CN112697239A - 一种基于内共振的微量物质和驱动力同步传感器及方法 - 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微量物质和驱动力同步传感器及方法；其中微驱动器固定在基座底部，达芬低频谐振单元固定在基座顶部，线性高频谐振单元底部固定在基座右端，且达芬低频谐振单元和线性高频谐振单元的振动方向正交；振动耦合单元的两部分分别固定在达芬低频谐振单元右端和线性高频谐振单元顶端，特异性吸附层沉积在线性高频谐振单元右表面，且达芬低频谐振单元和线性高频谐振单元上分别固定有微换能器；利用达芬低频谐振子和线性高频谐振子之间的内共振，使达芬低频谐振子的幅频特性曲线出现凹陷和跳变，通过凹陷频率和幅值跳变频率分别实现对微量物质和驱动力传感，并通过倍频响应实现灵敏度放大。

Description

一种基于内共振的微量物质和驱动力同步传感器及方法

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微量物质和驱动力同步传感器及方法。

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、光学类和谐振式等几大类。其中，微纳谐振器因稳定性高、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。在线性振动范围内，微纳谐振器的振动水平的受到驱动强度的限制通常比较小，可能会被热噪声严重干扰甚至淹没，从而使信号检测十分困难。为了提高分辨率和灵敏度，通过提高驱动强度使微纳谐振器进入非线性振动区域。由于谐振器本身的达芬非线性、静电非线性驱动力和其他非线性物理量的存在，微纳谐振器表现出丰富的非线性运动行为。各种基于阻尼调节、参数驱动、参数反馈、相位同步、模态局部化、双稳态振动和内共振等非线性现象的分辨率增强机制，以及各种基于达芬分叉、双稳态振动、参数共振放大和内共振等非线性现象的灵敏度放大机制被广泛研究并运用于微量物质检测。

上述工作都或多或少的提高了传感分辨率或灵敏度，但是由于达芬非线性导致的频率对幅值的依赖性，它们对外界噪声和驱动力波动的频率稳定性都相当低，从而大大降低了测量结果的可靠性和真实性。

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微量物质和驱动力同步传感器及方法，利用达芬低频谐振子和线性高频谐振子之间的内共振，使达芬低频谐振子的幅频特性曲线出现凹陷和跳变，且线性高频谐振子发生倍频响应。通过凹陷频率和幅值跳变频率分别实现对微量物质和驱动力传感，并通过倍频响应实现灵敏度放大。不仅实现了对微量物质和驱动力的同步检测，还避免了驱动力波动对微量物质传感的影响。

一种基于内共振的微量物质和驱动力同步传感器，包括微驱动器1、基座2、达芬低频谐振单元3、线性高频谐振单元4、微换能器5、振动耦合单元6和特异性吸附层7，其中微驱动器1固定在基座2的底部，达芬低频谐振单元3的左端固定在基座2的顶部，线性高频谐振单元4的底部固定在基座2的右端端部，且达芬低频谐振单元3和线性高频谐振单元4 的振动方向正交；振动耦合单元6的两部分分别固定在达芬低频谐振单元3右端端部的上表面和线性高频谐振单元4顶端的左表面，特异性吸附层7沉积在线性高频谐振单元4右表面，且达芬低频谐振单元3和线性高频谐振单元4上分别固定有微换能器5。

所述微换能器5分别固定在达芬低频谐振单元3和线性高频谐振单元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。

所述基座2包括底板201和侧板202，其中侧板202固定在底板201左端端部，底板201 固定在微驱动器1上，达芬低频谐振单元3的左端固定在侧板202内侧的顶部，线性高频谐振单元4的底部固定在底板201的右端端部。

所述线性高频谐振单元4为Π型悬臂梁，包括横向悬臂401和纵向悬臂402，其中两个横向悬臂401平行设置，且两个横向悬臂401的右端顶部分别固定在纵向悬臂402下方的前后两端。

