CN112325998B - 一种基于内共振的痕量物质传感器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于质量传感技术领域，尤其涉及一种基于内共振的痕量物质传感器及方法；其中微驱动器固定在L型支撑结构底部，低频谐振单元固定在L型支撑结构顶部，高频谐振单元固定在L型支撑结构右端，耦合单元分别固定在低频谐振单元下表面和高频谐振单元左表面，特异性吸附薄膜沉积在低频谐振单元右端上表面，低频谐振单元和高频谐振单元上分别固定有微换能器；对低频谐振单元的双谐振峰频率进行标定后将本传感器安装在待测物质所在环境氛围中，根据吸附前后高频谐振单元左、右传感频率之和计算所吸附痕量物质的质量，实现对质量灵敏度的两级放大和对驱动力波动噪声的共模抑制，突破现有技术的质量检测下限，实现千万分之一浓度痕量物质检测。

Description

一种基于内共振的痕量物质传感器及方法

技术领域

本发明属于质量传感技术领域，尤其涉及一种基于内共振的痕量物质传感器及方法。

背景技术

随着科学技术的发展，人们的生活水平在不断提高。然而近年来，环境污染、疾病预防、公共安全等诸多问题相继暴露而出。为了解决以上问题，对微量污染物、爆炸物、生物小分子等物质进行检测并做出预警是至关重要的。目前可用于实现微小质量检测的传感器主要有电学类、电化学类、光学类和谐振梁式等几大类。其中，谐振梁式传感器因稳定性高、结构简单、易于集成化和小型、成本低在诸如质量(气体、病毒、细胞、生物分子等)传感、力传感、电磁场传感等领域得到了广泛应用。但是，谐振式传感器的传感性能受到共振频率、品质因数、振动强度和噪声等多种因素的限制。为此，各国研究人员从工程和原理两个方面做了许多的工作。在工程上，主要采用超低温低温传感、真空封装和反馈激励来改善传感性能。在原理上，主要通过施加残余应力、机械边带激励、参数放大和相位同步来提高传感分辨率，以及利用单个或耦合微/纳米机械系统中的达芬分叉、参数共振、同步共振、和内共振等非线性振动原理实现灵敏度放大。上述工作都或多或少的提高了传感分辨率或灵敏度，但是对～sub-ppm(千万分之一)浓度物质的检测依然存在挑战，无法在易燃、易爆炸、有毒气体分子、病毒、花粉等物质的出现早期做出预警，大大减少了人们的预防和应对时间，可能会造成巨大的社会损失。

发明内容

为了克服上述问题，本发明面向极微小质量检测的迫切需求，提出一种基于内共振的痕量物质传感器及方法，利用非达芬谐振子之间的内共振对质量扰动的倍频差分放大效应，实现对质量灵敏度的两级放大和对驱动力波动噪声的共模抑制，突破现有技术的质量检测下限(～10^-24g)，实现～sub-ppm(千万分之一)浓度痕量物质检测。

一种基于内共振的痕量物质传感器，包括微驱动器1、L型支撑结构2、低频谐振单元3、高频谐振单元4、微换能器5、耦合单元6和特异性吸附薄膜7，其中微驱动器1固定在L型支撑结构2的底部，低频谐振单元3的左端固定在L型支撑结构2的顶部，高频谐振单元4的底部固定在L型支撑结构2的右端端部，且低频谐振单元3和高频谐振单元4的振动方向正交；耦合单元6的两部分分别固定在低频谐振单元3右端端部的下表面和高频谐振单元4顶端的左表面，特异性吸附薄膜7沉积在低频谐振单元3右端的上表面，低频谐振单元3和高频谐振单元4上分别固定有微换能器5。

