CN110702555B - 一种基于模态局部化效应的可调微质量传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于模态局部化效应的可调微质量传感器，其特征在于，包括：第一固支梁，置于上方，其两端通过第一固定端固定；第二固支梁，置于第一固支梁下方，其两端通过第二固定端固定；其中，第一固支梁与第二固支梁之间通过耦合电极实现静电耦合，第二固支梁通过固定激励电极调节驱动力的大小；第一固支梁与第二固支梁的长度均可变且二者非等长。本发明通过调节耦合电极间的静电刚度，实现传感器灵敏度、探测范围和分辨率的在线调整。本发明具有更高的灵敏度，并且可以弥补制造误差产生的影响，可用于微生物、微颗粒等检测，具有高灵敏度，鲁棒性强等优点。
Description
技术领域
本发明涉及微机电系统技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于模态局部化效应的可调微质量传感器。
背景技术
微机电系统(Microelectro-mechanical systems，MEMS)谐振传感器在测量微小质量方面因其高效简便而逐渐受到越来越多的关注，包括在生物分子(DNA、细胞、细菌及病毒等)的识别与检测、微小颗粒探测以及液体、气体成分与浓度的检测等方面得到广泛应用。
近年来，在如何提高质量传感器灵敏度的研究中引起了人们的关注。有些人通过传感器尺寸的小型化，优化几何形状或激励非线性方案来实现灵敏的改进。赵剑等人在“Anew sensitivity improving approach for mass sensors through integratedoptimization of both cantilever surface profile and cross-section”(Sensorsand Actuators B 206(2015)343–350)中提出了一种新颖的谐振质量传感器设计，然后通过配置集成优化提高灵敏度。S.Souayeh等人在“Computational models for largeamplitude nonlinear vibrations of electrostatically actuated carbon nanotube-based mass sensors”(Sensors&Actuators A Physical.208 10-20)中提出了碳纳米管作为悬臂梁，并建立了非线性模型，可以同时检测附着粒子的质量和位置。尽管这些单自由度谐振器的增强灵敏度方法对于大多数应用来说已经足够，但这些方法都有自身的局限性而无法大幅提升灵敏度。
随着基于模态局部化现象引入到微质量传感器研究中，采用以特征值或幅值比作为输出的新型敏感机理可以大大提高传感器的灵敏度，而无需任何特定的结构优化，由此逐渐受到越来越多的关注。
模态局部化现象中发现，在近似对称的弱耦合系统中，当传感器受到小的质量扰动时将导致系统对称性破坏从而导致特征状态和幅值比的急剧变化，可以用来检测到极其微小的质量，如DNA，癌症和生物分子。
基于此，有必要提供一种传感器将模态局部化效应得以广泛应用。
发明内容
根据上述提出的微型传感器由于自身的局限性而无法大幅提升灵敏度的技术问题，而提供一种基于模态局部化效应的可调微质量传感器。本发明主要采用不等长的固支梁结构，两固支梁间通过静电进行耦合，能够便于调节耦合强度，从而实现驱动方式易于调节，无需进行任何的结构优化，具有工艺简单，构型稳定易于加工等优点，因而可广泛应用在各个方面。
本发明采用的技术手段如下：
一种基于模态局部化效应的可调微质量传感器，其特征在于，包括：
第一固支梁，置于上方，其两端通过第一固定端固定；
第二固支梁，置于所述第一固支梁下方，其两端通过第二固定端固定；
其中，所述第一固支梁与所述第二固支梁之间通过耦合电极静电耦合，第二固支梁通过固定激励电极调节驱动力的大小；
所述第一固支梁与所述第二固支梁的长度均可变且二者非等长。
进一步地，所述第一固支梁的长度大于于所述第二固支梁的长度。
进一步地，所述耦合电极包括固定在所述第二固支梁的上表面的下耦合电极，和固定在所述第一固支梁的下表面的上耦合电极，所述下耦合电极的长度与所述上耦合电极的长度相等且小于等于所述第二固支梁的长度。