所述达芬低频谐振单元3为矩形悬臂梁，且达芬低频谐振单元3和线性高频谐振单元4 的固有频率之比为1：2。

所述振动耦合单元6是由相同极性正对的主永磁铁601和副永磁铁602组成的磁振动耦合单元，其中主永磁铁601和副永磁铁602分别固定在达芬低频谐振单元3右端端部的上表面和线性高频谐振单元4顶端的左表面。

所述的特异性吸附层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线性高频谐振单元4的纵向悬臂402右表面。

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；

达芬低频谐振单元3上固定的微换能器5是通过其上的下电极503固定在达芬低频谐振单元3的右端上方，线性高频谐振单元4上固定的微换能器5是通过其上的下电极503固定在线性高频谐振单元4的横向悬臂401内侧下方。

一种应用上述一种基于内共振的微量物质和驱动力同步传感器对微量物质和驱动力同步检测的方法，包括以下步骤：

步骤一，对本传感器的质量传感频率、幅值跳变频率、质量检测频率、驱动力传感频率进行标定：

在达芬低频谐振单元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，达芬低频谐振单元3和线性高频谐振单元4的固有频率ω₁和ω₂分别按下式计算：

其中：k₁是达芬低频谐振单元3的线性刚度，k₂是线性高频谐振单元4的线性刚度，μ₀是空间磁导率，d为振动耦合单元6的主永磁铁601和副永磁铁602的初始中心距，M为达芬低频谐振单元3的磁矩和线性高频谐振单元4的磁矩的标量值，a_d为幅值，Ω为频率，t 为时间；

在非线性耦合力的作用下，线性高频谐振单元4与达芬低频谐振单元3发生2：1内共振，达芬低频谐振单元3的部分振动能量转移到线性高频谐振单元4，引起线性高频谐振单元4的倍频共振；因此，达芬低频谐振单元3的幅频特性曲线发生凹陷且在凹陷右边的频率点ω_j发生幅值跳变；

通过安装在达芬低频谐振单元3上的微换能器5对达芬低频谐振单元3的幅频特性曲线的凹陷频率进行定位并通过傅里叶变换进行标定，此处用该凹陷频率进行质量传感，故该凹陷频率即为本传感器的质量传感频率ω_ms；通过安装在线性高频谐振单元4上的微换能器5 输出此时的电压信号并进行傅里叶变换，标定线性高频谐振单元4的振动频率，此处用该振动频率进行质量检测，故该振动频率即为本传感器的质量检测频率ω_md；线性高频谐振单元 4的幅值跳变频率锁定为达芬低频谐振单元3的幅值跳变频率ω_j的二倍，通过安装在线性高频谐振单元4上的微换能器5对线性高频谐振单元4的幅值跳变频率进行定位并通过傅里叶变换进行标定，该线性高频谐振单元4的幅值跳变频率被用于驱动力传感，故线性高频谐振单元4的幅值跳变频率即为本传感器的驱动力传感频率ω_F，ω_F＝2ω_j；

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1.5ω₁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不断计算达芬质量传感频率ω_ms和幅值跳变频率ω_j；

如果质量传感频率ω_ms不断变化，说明特异性吸附层7在不断吸附待测物质，待质量传感频率ω_ms稳定不变时，传感器达到吸附平衡，重新用微驱动器1以a_d cos(Ωt)的加速度升频扫描传感器并实时输出整个升频过程中每个时刻微换能器5的输出电压，根据达芬低频谐振单元3上微换能器5的输出电压通过傅里叶变换标定达芬低频谐振单元3每个时刻新的质量传感频率ω_ms′，并标定对应时刻线性高频谐振单元4新的质量检测频率ω_md′；根据吸附前后线性高频谐振单元4线的质量检测频率ω_md和ω_md′，按照下式计算每个时刻所吸附微量物质的质量：

如果幅值跳变频率ω_j发生变化，说明微驱动器1驱动加速度的幅值a_d在上下波动，输出幅值跳变频率ω_j发生变化的时刻微换能器5的输出电压，通过安装在线性高频谐振单元4 上的微换能器5对新的驱动力传感频率ω_F′进行定位并通过傅里叶变换进行标定，根据新的驱动力传感频率ω_F′计算此时微驱动器1驱动加速度的幅值a_d′：

