CN109374729B - 一种声学微质量传感器及检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种声学微质量传感器及检测方法，所述声学微质量传感器包括：用于产生谐振频率的谐振器；承载谐振器振动模式的基片；在所述谐振器的下表面按照预设规律设置有用于通过逆压电效应来激励谐振器的两个简并谐振模式的压电薄膜；在所述谐振器中心区域设置有用于将所述谐振器中产生的简并谐振模式的能量限制在中心台阶区域的凸起的薄台阶；在所述谐振器表面等间隔设置有用于吸附待检测物质并引起谐振频率移动的功能化敏感膜。本发明通过电磁超声换能器非接触式激励谐振器的振动模式或者在谐振器表面镀上压电薄膜材料并利用其逆压电效应来激励谐振器的振动模式，快速、准确实现对待检测物质的检测。

Description

一种声学微质量传感器及检测方法
技术领域
本发明属于传感器应用技术领域，尤其涉及一种声学微质量传感器及检测方法。
背景技术
声学微质量传感器是通过利用声学换能器的压电性能，将电信号转变为谐振器的声学振动，如果在其谐振器的表面附着一层能够与待检测物质(如有机气体，生物分子、蛋白等)发生特异性吸附的生化薄膜，从而把待测信息，如质量、密度、粘度等转化为谐振器的频率信号来进行研究。由于其体积小，功耗低，成本较低，无需标记等特点，能够快速、连续、有效地检测大分子、细胞、DNA等微量物质，因此声学微质量传感器已被广泛用于在生物医药、食品安全、环境科学、化工生产等领域中；例如目前现有的应用技术的主要有石英微天平(QCM)，微悬臂梁，声体/表面波。
现有的声学微质量传感器主要缺点如下：需要昂贵的压电单晶材料(受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料)，需要采用光刻技术来制备电极，成本高；由于都是利用单独一个的声波振动模式，通过测量该模式的谐振频率在质量负载下的绝对频率漂移来检测待测物质的量，因此该谐振频率难免受到外界环境(温度，湿度等)的影响，会引起测量的偏差和检测下限等性能变差。为了克服这个问题，通常的办法是通过再用另外一个芯片作为参考道(参考芯片)，通过与传感通道的响应进行差分，虽然这种差分技术可以降低一定环境干扰的影响，但是这样相当增加了一个传感器，增大了器件的体积和成本，并且由于两个芯片由于制备、放置位置等原因不能完全保持一致，所以这种差分效果较难达到最佳；另外，由于声波振动过程中的衰减和阻尼，造成器件的Q值(品质因子或Q因子是物理及工程中的无量纲参数，是表示振子阻尼性质的物理量，也可表示振子的共振频率相对于带宽的大小，高Q因子表示振子能量损失的速率较慢，振动可持续较长的时间)相对较低，因此会造成器件的稳定性下降和灵敏度的降低。
简并谐振模式指存在同一结构中的拥有相同频率但是不同振型的振动模式，实际情况下，由于结构的缺陷或者加工的误差，会造成简并模式的频率会产生一个固有的微小偏差。简并谐振模式是在MEMS陀螺仪(微机械陀螺仪，测量运动物体角速度的微型惯性器件)中常采用的一种微谐振器振动模态，通过将简并谐振模式对分别设置为驱动和感应模式，当发生旋转时，通过哥氏效应将能量从驱动模式耦合到感应模式，实现对转速的测量。现有技术将简并谐振模式应用到MEMS微质量传感器上，并提出其在生物检测的应用，但是这种方法由于存在振动衰减的问题，Q值较低，因此信噪比不理想，功耗较大。Hu,Z.,Hedley,J.,Keegan,N.,Spoors,J.,Waugh,W.,Gallacher,
B.,…McNeil,C.(2013).Design,fabrication and
characterization of a piezoelectric MEMS diaphragm
resonator mass sensor.Journal of Micromechanics and
Microengineering,23(12),125019.
