板(4)的下表面，在导电弹性板(4)的悬臂端未被上绝缘薄膜(2)覆盖的区域构成第一测量敏感区域。

3.根据权利要求1所述的一种静电吸附式微质量传感器，其特征是：所述上绝缘薄膜(2)全部覆盖导电弹性板(4)的上表面，所述下绝缘薄膜(3)全部覆盖导电弹性板(4)的下表面，下绝缘薄膜(3)厚度是上绝缘薄膜(2)厚度的1.5-10.0倍，在导电弹性板(4)的悬臂端未被上压电薄膜(1)覆盖的区域构成第二测量敏感区域。

4.根据权利要求1所述的一种静电吸附式微质量传感器，其特征是：所述上绝缘薄膜(2)的长度比导电弹性板(4)的长度短，所述下绝缘薄膜(3)的长度比导电弹性板(4)的长度短，在悬臂粱固定端的下绝缘薄膜(3)上设有一个下压电薄膜(7)，在导电弹性板(4)的悬臂端未被上绝缘薄膜(2)和下绝缘薄膜(3)覆盖的区域构成第三测量敏感区域。

5.根据权利要求1所述的一种静电吸附式微质量传感器，其特征是：所述固定块(5)采用绝缘材料制作，并在固定块(5)上设有安装固定孔和导线孔，连接导线通过导线孔与导电弹性板(4)、上压电薄膜(1)、下压电薄膜(7)进行电气连接。