CN107796868B - 一种基于同步共振的流体中微量物质检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于同步共振的流体中微量物质检测装置及方法，属于传感器技术领域。固支梁阵列结构由多根尺寸相同的固支梁组成，包括一根参考梁和至少一根检测梁。不同固支梁的两端通过耦合单元相连，固支梁阵列结构和耦合单元都固定在支撑结构上。每根固支梁和支撑结构的内部都加工有相通的微流道，待测流体经过支撑结构上的流道入口依次流过各根固支梁。参考梁的微流道上沉积惰性材料层，检测梁的微流道上沉积不同的敏感层。在支撑结构下部有压电圆盘，激励阵列结构振动。每根固支梁的上表面沉积有压电层，用于策动阵列结构同步共振和检测信号输出。本发明具有结构新颖、能同时检测多种物质、分辨率高的优点。

Description

一种基于同步共振的流体中微量物质检测装置及方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，尤其涉及一种基于同步共振的流体中微量物质检测装置及方法。

背景技术

谐振式传感器具有体积小、响应快、灵敏度高等优点，广泛用于环境监测、生化检测、汽车工业等领域。当应用于流体中的物质检测时，谐振结构由于受到大的流体阻力作用，使得品质因数大大衰减，进而降低其灵敏度和分辨率。为了减弱流体阻力对谐振结构振动特性的影响，可在谐振结构中加工微流道。流体从谐振结构内部的微流道中流过，将会改变结构的固有频率，通过检测固有频率变化可以计算出流体中的某些参量。美国麻省理工大学在悬臂梁中加工出微流道，利用该结构检测出流体中的生物分子。为了实现多种物质的并行快速检测，其研究团队设计出串联的悬臂梁阵列结构。然而，由于悬臂梁本身在振动过程中会有热机械噪声，待测流体的温度变化也会对悬臂梁的振动特性产生影响，这些使得悬臂梁具有很大的噪声，因而其分辨率受限。

为了提高谐振器的性能，不少团队探索同步共振在微纳振子中的应用。如加州理工大学利用同步共振来降低谐振器的相位噪声，西班牙巴塞罗那大学实现了五根悬臂梁的同步共振。然而，这些研究在促进同步共振传感器的实用化方面，依然存在不足。如难以应用在流体检测中，难以实现对多种物质的检测等，这些都严重制约了同步共振传感器的应用。

发明内容

本发明提出一种基于同步共振的流体中微量物质检测装置及方法。

本发明采取的技术方案是：固支梁阵列结构由n根尺寸相同的固支梁组成，n≥2且为整数，包括一根参考梁和至少一根检测梁，不同固支梁的两端通过耦合单元相连，固支梁阵列结构和耦合单元都固定在支撑结构上，每根固支梁和支撑结构的内部都加工有依次串联相通的微流道，参考梁上的微流道的中央位置上沉积惰性材料层，检测梁上的微流道的中央位置上沉积不同的敏感层，支撑结构的下部有压电圆盘，每根固支梁上表面的一端沉积有压电元件。

所述检测梁和参考梁的固有频率相等，各检测梁通过耦合单元依次相连，最后一根检测梁通过耦合单元和参考梁相连。

所述微流道包括支撑结构上的流道入口和流道出口。

所述的参考梁上的微流道的中央位置上沉积惰性材料层采用如二氧化硅、金；

所述的各检测梁上的微流道的中央位置上沉积不同的敏感层，用于实现对不同物质的特异性吸附。

所述压电元件包括上电极、压电层、下电极，其中下电极紧贴固支梁的表面，压电层置于下电极的上方，而上电极又置于压电层的上方。

一种基于同步共振的流体中微量物质检测方法，包括下列步骤：

步骤(1)、利用压差式流体驱动方法，将待测流体通入微流道中，待测流体通入速度小于1cm/s，待测流体通入5分钟以后，待测流体中的物质和敏感层发生明显的化学反应，停止通入待测流体；

步骤(2)、在压电圆盘上施加幅值为A₀的交流电信号，固支梁阵列结构开始振动，在参考梁表面的压电元件上，施加幅值为A₁的交流电信号，A₁<<A₀，不断改变该交流电信号的频率，直至固支梁阵列结构发生同步共振；将其余压电元件、除了参考梁表面的压电元件、串联并和示波器相连，输出振动信号，记录同步共振的频率，记为f₀；

步骤(3)、在压电圆盘上施加幅值为A₀的交流电信号，依次在每根检测梁表面的压电元件上施加幅值为A₁的交流电信号，A₁<<A₀，使得固支梁阵列结构发生不同状态的同步共振，记录同步共振的频率，记为f₁、f₂…f_n-1，n为固支梁的根数；