https://doi.org/10.1088/0960-1317/23/12/125019
因此，现有技术中的声学微质量传感器还有待于改进和发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的缺陷，本发明提供一种声学微质量传感器及检测方法，通过利用各向同性的普通非晶体材料代替较为昂贵的压电晶体材料，通过非接触式电磁超声换能器激励谐振器的振动模式或者在谐振器表面镀上压电薄膜材料并利用其逆压电效应来激励谐振器的振动模式，快速、准确实现对待检测物质的检测，并通过采用在谐振器的中心处加工一个薄台阶的方式，声波在台阶之内的区域能够传播，但是在台阶之外迅速衰减，从而把振动局限在谐振器的中心区域，克服了声波能量的泄露，从而提高了谐振器的Q值。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种声学微质量传感器，其中，所述声学微质量传感器包括：
用于产生谐振频率的谐振器；
承载谐振器振动模式的基片；
在所述谐振器的下表面按照预设规律设置有用于通过逆压电效应来激励谐振器的两个简并谐振模式的压电薄膜；
在所述谐振器中心区域设置有用于将所述谐振器中产生的简并谐振模式的能量限制在中心台阶区域的凸起的薄台阶；
在所述谐振器表面等间隔设置有用于吸附待检测物质并引起谐振频率移动的功能化敏感膜。
所述的声学微质量传感器，其中，所述预设规律为在圆周方向上按照的π/(4n)规律性在简并模式对之间镀上压电薄膜，其中，n为圆周模式编号。
所述的声学微质量传感器，其中，所述功能化敏感膜还用于通过阻抗分析追踪引起的谐振频率移动。
所述的声学微质量传感器，其中，所述薄台阶包括突变台阶和渐变台阶。
所述的声学微质量传感器，其中，所述薄台阶用于提高所述谐振器的Q值。
一种基于所述声学微质量传感器的检测方法，其中，所述检测方法包括：
在所述压电薄膜上的电极施加特定频率的交流电信号，经过逆压电效应同时激励谐振器的两个简并谐振模式；
通过所述薄台阶将谐振器中产生的简并谐振模式的能量限制在中心台阶区域；
所述功能化敏感膜吸附待检测物质后，对谐振模式产生扰动，引起谐振频率移动，通过阻抗分析追踪谐振频率移动，实现待检测物质浓度的检测。
谐振器的简并模式对中，一个模式有功能化敏感膜，吸附待检测物质后发生谐振频率的漂移，另一个模式没有功能化敏感膜，不会对吸附的待检测物质发生谐振频率的漂移，通过这个两个模式对应的谐振频率相对值检测待检测物质的量。
基于所述声学微质量传感器的检测方法，其中，所述功能化敏感膜通过平面工艺、旋涂或者溅射在圆周方向上等间隔设置在所述谐振器的表面。
基于所述声学微质量传感器的检测方法，其中，激励谐振器的方式包括：压电薄膜激励和电磁超声换能器的非接触式激励。
基于所述声学微质量传感器的检测方法，其中，当采用压电薄膜驱动的时，谐振器的材料包括各向同性的金属或者非金属材料；当采用电磁超声换能器驱动时，谐振器的材料采用高电导率的材料。
基于所述声学微质量传感器的检测方法，其中，所述待检测物质包括：有机气体、生物分子以及蛋白。
本发明公开了一种声学微质量传感器及检测方法，所述声学微质量传感器包括：用于产生谐振频率的谐振器；承载谐振器振动模式的基片；在所述谐振器的下表面按照预设规律设置有用于通过逆压电效应来激励谐振器的两个简并谐振模式的压电薄膜；在所述谐振器中心区域设置有用于将所述谐振器中产生的简并谐振模式的能量限制在中心台阶区域的凸起的薄台阶；在所述谐振器表面等间隔设置有用于吸附待检测物质并引起谐振频率移动的功能化敏感膜。本发明通过利用各向同性的普通非晶体材料来替代较为昂贵的压电晶体材料，通过电磁超声换能器非接触式激励谐振器的振动模式或者在谐振器表面镀上压电薄膜材料并利用其逆压电效应来激励谐振器的振动模式，快速、准确实现对待检测物质的检测。