本发明的有益效果：

1.利用达芬振子的内共振，消除了驱动力波动对质量传感精度的影响。

2.利用达芬振子的内共振，实现了微量物质和驱动力的同步检测。

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基于内共振的微量物质和驱动力同步传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例1基于内共振的微量物质和驱动力同步传感器的侧视图；

图3为本发明实施例1基于内共振的微量物质和驱动力同步传感器的剖视图；

图4为本发明实施例1基于内共振的微量物质和驱动力同步传感器的俯视图；

图5为本发明实施例1内共振系统的集总参数模型；

图6为本发明实施例1达芬低频谐振单元和线性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达芬低频谐振单元和线性高频谐振单元的无量纲时域振动曲线；

图8为本发明实施例1达芬低频谐振单元和线性高频谐振单元的振动曲线的无量纲频谱图；

图9为本发明实施例1达芬低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10为本发明实施例1达芬低频谐振单元在不同驱动力作用下的无量纲幅频特性曲线；

图11为本发明实施例2基于内共振的微量物质和驱动力同步传感器的结构示意图；

图12为本发明实施例1微换能器的结构示意图。

其中：1微驱动器、2基座、201底板、202侧板、3达芬低频谐振单元、4线性高频谐振单元、401横向悬臂、402纵向悬臂、5微换能器、501上电极、502压电层、503下电极、6振动耦合单元、601主永磁铁、602副永磁铁、7特异性吸附层。

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。

一种基于内共振的微量物质和驱动力同步传感器，包括微驱动器1、基座2、达芬低频谐振单元3、线性高频谐振单元4、微换能器5、振动耦合单元6和特异性吸附层7，其中微驱动器1固定在基座2的底部，达芬低频谐振单元3的左端固定在基座2的顶部，线性高频谐振单元4的底部固定在基座2的右端端部，且达芬低频谐振单元3和线性高频谐振单元4 的振动方向正交；振动耦合单元6的两部分分别固定在达芬低频谐振单元3右端端部的上表面和线性高频谐振单元4顶端的左表面，特异性吸附层7沉积在线性高频谐振单元4右表面，且达芬低频谐振单元3和线性高频谐振单元4上分别固定有微换能器5。

所述微换能器5分别固定在达芬低频谐振单元3和线性高频谐振单元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。

所述基座2包括底板201和侧板202，其中侧板202固定在底板201左端端部，底板201 固定在微驱动器1上，达芬低频谐振单元3的左端固定在侧板202内侧的顶部，线性高频谐振单元4的底部固定在底板201的右端端部。

所述线性高频谐振单元4为Π型悬臂梁，包括横向悬臂401和纵向悬臂402，其中两个横向悬臂401平行设置，且两个横向悬臂401的右端顶部分别固定在纵向悬臂402下方的前后两端。

所述达芬低频谐振单元3为矩形悬臂梁，且达芬低频谐振单元3和线性高频谐振单元4 的固有频率之比为1：2。

所述振动耦合单元6是由相同极性正对的主永磁铁601和副永磁铁602组成的磁振动耦合单元，其中主永磁铁601和副永磁铁602分别固定在达芬低频谐振单元3右端端部的上表面和线性高频谐振单元4顶端的左表面。

所述的特异性吸附层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线性高频谐振单元4的纵向悬臂402右表面。

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；

达芬低频谐振单元3上固定的微换能器5是通过其上的下电极503固定在达芬低频谐振单元3的右端上方，线性高频谐振单元4上固定的微换能器5是通过其上的下电极503固定在线性高频谐振单元4的横向悬臂401内侧下方。

一种应用上述一种基于内共振的微量物质和驱动力同步传感器对微量物质和驱动力同步检测的方法，包括以下步骤：

步骤一，对本传感器的质量传感频率、幅值跳变频率、质量检测频率、驱动力传感频率进行标定：

在达芬低频谐振单元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，达芬低频谐振单元3和线性高频谐振单元4的固有频率ω₁和ω₂分别按下式计算：a_d为幅值，Ω为频率，t为时间；