步骤(4)、计算得到n-1个频率偏移量：△f_j＝f_j-f₀，j＝1,2…n-1，进而计算每根检测梁的有效质量变化量：j＝1,2…n-1，其中m_eff为通入流体前各检测梁或参考梁的有效质量，由此确定每根检测梁上是否吸附物质及吸附多少物质，实现流体中微量物质的检测。

本发明的有益效果是：利用固支梁阵列结构进行流体物质的检测，每根固支梁上只有一个流道，结构新颖，且易于加工，多根固支梁能够同步共振，可大幅降低振动结构的噪声；将多根梁的压电层采集的信号叠加，可增强输出，通过策动不同的固支梁实现不同的同步共振状态，能够检测多种物质，因而该检测装置能够实现对流体中多种物质的高分辨率检测。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的俯视图；

图3是图2的左视图；

图4是本发明的应用例2的示意图；

图5是应用例1策动参考梁时压电元件的电路连接示意图；

图6是应用例1策动检测梁时压电元件的电路连接示意图；

图7是本发明应用例1的幅频响应曲线图；

图8是本发明应用例2的幅频响应曲线图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明进行详细的说明：应当理解，优选实例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

参见图1，一种基于同步共振的流体中微量物质检测装置，包括支撑结构1，固支梁阵列结构2，检测梁201，参考梁202，耦合单元3，微流道4，流道入口401，流道出口402，敏感层5，惰性材料层6，压电元件7，上电极701，压电层702，下电极703，压电圆盘8。

固支梁阵列结构2由n(n≥2且为整数)根尺寸相同的固支梁组成，包括一根参考梁202和至少一根检测梁201，不同固支梁的两端通过耦合单元3相连，固支梁阵列结构2和耦合单元3都固定在支撑结构1上，每根固支梁和支撑结构1的内部都加工有依次串联相通的微流道4，待测流体经过支撑结构1上的流道入口401依次流过各根固支梁、从流道出口402流出，参考梁202的微流道4的中央位置上沉积惰性材料层6，检测梁201的微流道4的中央位置上沉积不同的敏感层5，支撑结构1的下部有压电圆盘8，每根固支梁上表面的一端沉积有压电元件7。

所述检测梁201和参考梁202的固有频率相等，各检测梁201通过耦合单元3依次相连，最后一根检测梁201通过耦合单元3和参考梁202相连。

所述微流道4包括支撑结构1上的流道入口401和流道出口402；

所述的参考梁202的微流道4的中央位置上沉积惰性材料层6采用如二氧化硅、金等，惰性材料层6化学性能非常稳定，不容易和待测流体中的物质发生化学反应，可消除待测流体温度和其它环境因素对检测梁201振动特性的影响。

所述的各检测梁201的微流道4的中央位置上沉积不同的敏感层5，可实现对不同物质的特异性吸附，以检测流体中的多种物质。

本发明所述的整个装置封装在真空中，待测流体仅和固支梁内部的微流道4接触，不和固支梁的外表面接触。因此固支梁在谐振时受到的流体阻尼小，具有高的品质因数，待测流体可以是气体，也可以是液体。

每根固支梁的上表面沉积有压电元件7，压电元件7包括上电极701、压电层702、下电极703，其中下电极703紧贴固支梁的表面，压电层702置于下电极703的上方，而上电极701又置于压电层702的上方；压电元件既可以用来策动固支梁阵列结构发生同步共振，又可以作为拾振单元，来检测信号输出。

压电元件用于检测信号输出时，可进行多个压电元件的输出信号叠加。

本发明的工作原理为：待测流体流入微流道4中，待测流体中的物质和微流道4上的敏感层5发生反应，进而改变该敏感层5所在检测梁201的谐振频率，通过测量每根检测梁的谐振频率，反演出每根检测梁的有效质量变化，每根固支梁之间存在耦合作用，在压电圆盘8上施加幅值较大的交流电信号，在其中一根固支梁上施加幅值较小的交流电信号，以策动这根固支梁，使得固支梁阵列结构2发生同步共振，同步共振的频率是所策动固支梁的谐振频率，通过同步共振，可以增强输出信号和降低相位噪声，实现对每根检测梁谐振频率的精准测量，从而实现对待测流体中多种物质的高分辨率检测；压电元件7既可以用来策动固支梁阵列结构发生同步共振，又可以作为拾振单元，来检测信号输出，压电元件用于检测信号输出时，可进行多个压电元件的输出信号叠加。

一种基于同步共振的流体中微量物质检测方法，包括下列步骤：

步骤(1)、利用压差式流体驱动方法，将待测流体通入微流道中，待测流体通入速度小于1cm/s，待测流体通入5分钟以后，待测流体中的物质和敏感层发生明显的化学反应，停止通入待测流体；