附图说明
图1是本发明声学微质量传感器的较佳实施例的结构原理图；
图2是本发明支持陷波模式的薄台阶的谐振器结构示意图；
图3是本发明中陷波模式能量分布图示意图；
图4是本发明中振型在圆周方向呈现cos(2θ)与sin(2θ)的简并模式示意图；
图5是本发明中谐振器的厚度水平剪切模式振型示意图；
图6是本发明中非接触式EMAT激励方式示意图；
图7是本发明基于所述声学微质量传感器的检测方法的较佳实施例的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明中的声学微质量传感器如图1所示，所述声学微质量传感器包括：用于产生谐振频率的谐振器100(谐振器就是指产生谐振频率的电子元件)；承载所述谐振器100振动模式的基片202；在所述谐振器100的下表面按照预设规律设置有用于通过逆压电效应来激励谐振器100的两个简并谐振模式的压电薄膜205；在所述谐振器100中心区域设置有用于将所述谐振器100中产生的简并谐振模式的能量限制在中心台阶区域的凸起的薄台阶201；在所述谐振器表面100表面等间隔设置有用于吸附待检测物质并引起谐振频率移动的功能化敏感膜203。
具体地，利用简并谐振模式沿着圆周方向呈现cos(nθ)与sin(nθ)分布的特点，将在谐振器100的上表面包含有按圆周方向上按照的π/(4n)规律性在简并谐振模式对之间摆放压电薄膜205(其中，n为圆周模式编号)，并通过在压电薄膜205上的电极施加特定频率交流电信号，经过逆压电效应，恰好同时激励谐振器100的两个简并谐振模式，所述谐振器100为谐振腔结构(类似于圆形碟片)，该谐振结构通过在碟片中心区域凸起一个薄台阶201，由于该台阶201的存在，使得中心区域单位面积的质量大于周边的非台阶区域，从而该谐振器中产生的简并谐振模式的能量就完全或者大部分的就限制在中心的台阶区域；另一方面，在谐振器的上表面可以通过平面工艺，旋涂、溅射等方面在圆周方向上等间隔的制备功能化敏感膜203，当待检测物质(例如有机气体，生物分子、蛋白等)被功能化敏感膜203吸附以后，就会引起谐振频率的漂移(谐振频率的移动)，通过阻抗分析就可以追踪这个频率漂移，从而实现对待检测物质浓度的检测。
如图2所示，通过在普通谐振器的结构上，通过在中心区域设计一个薄台阶，由于这个台阶的存在，造成了在其对应的区域声波的频散方程发生了改变；通过合理选择频率，使其满足在未加台阶区域的声波的波数为复数，其虚部代表衰减，声波无法在该区域传播出去；另一方面，其在台阶区域，声波的波数为实数，不存在衰减模式，因此声波振动能量被聚集在谐振器的中心台阶区域，如图3所示。薄台阶可以为突变的形式，也可以为厚度渐变的形式，通过台阶实现能量聚集，或者说陷波模式。
其中，薄台阶可以为与基片相同的材料，也可选择与基片不同的材料；由于声波振动的能量局限在中心区域，这样便能克服能量沿着传播方向衰减出去的问题，从而能显著地提高谐振器的Q值。
本发明中，声学微质量传感器的谐振其设计成轴对称结构，并采用了一种用于MEMS陀螺仪中的新型简并结构，并将其应用于声学微质量传感器；如图4所示，具有共同的固有频率的谐振模式对在圆周方向呈现cos(nθ)与sin(nθ)对称排布的简并模式对(简并模式对，包括所有n为整数的cos(nθ)与sin(nθ)的情况)，这里索引n称为圆周模式编号，为了说明方便，采用n＝2进行说明，简并振动模式在空间上是独立的(正交的)，振幅最大的点为反节点，振幅最小的点为节点，如图4所示，这两个简并模式对是在空间上交错分布，一个模式反节点则是另一个模式的节点，这种结构被称为一对简并振动模式。