进一步地，所述下耦合电极的宽度与所述上耦合电极的宽度相等且等于所述第二固支梁的宽度。
进一步地，所述耦合电极长度小于等于第二固支梁的梁长。
进一步地，所述固定激励电极的长度等于所述第二固支梁的长度，所述固定激励电极的宽度等于所述第二固支梁的宽度。
进一步地，所述固定激励电极与所述第二固支梁之间的距离小于所述第二固支梁与所述第一固支梁之间的距离。
进一步地，所述固定激励电极是完全固定的，所述固定激励电极由驱动电压源产生的交流电和直流电共同驱动。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.本发明具有耦合强度易于调节的特点，仅通过电压调节就可以改变固支梁之间的耦合强度；
2.本发明的结构具有不同的工作模式的特点，在不同的激励电压下可以实现线性和非线性两种状态；
3.本发明通过实施实例验证了不等长结构的可行性，灵敏度相较于等长结构以幅值比作为输出灵敏度提高2倍以上。
4.本发明采用不等长结构，能够通过调节静电驱动的大小来弥补制造误差，工艺简单，成本低，无需任何的优化就可以实现灵敏度大幅提高。
综上所述，本发明提供了一种基于模态局部化效应的可调微质量传感器，通过调节耦合电极间的静电刚度，实现传感器灵敏度、探测范围和分辨率的在线调整。所述第二固支梁受到固定激励电极的驱动，当被测物落到第一固支梁上时，通过检测两个固支梁的幅值比来判断吸附物的剂量。与等长结构传感器相比，本发明结构设计简单且驱动方式易于调节，无需进行任何的结构优化，具有更高的灵敏度，并且可以弥补制造误差产生的影响，工艺简单，构型稳定易于加工，鲁棒性强等优点。
基于上述理由本发明可广泛用于微小颗粒检测、有害气体、可微生物如细菌或病毒等物质的质量测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于模态局部化效应的可调微质量传感器的模型示意图。
图2为传统的基于模态局部化现象传感器采用的机械耦合的结构示意图。
图3为本发明处在线性工作区的平衡状态幅频特性图。
图4为本发明处在非线性工作区的平衡状态幅频特性图。
图5为本发明在耦合电压为5V时两种灵敏度检测方式对比图。
图中：1-1、第一固定端；1-2、第一固定端’；1-3、第二固定端；1-4、第二固定端’；2、第一固支梁；3、第二固支梁；4、下耦合电极；5、上耦合电极；6、固定激励电极；7、驱动电压源；2-1、固定端’；2-2、第一悬臂梁；2-3、第二悬臂梁；2-4、机械耦合；2-5、固定激励电极’；2-6、驱动电压源’。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
如图1所示，本发明提供了一种基于模态局部化效应的可调微质量传感器，包括：
第一固支梁2，置于图示的上方，其两端通过第一固定端1-1和第一固定端’1-2固定；
第二固支梁3，置于所述第一固支梁2的下方，其两端通过第二固定端1-3和第二固定端’1-4固定；
其中，所述第一固支梁2与所述第二固支梁3之间通过耦合电极静电耦合，所述耦合电极包括固定在所述第二固支梁3的上表面中间的下耦合电极4，和固定在所述第一固支梁2的下表面中间的上耦合电极5，所述下耦合电极4的长度与所述上耦合电极5的长度相等且小于等于所述第二固支梁3的长度，所述下耦合电极4的宽度与所述上耦合电极5的宽度相等且等于所述第二固支梁3的宽度。所述第一固支梁2与所述第二固支梁3之间通过所述下耦合电极4和上耦合电极5之间产生的静电力来相互作用。
第二固支梁3通过固定激励电极6调节驱动力的大小。
所述第一固支梁2与所述第二固支梁3的长度均可变且二者非等长，优选地，所述第二固支梁3的长度小于所述第一固支梁2的长度。
所述耦合电极长度小于等于第二固支梁的梁长，即以第二固支梁3为例，第一固支梁2的下表面设置的上耦合电极5‘的长度小于第二固支梁3的长度。
所述固定激励电极6的长度等于所述第二固支梁3的长度，所述固定激励电极6的宽度等于所述第二固支梁3的宽度。
所述固定激励电极6与所述第二固支梁3之间的距离小于所述第二固支梁3与所述第一固支梁2之间的距离。