步骤(2)、在压电圆盘上施加幅值为A₀的交流电信号，固支梁阵列结构开始振动，在参考梁表面的压电元件上，施加幅值为A₁的交流电信号，A₁<<A₀，不断改变该交流电信号的频率，直至固支梁阵列结构发生同步共振；将其余压电元件、除了参考梁表面的压电元件、串联并和示波器相连，输出振动信号，记录同步共振的频率，记为f₀；

步骤(3)、在压电圆盘上施加幅值为A₀的交流电信号，依次在每根检测梁表面的压电元件上施加幅值为A₁的交流电信号，A₁<<A₀，使得固支梁阵列结构发生不同状态的同步共振，记录同步共振的频率，记为f₁、f₂…f_n-1，n为固支梁的根数；

步骤(4)、计算得到n-1个频率偏移量：△f_j＝f_j-f₀，j＝1,2…n-1，进而计算每根检测梁的有效质量变化量：j＝1,2…n-1，其中m_eff为通入流体前各检测梁或参考梁的有效质量，由此确定每根检测梁上是否吸附物质及吸附多少物质，实现流体中微量物质的检测。

通入待测流体前，各检测梁201和参考梁202的谐振频率都是：

其中：k_eff为各检测梁201或参考梁202的有效刚度，m_eff为各检测梁或参考梁的有效质量；

通入待测流体5分钟以后，停止通入待测流体，此时，部分或全部检测梁201由于吸附待测流体中的微量物质，有效质量发生轻微的改变，进而谐振频率发生轻微的偏移，由于，部分或全部检测梁201的谐振频率只是发生轻微的变化，因而全部检测梁201和参考梁202的谐振频率都接近相等，进而固支梁阵列结构2能够发生同步共振；

根据同步共振原理，若n根梁发生同步，则相位噪声降低为无耦合单根梁相位噪声的1/n；

固支梁阵列结构的输出信号是其余n-1根固支梁(除了所策动的固支梁)振动信号的求和，即：

由于同步共振：

y₁＝y₂＝y₃＝…＝y_n-1

则：

Y＝(n-1)y₁

其中Y为传感器的输出信号，y₁、y₂、y₃、…、y_n-1为固支梁的输出信号，i为正整数。

因此，采用固支梁阵列结构能降低相位噪声，并且能提高输出信号。

应用例1：多种物质检测

如图5所示，固支梁阵列结构由四根固支梁组成，包括一根参考梁202，三根检测梁201-1、201-2、201-3，敏感层501为物质B2，敏感层502为物质C2，敏感层503为物质D2，其中物质B1和物质B2特异性反应，物质C1和物质C2特异性反应，物质D1和物D2特异性反应，待测流体中含有物质C1和物质D1；

步骤(1)利用压差式流体驱动方法，将待测流体通入微流道中，待测流体通入速度小于1cm/s，待测流体通入2分钟以后，待测流体中的物质和敏感层发生明显的化学反应，停止通入待测流体；

步骤(2)在压电圆盘上施加幅值为A₀的交流电信号，固支梁阵列结构2开始振动，按照图5所示的电路示意图连接压电元件，将参考梁202表面的压电元件7的上、下电极和交流电源相连，其余压电元件7(除了参考梁表面的压电元件)的上、下电极串联后和示波器相连，进一步，对参考梁202表面的压电元件7，施加幅值为A₁(A₁<<A₀)的交流电信号，以策动参考梁202，不断改变该交流电信号的频率，直至固支梁阵列结构2发生同步共振，利用示波器记录输出信号，其中，同步共振的频率记为f₀；

步骤(3)，在压电圆盘8上施加幅值为A₀的交流电信号，按照图6所示的电路示意图连接压电元件，在检测梁201-1表面的压电元件7上施加幅值为A₁(A₁<<A₀)的交流电信号，进而策动检测梁201-1，使得固支梁阵列结构2发生同步共振，利用示波器记录记录同步共振的频率，记为f₁，进一步，同样分别策动检测梁201-2、201-3，记录同步共振的频率分别为f₂、f₃；

步骤(4)计算检测梁201-1、检测梁201-2、检测梁201-3的频率偏移量分别为△f₁＝f₁-f₀、△f₂＝f₂-f₀、△f₃＝f₃-f₀；

对于检测梁201-1，在通入流体前：

在停止通入流体后：

其中△m₁为检测梁201-1的有效质量变化量，如果检测梁201-1上不吸附物质，则△m₁＝0，如果检测梁201-1上吸附了物质，则△m₁>0；

根据公式(1)和(2):