其中：k₁是达芬低频谐振单元3的线性刚度，k₂是线性高频谐振单元4的线性刚度，μ₀是空间磁导率，d为振动耦合单元6的主永磁铁601和副永磁铁602的初始中心距，M为达芬低频谐振单元3的磁矩和线性高频谐振单元4的磁矩的标量值；

在非线性耦合力的作用下，线性高频谐振单元4与达芬低频谐振单元3发生2：1内共振，达芬低频谐振单元3的部分振动能量转移到线性高频谐振单元4，引起线性高频谐振单元4的倍频共振；因此，达芬低频谐振单元3的幅频特性曲线发生凹陷且在凹陷右边的频率点ω_j发生幅值跳变；

通过安装在达芬低频谐振单元3上的微换能器5对达芬低频谐振单元3的幅频特性曲线的凹陷频率进行定位并通过傅里叶变换进行标定，此处用该凹陷频率进行质量传感，故该凹陷频率即为本传感器的质量传感频率ω_ms；通过安装在线性高频谐振单元4上的微换能器5 输出此时的电压信号并进行傅里叶变换，标定线性高频谐振单元4的振动频率，此处用该振动频率进行质量检测，故该振动频率即为本传感器的质量检测频率ω_md；由于线性高频谐振单元4与达芬低频谐振单元3发生2：1内共振，故线性高频谐振单元4的幅值跳变频率锁定为达芬低频谐振单元3的幅值跳变频率ω_j的二倍，通过安装在线性高频谐振单元4上的微换能器5对线性高频谐振单元4的幅值跳变频率进行定位并通过傅里叶变换进行标定，该线性高频谐振单元4的幅值跳变频率被用于驱动力传感，故线性高频谐振单元4的幅值跳变频率即为本传感器的驱动力传感频率ω_F，ω_F＝2ω_j；

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1.5ω₁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不断计算达芬低频谐振单元3的质量传感频率ω_ms和幅值跳变频率ω_j；

如果质量传感频率ω_ms不断变化，(此时ω_j可以是变化的，也可以是不变的，取决于驱动力是否发生波动)说明特异性吸附层7在不断吸附待测物质，待一段时间后质量传感频率ω_ms稳定不变时，传感器达到吸附平衡，重新用微驱动器1以a_d cos(Ωt)的加速度升频扫描传感器并实时输出整个升频过程中每个时刻微换能器5的输出电压，根据达芬低频谐振单元3 上微换能器5的输出电压通过傅里叶变换标定达芬低频谐振单元3每个时刻新的质量传感频率ω_ms′，并标定对应时刻线性高频谐振单元4新的质量检测频率ω_md′；根据吸附前后线性高频谐振单元4线的质量检测频率ω_md和ω_md′，按照下式计算每个时刻所吸附微量物质的质量：

如果幅值跳变频率ω_j发生变化，(此时ω_ms可以是变化的，也可以是不变的，取决于吸附层有没有吸附物质)说明微驱动器1驱动加速度的幅值a_d在上下波动，输出幅值跳变频率ω_j发生变化的时刻微换能器5的输出电压，通过安装在线性高频谐振单元4上的微换能器5对新的驱动力传感频率ω_F′进行定位并通过傅里叶变换进行标定，根据新的驱动力传感频率ω_F′计算此时微驱动器1驱动加速度的幅值a_d′：

检测驱动力加速度的幅值是为了检测驱动力的波动情况，因为驱动力是否稳定对传感器来说也很关键。

实施例1

如图1和图2所示，一种基于内共振的微量物质和驱动力同步传感器，包括微驱动器1、基座2、达芬低频谐振单元3、线性高频谐振单元4、微换能器5、振动耦合单元6和特异性吸附层7，其中微驱动器1固定在基座2的底部，达芬低频谐振单元3的左端固定在基座2 的顶部，线性高频谐振单元4的底部固定在基座2的右端端部，且达芬低频谐振单元3和线性高频谐振单元4的振动方向正交；振动耦合单元6的两部分分别固定在达芬低频谐振单元 3右端端部的上表面和线性高频谐振单元4顶端的左表面，特异性吸附层7沉积在线性高频谐振单元4右表面，达芬低频谐振单元3和线性高频谐振单元4上分别固定有微换能器5。