所述固定激励电极6是完全固定的，所述完全固定是相对于第一固支梁和第二固支梁而言，其二者是两端固定，而这个固定激励电极6是整个都不能动的，所述固定激励电极6由驱动电压源7产生的交流电和直流电共同驱动。
实施例1
如图1所示为本发明的结构示意图，如图2所示，是常用的采用机械结构进行耦合的模态局部化传感器结构，其中，第一悬臂梁2-2和第二悬臂梁2-3分别通过固定端’2-1固定，第一悬臂梁2-2和第二悬臂梁2-3之间通过机械耦合2-4耦合，且固定激励电极’2-5由驱动电压源’2-6产生的交流电和直流电共同驱动。
与机械耦合结构相比，本发明采用的静电进行耦合能够实时的调节耦合强度。如图3所示为本发明实施方式中，按照本发明结构参数表1中的尺寸时，本发明的微质量传感器处于线性工作区的平衡状态幅频特性图，横坐标为频率(KHz)，纵坐标为幅值(μm)。
表1微质量传感器结构参数
通过在下耦合电极4和上耦合电极5之间施加耦合电压Vc＝5V，在没有质量扰动时，先选择驱动电压源中交流电大小为Vac＝0.1mV，然后不断调节驱动电压源中直流电Vdc使系统处于平衡状态，这里Vdc＝8.5V，此时两固支梁的幅值相同。当保持其他值不变，将驱动电压源中交流电大小提升到Vac＝0.5mV时，调节驱动电压源中直流电Vdc使系统达到平衡状态，此时Vdc＝8.6V，本发明的微质量传感器将会处于非线性工作区，其平衡状态幅频特性图如图4所示。
图5为本发明实施方式中，在第一固支梁2中间添加不同的扰动质量下的频率相对变化和振幅比的相对变化情况，与传统的以频率相对变化作为灵敏度输出相比，振幅比作为灵敏度输出方式可以大幅提高质量传感器的灵敏度，同样的质量扰动下，灵敏度可以提升2个数量级以上。
表2为本发明实施方式中，在第一固支梁2中间添加扰动质量2皮克时，不同长度比结构(第二固支梁3/第一固支梁2)的以幅值比输出的灵敏度情况。当长度比为1时，输出幅值比为0.4774，当调节长度比为0.94时，其输出幅值比可达1.187，远大于等长度双梁结构。由此可以发现，不等长结构具有更高的灵敏度输出，通过调节长度比可以进一步的提高灵敏度。
表2不同长度比下幅值比相对变化
表3为本发明实施方式中，通过调节耦合电极间的电压来实现传感器灵敏度的在线调整。当耦合电压等于5V时，输出幅值比0.5982，当调节耦合电压为3V时，输出幅值比可达2.798，可以发现，仅仅通过改变耦合强度就能很方便的实现灵敏度大幅提高。
表3不同耦合强度下幅值比相对变化
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使响应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (3)
1.一种基于模态局部化效应的可调微质量传感器，其特征在于，包括：
第一固支梁，置于上方，其两端通过第一固定端固定；
第二固支梁，置于所述第一固支梁下方，其两端通过第二固定端固定；
所述第一固支梁与所述第二固支梁的长度均可变且二者非等长，
其中，所述第一固支梁与所述第二固支梁之间通过耦合电极静电耦合，第二固支梁通过固定激励电极调节驱动力；
所述耦合电极包括固定在所述第二固支梁的上表面的下耦合电极，和固定在所述第一固支梁的下表面的上耦合电极，所述下耦合电极的长度与所述上耦合电极的长度相等且小于所述第二固支梁的长度，所述固定激励电极的长度等于所述第二固支梁的长度，所述固定激励电极的宽度等于所述第二固支梁的宽度；所述固定激励电极与所述第二固支梁之间的距离小于所述第二固支梁与所述第一固支梁之间的距离，所述固定激励电极是完全固定的，所述固定激励电极由驱动电压源产生的交流电和直流电共同驱动。
2.根据权利要求1所述的基于模态局部化效应的可调微质量传感器，其特征在于，所述第一固支梁的长度大于所述第二固支梁的长度。
3.根据权利要求1所述的基于模态局部化效应的可调微质量传感器，其特征在于，所述下耦合电极的宽度与所述上耦合电极的宽度相等且等于所述第二固支梁的宽度。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110702555A (zh) | 2020-01-17 |
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