CN103048359B - 一种带有迂回通道的悬臂梁式液体浓度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种带有迂回通道的悬臂梁式液体浓度传感器，包括基体、悬臂梁、激励压电薄膜、检测压电薄膜，所述悬臂梁一端固定在基体上，另一端自由悬空，悬臂梁上表面设有激励压电薄膜，悬臂梁下表面设有检测压电薄膜，所述悬臂梁内部设有用于检测的迂回通道，所述悬臂梁固定端设有通道的入口和出口，本发明有益效果为提高了传感器的灵敏度和测量效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种带有迂回通道的悬臂梁式液体浓度传感器，属于精密传感器领域。
背景技术
谐振式液体浓度传感器能够根据被测溶液引起的谐振频率变化量来估算溶液浓度或溶质质量，是一种不依赖于化学反应，仅依靠物理方法即可实现液体浓度快速检测的传感器件，在生物医学检测、环境污染监测、细胞称重及食品安全领域具有广泛的应用需求。
传统的液体浓度检测方法主要借助化学试剂反应来实现，对试剂或环境都具有一定消极的影响，是一种破坏性检测方法。随后研究人员研制了浸入式液体浓度测量器件，例如，Gupta,A.,Akin,D.&Bashir,R.Single virus particle mass detection using micro-resonators with nano-scale thickness.Appl.Phys.Lett.84,1976-1978(2004).]，[Forsen,E.et al.Ultrasensitive mass sensor fully integrated with complementary metal-oxide semicon-ductor circuitry.Appl.Phys.Lett.87,043507(2005)]，[Yang,Y.T.,Callegari,C.,Feng,X.L.,Ekinci,K.L.&Roukes,M.L.Zeptogram-scale nanomechanical mass sensing.NanoLett.6,583–586(2006)，但这类器件需要浸入到被测溶液才能读取谐振频率的变化量。根据振动原理，除了受自身结构影响外，传感器的谐振频率值还会受到被测溶液的粘滞阻尼效应的影响，这会直接降低传感器的分辨率和灵敏度指标，进而影响测量结果的准确性。虽然可以从结构设计的角度来降低阻尼的影响程度，但无法从根本上消除该影响因素。另外，目前广泛应用的广散检测和前向检测法也极易受到测试环境的干扰而影响测量精度。文献T.P.Burg,M,Gordin,S.M.Knudsen et al.，“Weighing ofbiomolecules,single cells and single nano particles in fluid,”Nature446(7139),1066-1069(2007)报道了一种极细微管分子称重传感器，受管道直径的限制，该传感器只能用于单分子操纵和称重，难以实现液体浓度的有效测量。
发明内容
本发明通过在悬臂梁自由悬空端内部设有U型折弯的蛇形迂回微通道，有效地消除了测量过程中溶液粘滞阻尼的影响，通过数值实验发现，本发明传感器的灵敏度为传统传感器灵敏度的1.8倍左右。
本发明提供了一种悬臂梁式液体浓度传感器，包括基体、悬臂梁、激励压电薄膜、检测压电薄膜，所述悬臂梁一端固定在基体上，另一端自由悬空，悬臂梁上表面设有激励压电薄膜，悬臂梁下表面设有检测压电薄膜，所述悬臂梁内部设有用于检测的迂回通道，所述悬臂梁固定端设有通道的入口和出口。
本发明所述迂回通道不仅可以有效增大传感器最敏感区域，还能消除液体阻尼对测量精度的影响。所述迂回通道的入口连有液体泵、出口连有储液箱，所述激励压电薄膜与激励电路连接，所述检测压电薄膜与检测电路连接。
本发明所述通道优选为若干个W型通道连接组成、若干个S型通道连接组成或若干个Z型通道连接组成。
本发明所述激励压电薄膜长度优选为小于悬臂梁长度。
本发明所述检测压电薄膜长度优选为小于悬臂梁长度。
本发明所述基体为绝缘材料制成，所述激励压电薄膜与悬臂梁绝缘，所述检测压电薄膜与悬臂梁绝缘。
本发明所述的带有迂回通道的悬臂梁式液体浓度传感器工作原理为通过激励压电薄膜使悬臂梁达到谐振状态，检测压电薄膜读出谐振频率大小，利用待测液体流经迂回通道前后测量的频率差获取待测液体的浓度或溶质的质量。
本发明有益效果为：