所述微换能器5分别固定在达芬低频谐振单元3和线性高频谐振单元4应变最大处的表面。

所述微换能器5分别固定在达芬低频谐振单元3和线性高频谐振单元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。

所述基座2包括底板201和侧板202，其中侧板202固定在底板201左端端部，底板201 固定在微驱动器1上，达芬低频谐振单元3的左端固定在侧板202的顶部，线性高频谐振单元4的底部固定在底板201的右端端部。

所述线性高频谐振单元4为Π型悬臂梁，包括横向悬臂401和纵向悬臂402，其中两个横向悬臂401平行设置，且两个横向悬臂401的右端分别固定在纵向悬臂402下方的前后两端，如图3所示。

所述达芬低频谐振单元3为矩形悬臂梁，且达芬低频谐振单元3和线性高频谐振单元4 的固有频率之比为1：2。

所述达芬低频谐振单元3和线性高频谐振单元4亦可采用谐振盘、谐振腔、谐振薄膜等多种微谐振结构。

所述振动耦合单元6是由相同极性正对的主永磁铁601和副永磁铁602组成的磁振动耦合单元，其中主永磁铁601和副永磁铁602分别固定在达芬低频谐振单元3右端端部的上表面和线性高频谐振单元4顶端的左表面。

所述振动耦合单元6也可采用机械耦合、静电耦合、电路耦合等多其他非线性振动耦合方式。

所述的特异性吸附层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达芬低频谐振单元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；

达芬低频谐振单元3上固定的微换能器5是通过其上的下电极503固定在达芬低频谐振单元3的右端上方，线性高频谐振单元4上固定的微换能器5是通过其上的下电极503固定在线性高频谐振单元4的横向悬臂401内侧下方。

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达芬低频谐振单元3和线性高频谐振单元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微量物质和驱动力同步传感器的方法，包括以下步骤： 1.对本传感器的质量传感频率、幅值跳变频率、质量检测频率、驱动力传感频率进行标定：

图5为达芬低频谐振单元3、线性高频谐振单元4和振动耦合单元6组成的达芬内共振系统的集总参数模型。在达芬低频谐振单元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，达芬低频谐振单元3和线性高频谐振单元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，

为偏微分符号，t为时间；y、x分别是达芬低频谐振单元3、线性高频谐振单元 4的位移；m₁、k₁、χ₁、c₁分别是达芬低频谐振单元3的有效质量、线性刚度、非线性刚度和线性阻尼，m₂、k₂、c₂分别是线性高频谐振单元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为达芬低频谐振单元3的磁矩，M₂为线性高频谐振单元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；其中，F_magx、F_magy的表达式分别为：

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为振动耦合单元6的主永磁铁601和副永磁铁602 的初始中心距。因此，达芬低频谐振单元3和线性高频谐振单元4的固有频率ω₁和ω₂分别为：

在非线性耦合力的作用下，线性高频谐振单元4与达芬低频谐振单元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

对运动方程进行无量纲化处理：

其中，ε是一个极小量，根据公式：

进行的时间尺度变换，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分别为达芬低频谐振单元3和线性高频谐振单元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，可得达芬低频谐振单元3和线性高频谐振单元4的幅频特性曲线，如图6所示。由于内共振的发生，达芬低频谐振单元3的部分振动能量转移到线性高频谐振单元4，引起线性高频谐振单元4的倍频共振。因此，达芬低频谐振单元3的幅频特性曲线发生凹陷且在凹陷右边的频率点ω_j发生幅值跳变。线性高频谐振单元4吸收低频振动单元3的振动出现类似矩形的幅频特性曲线，且振动频率锁定为达芬低频谐振单元3振动频率的二倍，如图7和图8所示。凹陷频率始终等于线性高频谐振单元4的固有频率的ω₂一半，且此处用该凹陷频率进行质量传感，故该凹陷频率即定义为本传感器的质量传感频率ω_ms，其表达式为：