所述微换能器5分别固定在低频谐振单元3和高频谐振单元4应变最大处的表面。

所述的微驱动器1为压电驱动器、静电驱动器、电磁驱动器、热驱动器、光驱动器、形状记忆合金驱动器或磁致伸缩驱动器。

所述L型支撑结构2包括底板21和侧板22，其中侧板22固定在底板21左端端部，底板21固定在微驱动器1上，低频谐振单元3的左端固定在侧板22的顶部，高频谐振单元4的底部固定在底板21的右端端部。

所述低频谐振单元3包括横向悬臂31和纵向悬臂32，其中两个横向悬臂31平行设置，且两个横向悬臂31的右端分别固定在纵向悬臂32下方的前后两端。

所述高频谐振单元4为矩形悬臂梁，且低频谐振单元3和高频谐振单元4的固有频率之比为1：2。

所述耦合单元6是由相同极性正对的主永磁铁601和副永磁铁602组成的磁耦合单元，其中主永磁铁601和副永磁铁602分别固定在低频谐振单元3右端端部的下表面和高频谐振单元4顶端的左表面。

所述的特异性吸附薄膜7根据待测物质的性质采用生物吸附、化学吸附或物理吸附沉积在低频谐振单元3右端的上表面。

所述微换能器5是由上电极501、压电层502和下电极503组成的压电换能器，其中压电层502固定在下电极503上，上电极501固定在压电层502上；

低频谐振单元3上固定的微换能器5是通过其上的下电极503固定在低频谐振单元3的横向悬臂31左端上方，高频谐振单元4上固定的微换能器5是通过其上的下电极503固定在高频谐振单元4的内端下方。

一种应用上述一种基于内共振的痕量物质传感器测量痕量物质质量的方法，包括以下步骤：

步骤一，对低频谐振单元3的双谐振峰频率进行标定：

在低频谐振单元3的固有频率ω₁附近，用微驱动器1以幅度为a_d，角频率为Ω的加速度升频扫描驱动整个传感器，低频谐振单元3和高频谐振单元4的固有频率ω₁和ω₂分别按下式计算：

其中：k₁是低频谐振单元3的线性刚度，k₂是高频谐振单元4的线性刚度，μ₀是空间磁导率，d为耦合单元6的主永磁铁601和副永磁铁602的初始中心距，M为低频谐振单元3的磁矩和高频谐振单元4的磁矩的标量值；

在非线性耦合力的作用下，高频谐振单元4与低频谐振单元3发生2：1内共振，低频谐振单元3的部分振动能量转移到高频谐振单元4，引起高频谐振单元4的倍频共振，因此，低频谐振单元3在其固有频率ω₁处的共振峰发生凹陷，而在固有频率ω₁的左右两侧出现两个对称的谐振峰；

通过安装在低频谐振单元3上的微换能器5对低频谐振单元3的该双谐振峰进行定位并通过傅里叶变换对该双谐振峰的频率进行标定，得到低频谐振单元3的左谐振峰传感频率ω_1L和低频谐振单元3的右谐振峰传感频率ω_1R；

通过安装在高频谐振单元4上的微换能器5检测低频谐振单元3的双谐振峰对应的高频谐振单元4的输出信号，并通过傅里叶变换计算高频谐振单元4的左传感频率ω_2L和右传感频率ω_2R；

步骤二，将本传感器安装在待测物质所在环境氛围中；

步骤三，在0.8ω₁到1.2ω₁的频率范围内循环升频扫描微驱动器1，且在升频过程中以升频间隔为0.0001ω₁不断计算低频谐振单元3的左谐振峰传感频率ω_1L和低频谐振单元3的右谐振峰传感频率ω_1R，如果双谐振峰频率之和ω_1L+ω_1R不断变化，说明特异性吸附薄膜7在不断吸附待测物质，待双谐振峰频率之和ω_1L+ω_1R稳定不变时，说明达到了吸附平衡，此时根据低频谐振单元3上微换能器5的输出电压标定吸附平衡时低频谐振单元3的双谐振峰频率ω_1L′和ω_1R′，并计算此时高频谐振单元4的的左传感频率ω_2L′和右传感频率ω_2R′；