由于参考梁不与流体中的物质反应，其质量变化量为0，则f₀＝f，又因为检测的是流体中的微量物质，则f₁≈f；

故此：

同理可推算出(这里j＝2,3),因此计算出检测梁201-2、201-3的有效质量变化量/>进而可以确定每根检测梁是否吸附物质及吸附了多少物质。

从图7所示的幅频响应曲线可以看到，策动检测梁201-1时的同步共振频率(电压幅值最大值处对应的频率)和策动参考梁时的同步共振频率一致，即△f₁＝0，可知检测梁201-1上面没有吸附物质。策动检测梁201-2和策动检测梁201-3时的同步共振频率都比策动参考梁时的同步共振频率要小，即△f₃<△f₂<0，可知检测梁201-2和检测梁201-3上吸附了物质，且检测梁201-3吸附的物质量更多，这证明了流体中含有物质C1和物质D1。同时通过图7可以看出，相比于单根梁，本发明提出的装置的输出幅值要大得多，且品质因数要高得多，噪声更低。因此，本发明可以实现对流体中多种物质的高分辨率检测。

应用例2：单种物质检测

如图4所示，固支梁阵列结构2由两根固支梁组成，包括一根参考梁202，一根检测梁201。敏感层5为物质E2，待测流体中含有物质E1，物质E1和物质E2特异性反应。

待测流体中的微量物质检测步骤类似应用例1中的步骤(1)、(2)、(3)、(4)，最终得到的幅频响应曲线如图8，相比于单根梁，采用两根固支梁组成的固支梁阵列结构，检测分辨率提高了1.6倍多。

Claims (5)

1.一种采用基于同步共振的流体中微量物质检测装置的检测方法，所述基于同步共振的流体中微量物质检测装置的结构是：固支梁阵列结构由n根尺寸相同的固支梁组成，n≥2且为整数，包括一根参考梁和至少一根检测梁，不同固支梁的两端通过耦合单元相连，固支梁阵列结构和耦合单元都固定在支撑结构上，每根固支梁和支撑结构的内部都加工有依次串联相通的微流道，参考梁上的微流道的中央位置上沉积惰性材料层，检测梁上的微流道的中央位置上沉积不同的敏感层，支撑结构的下部有压电圆盘，每根固支梁上表面的一端沉积有压电元件；

所述检测梁和参考梁的固有频率相等，各检测梁通过耦合单元依次相连，最后一根检测梁通过耦合单元和参考梁相连；

其特征在于，包括下列步骤：

步骤(1)、利用压差式流体驱动方法，将待测流体通入微流道中，待测流体通入速度小于1cm/s，待测流体通入5分钟以后，待测流体中的物质和敏感层发生明显的化学反应，停止通入待测流体；

步骤(2)、在压电圆盘上施加幅值为A₀的交流电信号，固支梁阵列结构开始振动，在参考梁表面的压电元件上，施加幅值为A₁的交流电信号，A₁<<A₀，不断改变该交流电信号的频率，直至固支梁阵列结构发生同步共振；将其余压电元件、除了参考梁表面的压电元件、串联并和示波器相连，输出振动信号，记录同步共振的频率，记为f₀；

步骤(3)、在压电圆盘上施加幅值为A₀的交流电信号，依次在每根检测梁表面的压电元件上施加幅值为A₁的交流电信号，A₁<<A₀，使得固支梁阵列结构发生不同状态的同步共振，记录同步共振的频率，记为f₁、f₂…f_n-1，n为固支梁的根数；

步骤(4)、计算得到n-1个频率偏移量：△f_j＝f_j-f₀，j＝1,2…n-1，进而计算每根检测梁的有效质量变化量：其中m_eff为通入流体前各检测梁或参考梁的有效质量，由此确定每根检测梁上是否吸附物质及吸附多少物质，实现流体中微量物质的检测。

2.根据权利要求1所述的采用基于同步共振的流体中微量物质检测装置的检测方法，其特征在于：所述微流道包括支撑结构上的流道入口和流道出口。

3.根据权利要求1所述的采用基于同步共振的流体中微量物质检测装置的检测方法，其特征在于：所述的参考梁上的微流道的中央位置上沉积惰性材料层采用二氧化硅、金。

4.根据权利要求1所述的采用基于同步共振的流体中微量物质检测装置的检测方法，其特征在于：所述的各检测梁上的微流道的中央位置上沉积不同的敏感层，用于实现对不同物质的特异性吸附。

5.根据权利要求1所述的采用基于同步共振的流体中微量物质检测装置的检测方法，其特征在于：所述压电元件包括上电极、压电层、下电极，其中下电极紧贴固支梁的表面，压电层置于下电极的上方，而上电极又置于压电层的上方。