通过安装在达芬低频谐振单元3上的微换能器5对达芬低频谐振单元3的质量传感频率ω_ms进行定位并通过傅里叶变换进行标定。通过安装在线性高频谐振单元4上的微换能器5 输出此时的电压信号并进行傅里叶变换，标定线性高频谐振单元4的振动频率，且此处用该振动频率进行质量检测，故该振动频率即定义为质量检测频率ω_md：

达芬低频谐振单元3的幅值跳变频率ω_j依赖于自身的有效质量、线性刚度、非线性刚度，以及驱动幅值。假设线性高频谐振单元4的运动方程的解形式为y＝A₁cos(Ωt+φ₁)，其中 A₁，φ₁分别为线性高频谐振单元4的振动幅值，和振动相位与驱动相位的相位差。通过谐波平衡法可求得幅值跳变频率ω_j的解析表达式为：

线性高频谐振单元4的幅值跳变频率锁定为达芬低频谐振单元3的幅值跳变频率ω_j的二倍，被用于驱动力传感且定义驱动力传感频率ω_F，ω_F＝2ω_j。通过安装在线性高频谐振单元4上的微换能器5对驱动力传感频率ω_F进行定位并通过傅里叶变换进行标定。

2.将本传感器安装在待测物质所在环境氛围中；

3.在0.8ω₁到1.5ω₁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不断计算达芬低频谐振单元3的质量传感频率ω_ms和幅值跳变频率ω_j。

a.如果质量传感频率ω_ms不断变化(此时ω_j可以是变化的，也可以是不变的，取决于驱动力是否发生波动)，说明特异性吸附层7在不断吸附待测物质，待一段时间后质量传感频率ω_ms稳定不变时，传感器达到吸附平衡，重新用微驱动器1以a_d cos(Ωt)的加速度升频扫描传感器并输出微换能器5的输出电压，根据达芬低频谐振单元3上微换能器5的输出电压通过傅里叶变换标定达芬低频谐振单元3新的质量传感频率ω_ms′，并输出此时线性高频谐振单元4新的质量检测频率ω_md′。根据吸附前后线性高频谐振单元4线的质量检测频率ω_md和ω_md′，计算所吸附微量物质的质量：

b.如果幅值跳变频率ω_j发生变化(此时ω_ms可以是变化的，也可以是不变的，取决于吸附层有没有吸附物质)，说明微驱动器1驱动加速度的幅值a_d在上下波动。输出幅值跳变频率ω_j发生变化的时刻微换能器5的输出电压，通过安装在线性高频谐振单元4上的微换能器5对新的驱动力传感频率ω_F′进行定位并通过傅里叶变换进行标定。根据新的驱动力传感频率ω_F′计算此时的驱动加速度的幅值a_d′：

图9为达芬低频谐振单元3和线性高频谐振单元4在吸附一系列不同质量的微量物质后的无量纲幅频特性曲线。可知质量传感频率ω_ms和质量检测频率ω_md单调减小，但幅值跳变频率ω_j和驱动力传感频率ω_F几乎保持不变。验证了微量物质传感的有效性，并且微量物质传感对驱动力传感没有影响。图10为达芬低频谐振单元3和线性高频谐振单元4在一系列不同大小驱动力作用下的无量纲幅频特性曲线。可知幅值跳变频率ω_j和驱动力传感频率ω_F随着驱动力幅值增大而单调增大，但质量传感频率ω_ms和质量检测频率ω_md几乎保持不变。验证了驱动力传感的有效性，并且驱动力传感对微量物质传感没有影响。