步骤四，根据吸附前后高频谐振单元4的左、右传感频率之和ω_2L+ω_2R和ω_2L′+ω_2R′，按照下式计算所吸附痕量物质的质量：

本发明的有益效果：

1.利用内共振的差分效应和倍频响应，实现了灵敏度的四倍放大。

2.利用双谐振峰的共模抑制效应，极大的抑制了驱动力波动噪声对传感精度的影响。

3.具有无标签、高精度、便携、低成本、低功耗、快速传感的优点。

附图说明

图1为本发明实施例1基于内共振的痕量物质传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例1基于内共振的痕量物质传感器的侧视图；

图3为本发明实施例1基于内共振的痕量物质传感器的俯视图；

图4为本发明实施例1基于内共振的痕量物质传感器的微换能器结构示意图；

图5为本发明实施例1非达芬内共振系统的集总参数模型；

图6为本发明实施例1低频谐振单元和高频谐振单元的无量纲幅频特性曲线；

图7为本发明实施例1低频谐振单元和高频谐振单元在吸附一系列不同质量的物质后的无量纲幅频特性曲线；

图8为本发明实施例1低频谐振单元和高频谐振单元的无量纲时域振动曲线；

图9为本发明实施例1低频谐振单元和高频谐振单元在不同驱动力作用下的无量纲幅频特性曲线。

其中：1微驱动器、2L型支撑结构、3低频谐振单元、4高频谐振单元、5微换能器、501上电极、502压电层、503下电极、6耦合单元、601主永磁铁、602副永磁铁、7特异性吸附薄膜。

具体实施方式

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

实施例1

如图1和图2所示，一种基于内共振的痕量物质传感器，包括微驱动器1、L型支撑结构2、低频谐振单元3、高频谐振单元4、微换能器5、耦合单元6和特异性吸附薄膜7，其中微驱动器1固定在L型支撑结构2的底部，低频谐振单元3的左端固定在L型支撑结构2的顶部，高频谐振单元4的底部固定在L型支撑结构2的右端端部，且低频谐振单元3和高频谐振单元4的振动方向正交；耦合单元6的两部分分别固定在低频谐振单元3右端端部的下表面和高频谐振单元4顶端的左表面，特异性吸附薄膜7沉积在低频谐振单元3右端的上表面，低频谐振单元3和高频谐振单元4上分别固定有微换能器5。

所述微换能器5分别固定在低频谐振单元3和高频谐振单元4应变最大处的表面。

所述的微驱动器1为压电驱动器、静电驱动器、电磁驱动器、热驱动器、光驱动器、形状记忆合金(SMA)驱动器或磁致伸缩驱动器。

所述L型支撑结构2包括底板21和侧板22，其中侧板22固定在底板21左端端部，底板21固定在微驱动器1上，低频谐振单元3的左端固定在侧板22的顶部，高频谐振单元4的底部固定在底板21的右端端部。

所述低频谐振单元3为Π型悬臂梁，包括横向悬臂31和纵向悬臂32，其中两个横向悬臂31平行设置，且两个横向悬臂31的右端分别固定在纵向悬臂32下方的前后两端。

所述高频谐振单元4为矩形悬臂梁，且低频谐振单元3和高频谐振单元4的固有频率之比为1：2。

低频谐振单元3和高频谐振单元4亦可采用谐振盘、谐振腔、谐振薄膜等多种微谐振结构。

所述耦合单元6是由相同极性正对的主永磁铁601和副永磁铁602组成的磁耦合单元，其中主永磁铁601和副永磁铁602分别固定在低频谐振单元3右端端部的下表面和高频谐振单元4顶端的左表面。

所述耦合单元6为其他具有偶数次非线性力的耦合单元。

所述的特异性吸附薄膜7根据待测物质的性质采用生物吸附、化学吸附或物理吸附的特异性吸附原理沉积在低频谐振单元3右端的上表面。

如图4所示，所述微换能器5是由上电极501、压电层502和下电极503组成的三明治式压电换能器，其中压电层502固定在下电极503上，上电极501固定在压电层502上。