在本发明中，通过在谐振器的某些特定区域，例如cos(nθ)的反节点处放置功能化敏感膜，当其吸附待测物质时，就会对该区域的谐振模式产生质量负载效应，因为该区域处于cos(nθ)模式振幅能量分布集中的反节点，因此其质量负载效应就会对cos(nθ)模式产生明显的影响，引起其频率发生明显漂移；然而该区域确是sin(nθ)的振幅微弱的节点处，因此质量负载效应对其造成的影响就非常弱，因此总体来看质量负载效应将会改变两者的相对谐振频率差。同时，由于简并模式的对称性，诸如温度、湿度、内应力等的环境效应对两者产生等效的影响，因此不影响两者的相对频率差。所以通过测量两者相对频率差不但可以测量吸附待测物质的量，同时还可以通过一个谐振器就能实现传感器差分方式的检测。
进一步地，本发明中利用厚度剪切模式(TSM，Thickness shear mode)，这种模式的振动方向平行于谐振器表面，并且沿着厚度方向振幅呈现正弦形式变化，在上下两个表面振动幅度最大，方向相反，中间振幅为0，这种模式不但具有高Q值，而且其面内振动的特点使得振动的能量不会衰减到液体中去，因此在液相生物检测中具有独特的优势，并且厚度剪切模式的振型呈现在上下两个表面的振幅大，如图5所示，因此对于在谐振器表面的质量负载效应格外灵敏，本发明中的TSM模式可以是1阶模式，也可以是奇数的高阶模式。
本发明中的激励方式包括压电薄膜激励和电磁超声换能器的非接触式激励方式，压电薄膜激励方式如图1所示，根据谐振器简并模式的位置相应地制备压电薄膜，同时通过制备条件的优化控制，可以在谐振器上制备有沿不同方向的压电性能的薄膜材料，激励所需要的振动模式，包括面内振动(径向振动、圆周振动)与垂直表面振动。相比较而言，如图6所示，EMAT(Electromagnetic Acoustic Transducer，电磁超声换能器)的非接触式激励需要谐振器或者其薄台阶是高电导率材料，并且EMAT方式可以实现检测与激励分别放置在谐振器的上下表面，该方式通过采用激励线圈中输入与谐振器谐振频率范围内的正弦交变电流，导致在谐振器表面感应出涡流，由于谐振器处于磁铁产生的静态磁场中，磁场与感生涡流相互作用产生洛伦兹力，因此谐振器底部就会在此力的作用下产生的声学机械振动，就会使得谐振器产谐振。另一方面，由于谐振器的振动，其也会产生交变电流，因此在谐振器的上表面上就会感应出二次交变磁场，从而在其上部的检测线圈中产生感应电流。
基于上述声学微质量传感器，本发明较佳实施例所述的基于所述声学微质量传感器的检测方法，如图7所示，所述检测方法包括：
步骤S10、在所述压电薄膜上的电极施加特定频率的交流电信号，经过逆压电效应同时激励谐振器的两个简并谐振模式；
步骤S20、通过所述薄台阶将谐振器中产生的简并谐振模式的能量限制在中心台阶区域；
步骤S30、所述功能化敏感膜吸附待检测物质后，对谐振模式产生扰动，引起谐振频率移动，通过阻抗分析追踪谐振频率移动，实现待检测物质浓度的检测。
具体地，所述功能化敏感膜通过平面工艺、旋涂或者溅射在圆周方向上等间隔设置在所述谐振器的表面。
具体地，激励谐振器的方式包括：压电薄膜激励和电磁超声换能器的非接触式激励。
具体地，当采用压电薄膜驱动的时，谐振器的材料包括各向同性的金属或者非金属材料；当采用电磁超声换能器驱动时，谐振器的材料采用高电导率的材料。
具体地，所述待检测物质包括：有机气体、生物分子以及蛋白等。
针对目前压电式驱动谐振器中存在的由于压电晶体导致的器件成本偏高的问题，本发明中利用各向同性的普通非晶体材料，避开了较为昂贵的压电晶体材料，通过电磁超声换能器非接触式激励谐振片的振动模式或者在谐振片表面镀上压电薄膜材料并利用其逆压电效应来激励谐振片的振动模式，可以达到更好的检测效果。