①迂回通道可以有效扩充被测溶液的过量面积，尤其是传感器最敏感区域的面积，进而提升传感器的灵敏度。据数值实验结果表明，本发明的灵敏度为传统传感器灵敏度的1.8倍左右；
②双压电薄膜分别实现了激励和频率检测功能，无需昂贵的阻抗分析仪或网络分析仪等测试工具即可实现有效测量，降低了测量成本，简化了测量过程，提高了传感器的便携性；
③迂回通道能有效避免传统浸入式浓度传感器容易受粘滞性阻尼影响的问题，提高传感器的检测灵敏度和测量效率。
附图说明
本发明附图4幅，
图1为实施例1的悬臂梁式液体浓度传感器结构示意图；
其中，1、基体，2、悬臂梁，3、激励压电薄膜，4、检测压电薄膜，21、迂回通道。
图2为实施例1与现有传感器灵敏度对比图。
图3为实施例2的悬臂梁式液体浓度传感器结构示意图；
其中，1、基体，2、悬臂梁，3、激励压电薄膜，4、检测压电薄膜，21、迂回通道。
图4为实施例2与现有传感器灵敏度对比图。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1
一种S型迂回通道悬臂梁式液体浓度传感器；
包括基体1、悬臂梁2、激励压电薄膜3、检测压电薄膜4，所述悬臂梁2一端固定在基体1上，另一端自由悬空，悬臂梁2上表面设有激励压电薄膜3，悬臂梁2下表面设有检测压电薄膜4，所述悬臂梁2内部设有用于检测的迂回通道21，所述悬臂梁2固定端设有通道21的入口和出口。
所述悬臂梁尺寸为长度200μm、宽度33μm、厚度7μm，所述通道横截面尺寸为高度5μm、宽度3μm，压电薄膜尺寸为长度120μm、宽度33μm、厚度2.5μm。
实施例2
一种W型迂回通道悬臂梁式液体浓度传感器；
包括基体1、悬臂梁2、激励压电薄膜3、检测压电薄膜4，所述悬臂梁2一端固定在基体1上，另一端自由悬空，悬臂梁2上表面设有激励压电薄膜3，悬臂梁2下表面设有检测压电薄膜4，所述悬臂梁2内部设有用于检测的迂回通道21，所述悬臂梁2固定端设有通道21的入口和出口。
所述悬臂梁尺寸为长度200μm、宽度33μm、厚度7μm，所述通道横截面尺寸为高度5μm、宽度3μm，压电薄膜尺寸为长度120μm、宽度33μm、厚度2.5μm。
对比例1
传统直管结构悬臂梁式液体浓度传感器，所述悬臂梁尺寸为长度200μm、宽度33μm、厚度7μm，所述通道横截面尺寸为高度5μm、宽度3μm，压电薄膜尺寸为长度120μm、宽度33μm、厚度2.5μm，根据表1数据，通过数值模拟方法，比较具有相同几何参数的实施例1、实施例2和对比例1所述的传统直管结构悬臂梁式液体浓度传感器的灵敏度，见表1；通过表1获取实施例1所述传感器和对比例1所述传感器灵敏度的对比曲线，见图2；通过表1获取实施例2所述传感器和对比例1所述传感器灵敏度的对比曲线，见图4。
表1实施例1、实施例2和对比例1所述传感器的几何参数
结论：
①实施例1所述的带有迂回通道的悬臂梁式液体浓度传感器灵敏度为对比例1所述的传统直管结构悬臂梁式液体浓度传感器灵敏度的1.8倍；
②实施例2所述的带有迂回通道的悬臂梁式液体浓度传感器灵敏度为对比例1所述的传统直管结构悬臂梁式液体浓度传感器灵敏度的1.6倍；
③实施例1、实施例2所述迂回通道可以有效避免对比例1所述传统直管结构悬臂梁式液体浓度传感器容易受粘滞性阻尼影响的问题。
Claims (3)
1.一种带有迂回通道的悬臂梁式液体浓度传感器，包括基体(1)、悬臂梁(2)、激励压电薄膜(3)、检测压电薄膜(4)，所述悬臂梁(2)一端固定在基体(1)上，另一端自由悬空，悬臂梁(2)上表面设有激励压电薄膜(3)，悬臂梁(2)下表面设有检测压电薄膜(4)，其特征在于：所述悬臂梁(2)的自由悬空端内部设有U型折弯的蛇形迂回微通道(21)，所述悬臂梁(2)固定端设有通道(21)的入口和出口，所述通道(21)为若干个W型通道连接组成、若干个S型通道连接组成或若干个Z型通道连接组成。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述激励压电薄膜(3)长度小于悬臂梁(2)长度。
3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述检测压电薄膜(4)长度小于悬臂梁(2)长度。
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Citations (1)
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