低频谐振单元3上固定的微换能器5是通过其上的下电极503固定在低频谐振单元3的横向悬臂31左端上方，高频谐振单元4上固定的微换能器5是通过其上的下电极503固定在高频谐振单元4的内端下方。

上电极501和下电极502均为金电极或者铂电极，压电层502为PVDF压电薄膜材料或PZT陶瓷材料。

所述微换能器5也可采用压阻、电容、光电等其他多种原理将低频谐振单元3和高频谐振单元4的振动信号转化为电压信号输出。

一种应用上述一种基于内共振的痕量物质传感器的方法，包括以下步骤：

1.对本传感器低频谐振单元3的双谐振峰频率进行标定：

图5为低频谐振单元3、高频谐振单元4和耦合单元6组成的非达芬内共振系统的集总参数模型。在低频谐振单元3的固有频率ω₁附近，用微驱动器1以a_d cos(Ωt)的加速度升频扫描驱动整个传感器，低频谐振单元3和高频谐振单元4的运动方程及二者之间的磁耦合力F_mag的表达式分别为：

其中，其中，

为偏微分符号，t为时间；y、x分别是低频谐振单元3、高频谐振单元4的位移；m₁、k₁、c₁分别是低频谐振单元3的有效质量、线性刚度、线性阻尼，m₂、k₂、c₂分别是高频谐振单元4的有效质量、线性刚度、线性阻尼，F_magx、F_magy分别为磁耦合力F_mag的水平分量和竖直分量；μ₀是空间磁导率，M₁为低频谐振单元3的磁矩，M₂为高频谐振单元4的磁矩，r是磁铁间的空间矢量；

和r分别是r的单位矢量和标量形式；化简磁耦合力并摒弃三次及更高次非线性项可得：

其中，M为M₁和M₂的标量值，d为为耦合单元6的主永磁铁601和副永磁铁602的初始中心距。因此，低频谐振单元3和高频谐振单元4的固有频率ω₁和ω₂分别为：

在非线性耦合力的作用下，高频谐振单元4与低频谐振单元3发生2：1内共振。为了研究不受谐振单元尺寸限制的一般化内共振现象，通过新的时间尺度τ(τ＝ω₁t)对运动方程进行无量纲化处理：

其中，τ就是一个新的时间尺度，根据公式：τ＝ω₁t进行的时间尺度变换，ε是一个极小量，ω_1,0＝1，

Ω为驱动频率。

通过多尺度法对无量纲运动方程进行推导，获得如下一阶近似稳态方程组：

其中，a₁、a₂、γ₁、γ₂分别为低频谐振单元3和高频谐振单元4的位移和相位；σ₁＝(ω₂-2ω₁)/ε，σ＝Ω-ω₁。

通过Matlab对一阶近似稳态方程组进行雅可比迭代求解，可得低频谐振单元3和高频谐振单元4的幅频特性曲线，如图6所示。由于内共振的发生，低频谐振单元3的部分振动能量转移到高频谐振单元4，引起高频谐振单元4的倍频共振。因此，低频谐振单元3在其固有频率ω₁处的共振峰发生凹陷，而在固有频率ω₁的左右两侧出现两个对称的谐振峰，通过安装在低频谐振单元3上的微换能器5对低频谐振单元3的该双谐振峰进行定位并通过傅里叶变换对该双谐振峰的频率进行标定，得到低频谐振单元3的左谐振峰传感频率ω_1L和低频谐振单元3的右谐振峰传感频率ω_1R，且易得ω_1L+ω_1R＝2ω₁。在内共振区间(ω_1L<Ω<ω_1R)内，高频谐振单元4吸收低频振动单元3的振动能并发生倍频共振，其振动频率锁定为低频谐振单元3振动频率的二倍，如图7所示。通过安装在高频谐振单元4上的微换能器5的输出电压对低频谐振单元3的双谐振峰进行标定，并通过傅里叶变换计算低频谐振单元3的双谐振峰峰值处高频谐振单元4的左传感频率ω_2L和右传感频率ω_2R；将左、右传感频率之和(ω_2L+ω_2R＝4ω₁)用于传感。即微换能器5用于测得并输出低频谐振单元3的双谐振峰峰值和双谐振峰峰值处高频谐振单元4的左传感频率ω_2L和右传感频率振动频率ω_2R；