针对目前声学谐振传感器容易受到环境干扰的问题，本发明提出了一种同一结构中的简并双声谐振模式，通过将一个谐振模式用来传感，另一个谐振模式用来作为参考，并通过两个相应的差值来作为输出，从而克服环境变化对传感器造成的影响。
针对目前谐振模式存在的Q值不够高的问题，本发明中通过采用在谐振器的中心处加工一个薄台阶的方式，声波在台阶之内的区域能够传播，但是在台阶之外迅速衰减，从而把振动局限在谐振器的中心区域，有效地削弱甚至克服了声波能量的泄露，从而提高了谐振器的Q值。
综上所述，本发明提供一种声学微质量传感器及检测方法，所述声学微质量传感器包括：用于产生谐振频率的谐振器；承载谐振器振动模式的基片；在所述谐振器的下表面按照预设规律设置有用于通过逆压电效应来激励谐振器的两个简并谐振模式的压电薄膜；在所述谐振器中心区域设置有用于将所述谐振器中产生的简并谐振模式的能量限制在中心台阶区域的凸起的薄台阶；在所述谐振器表面等间隔设置有用于吸附待检测物质并引起谐振频率移动的功能化敏感膜。本发明通过利用各向同性的普通非晶体材料来替代较为昂贵的压电晶体材料，通过电磁超声换能器非接触式激励谐振器的振动模式或者在谐振器表面镀上压电薄膜材料并利用其逆压电效应来激励谐振器的振动模式，快速、准确实现对待检测物质的检测。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种声学微质量传感器，其特征在于，所述声学微质量传感器包括：
用于产生谐振频率的谐振器；
承载谐振器振动模式的基片；
在所述谐振器的下表面按照预设规律设置有用于通过逆压电效应来激励谐振器的两个简并谐振模式的压电薄膜；
所述预设规律为在圆周方向上按照的π/(4n)规律性在简并模式对之间镀上压电薄膜，其中，n为圆周模式编号；
在所述谐振器中心区域设置有用于将所述谐振器中产生的简并谐振模式的能量限制在中心台阶区域的凸起的薄台阶；
在所述谐振器表面等间隔设置有用于吸附待检测物质并引起谐振频率移动的功能化敏感膜。
2.根据权利要求1所述的声学微质量传感器，其特征在于，所述功能化敏感膜还用于通过阻抗分析追踪引起的谐振频率移动。
3.根据权利要求1所述的声学微质量传感器，其特征在于，所述薄台阶包括突变台阶和渐变台阶。
4.根据权利要求3所述的声学微质量传感器，其特征在于，所述薄台阶用于提高所述谐振器的Q值。
5.一种基于权利要求1-4任意一项所述声学微质量传感器的检测方法，其特征在于，所述检测方法包括：
在所述压电薄膜上的电极施加特定频率的交流电信号，经过逆压电效应同时激励谐振器的两个简并谐振模式；
通过所述薄台阶将谐振器中产生的简并谐振模式的能量限制在中心台阶区域；
所述功能化敏感膜吸附待检测物质后，对谐振模式产生扰动，引起谐振频率移动，通过阻抗分析追踪谐振频率移动，实现待检测物质浓度的检测。
6.根据权利要求5基于所述声学微质量传感器的检测方法，其特征在于，所述功能化敏感膜通过平面工艺、旋涂或者溅射在圆周方向上等间隔设置在所述谐振器的表面。
7.根据权利要求5基于所述声学微质量传感器的检测方法，其特征在于，激励谐振器的方式包括：压电薄膜激励。
8.根据权利要求7基于所述声学微质量传感器的检测方法，其特征在于，当采用压电薄膜驱动时，谐振器的材料包括各向同性的金属或者非金属材料。
9.根据权利要求5基于所述声学微质量传感器的检测方法，其特征在于，所述待检测物质包括：有机气体和生物分子。
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