2.将本传感器安装在待测物质所在环境氛围中；

如果出现双谐振峰不断发生变化，但始终围绕固有频率ω₁保持对称(ω_1L+ω_1R＝2ω₁)说明驱动力发生波动但无待测物质被吸附，如图8所示，当无量纲驱动力在5到9之间波动时，双谐振峰幅值同步发生改变，且峰值频率始终围绕固有频率ω₁保持对称，所以左、右传感频率之和ω_2L+ω_2R始终保持为4ω₁不变，本方法共模抑制甚至消除了驱动力波动噪声对传感精度的影响。

3.在0.8ω₁到1.2ω₁的频率范围内循环升频扫描微驱动器1，且在升频过程中以升频间隔为0.0001ω₁不断计算低频谐振单元3的左谐振峰传感频率ω_1L和低频谐振单元3的右谐振峰传感频率ω_1R，如果双谐振峰频率之和ω_1L+ω_1R不断变化，说明特异性吸附薄膜7在不断吸附待测物质，待待一段时间双谐振峰频率之和ω_1L+ω_1R稳定不变时，传感器达到吸附平衡，升频扫描传感器并输出微换能器5的输出电压，根据低频谐振单元3上微换能器5的输出电压通过傅里叶变换标定低频谐振单元3新的双谐振峰频率ω_1L′和ω_1R′，并输出此时高频谐振单元4的左、右传感频率ω_2L′和ω_2R′，其中ω_2L′＝2ω_1L′和ω_2R′＝2ω_1R′。

3.根据吸附前后高频谐振单元4的左、右传感频率之和ω_2L+ω_2R、ω_2L′+ω_2R′，计算所吸附痕量物质的质量：

图9为低频谐振单元3和高频谐振单元4在吸附一系列不同质量的物质后的无量纲幅频特性曲线。可知双谐振峰频率在吸附物质之后同向偏移，二者之和差分放大了灵敏度。左、右传感频率之和进一步倍频差分放大了吸附物质导致的频率偏移量ω_2L′+ω_2R′≈4ω₁′，实现灵敏度的四倍放大。

实施例2

与实施例1相同，区别在于所述耦合单元6为主电极板和副电极板组成的静电耦合单元，其中主电极板和副电极板分别固定在低频谐振单元3的纵向悬臂32右端端面和高频谐振单元4顶端的左表面，形成平行电容结构。

微换能器5为压阻式微换能器，是由恒压源、金属压阻应变片、正电极和负电极组成。金属压阻应变片贴在低频谐振单元、高频谐振单元表面，金属压阻应变片的两端分别设有正电极和负电极，用于连接恒压源形成电路回路和检测金属压阻应变片的端部电压。

实施例3

与实施例1相同，区别在于所述耦合单元6为减法器和放大器顺序连接组成的电路耦合单元，其中减法器的两个输入端分别固定连接在低频谐振单元3和高频谐振单元4表面的微换能器5上；放大器的输出端连接在微驱动器1上。

微换能器5为电容式微换能器，为由振荡电路、传感电容、固定电容、检测电路组成的电路回路；其中，传感电容由固定在低频谐振单元3、高频谐振单元4表面的移动电极板和固定在L型支撑结构2表面的固定电极板构成位移型平行电容换能结构；检测电路可采用电桥电路或运算放大器式电路。

实施例4

与实施例1相同，区别在于微换能器5为光电式微换能器，由发送器、接收器和检测电路组成。其中，发送器对准低频谐振单元3、高频谐振单元4的自由端。

Claims (1)

1.一种基于内共振的痕量物质传感器测量痕量物质质量的方法，其中使用的基于内共振的痕量物质传感器包括微驱动器(1)、L型支撑结构(2)、低频谐振单元(3)、高频谐振单元(4)、微换能器(5)、耦合单元(6)和特异性吸附薄膜(7)，其中微驱动器(1)固定在L型支撑结构(2)的底部，低频谐振单元(3)的左端固定在L型支撑结构(2)的顶部，高频谐振单元(4)的底部固定在L型支撑结构(2)的右端端部，且低频谐振单元(3)和高频谐振单元(4)的振动方向正交；耦合单元(6)的两部分分别固定在低频谐振单元(3)右端端部的下表面和高频谐振单元(4)顶端的左表面，特异性吸附薄膜(7)沉积在低频谐振单元(3)右端的上表面，低频谐振单元(3)和高频谐振单元(4)上分别固定有微换能器(5)；

其特征在于方法包括以下步骤：

步骤一，对低频谐振单元(3)的双谐振峰频率进行标定：

在低频谐振单元(3)的固有频率ω₁附近，用微驱动器(1)以幅度为a_d，角频率为Ω的加速度升频扫描驱动整个传感器，低频谐振单元(3)和高频谐振单元(4)的固有频率ω₁和ω₂分别按下式计算：

其中：k₁是低频谐振单元(3)的线性刚度，k₂是高频谐振单元(4)的线性刚度，μ₀是空间磁导率，d为耦合单元(6)的主永磁铁(601)和副永磁铁(602)的初始中心距，M为低频谐振单元(3)的磁矩和高频谐振单元(4)的磁矩的标量值；

在非线性耦合力的作用下，高频谐振单元(4)与低频谐振单元(3)发生2：1内共振，低频谐振单元(3)的部分振动能量转移到高频谐振单元(4)，引起高频谐振单元(4)的倍频共振，因此，低频谐振单元(3)在其固有频率ω₁处的共振峰发生凹陷，而在固有频率ω₁的左右两侧出现两个对称的谐振峰即双谐振峰；

通过安装在低频谐振单元(3)上的微换能器(5)对低频谐振单元(3)的该双谐振峰进行定位并通过傅里叶变换对该双谐振峰的频率进行标定，得到低频谐振单元(3)的左谐振峰传感频率ω_1L和低频谐振单元(3)的右谐振峰传感频率ω_1R；

通过安装在高频谐振单元(4)上的微换能器(5)检测低频谐振单元(3)的双谐振峰对应的高频谐振单元(4)的输出信号，并通过傅里叶变换计算高频谐振单元(4)的左传感频率ω_2L和右传感频率ω_2R；

步骤二，将本传感器安装在待测物质所在环境氛围中；

步骤三，在0.8ω₁到1.2ω₁的频率范围内循环升频扫描微驱动器(1)，且在升频过程中以升频间隔为0.0001ω₁不断计算低频谐振单元(3)的左谐振峰传感频率ω_1L和低频谐振单元(3)的右谐振峰传感频率ω_1R，如果双谐振峰频率之和ω_1L+ω_1R不断变化，说明特异性吸附薄膜(7)在不断吸附待测物质，待双谐振峰频率之和ω_1L+ω_1R稳定不变时，说明达到了吸附平衡，此时根据低频谐振单元(3)上微换能器(5)的输出电压标定吸附平衡时低频谐振单元(3)的双谐振峰频率ω_1L′和ω_1R′，并计算此时高频谐振单元(4)的左传感频率ω_2L′和右传感频率ω_2R′；

步骤四，根据吸附前后高频谐振单元(4)的左、右传感频率之和ω_2L+ω_2R和ω_2L′+ω_2R′，按照下式计算所吸附痕量物质的质量：

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