检测驱动力加速度的幅值是为了检测驱动力的波动情况，因为驱动力是否稳定对传感器来说也很关键。

实施例2

与实施例1相同，区别在于所述振动耦合单元6为机械耦合单元。如图11所示，达芬低频谐振单元3为矩形悬臂梁结构，线性高频谐振单元4为变截面矩形悬臂梁结构，二者的根部都固定在侧板202的顶部。振动耦合单元6根部固定于在侧板202的顶部，一侧连接达芬低频谐振单元3的内侧端面，另一侧连接线性高频谐振单元4的内侧端面。

本实施例中的线性高频谐振单元4与实施例1中的线性高频谐振单元4的基本物理原理是相同的，该线性高频谐振单元4的幅频曲线与实施例1中的图9图10基本一样。

实施例3

与实施例1相同，区别在于所述振动耦合单元6为主电极板和副电极板组成的静电振动耦合单元，其中主电极板和副电极板分别固定在达芬低频谐振单元3的右端端面和线性高频谐振单元4顶端的纵向悬臂402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达芬低频谐振单元3、线性高频谐振单元4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4

与实施例1相同，区别在于所述振动耦合单元6为减法器和放大器顺序连接组成的电路振动耦合单元，其中减法器的两个输入端分别固定连接在达芬低频谐振单元3和线性高频谐振单元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，传感电容由固定在达芬低频谐振单元3、线性高频谐振单元4表面的移动电极板和固定在基座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5

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，发送器对准达芬低频谐振单元3、线性高频谐振单元4的自由端。

Claims (10)

1.一种基于内共振的微量物质和驱动力同步传感器，其特征在于包括微驱动器(1)、基座(2)、达芬低频谐振单元(3)、线性高频谐振单元(4)、微换能器(5)、振动耦合单元(6)和特异性吸附层(7)，其中微驱动器(1)固定在基座(2)的底部，达芬低频谐振单元(3)的左端固定在基座(2)的顶部，线性高频谐振单元(4)的底部固定在基座(2)的右端端部，且达芬低频谐振单元(3)和线性高频谐振单元(4)的振动方向正交；振动耦合单元(6)的两部分分别固定在达芬低频谐振单元(3)右端端部的上表面和线性高频谐振单元(4)顶端的左表面，特异性吸附层(7)沉积在线性高频谐振单元(4)右表面，且达芬低频谐振单元(3)和线性高频谐振单元(4)上分别固定有微换能器(5)。

2.根据权利要求1所述的一种基于内共振的微量物质和驱动力同步传感器，其特征在于所述微换能器(5)分别固定在达芬低频谐振单元(3)和线性高频谐振单元(4)应变最大处的表面。

3.根据权利要求2所述的一种基于内共振的微量物质和驱动力同步传感器，其特征在于所述的微驱动器(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。

4.根据权利要求3所述的一种基于内共振的微量物质和驱动力同步传感器，其特征在于所述基座(2)包括底板(201)和侧板(202)，其中侧板(202)固定在底板(201)左端端部，底板(201)固定在微驱动器(1)上，达芬低频谐振单元(3)的左端固定在侧板(202)内侧的顶部，线性高频谐振单元(4)的底部固定在底板(201)的右端端部。

5.根据权利要求4所述的一种基于内共振的微量物质和驱动力同步传感器，其特征在于所述线性高频谐振单元(4)为Π型悬臂梁，包括横向悬臂(401)和纵向悬臂(402)，其中两个横向悬臂(401)平行设置，且两个横向悬臂(401)的右端顶部分别固定在纵向悬臂(402)下方的前后两端。

6.根据权利要求5所述的一种基于内共振的微量物质和驱动力同步传感器，其特征在于所述达芬低频谐振单元(3)为矩形悬臂梁，且达芬低频谐振单元(3)和线性高频谐振单元(4)的固有频率之比为1：2。

7.根据权利要求6所述的一种基于内共振的微量物质和驱动力同步传感器，其特征在于所述振动耦合单元(6)是由相同极性正对的主永磁铁(601)和副永磁铁(602)组成的磁振动耦合单元，其中主永磁铁(601)和副永磁铁(602)分别固定在达芬低频谐振单元(3)右端端部的上表面和线性高频谐振单元(4)顶端的左表面。

8.根据权利要求7所述的一种基于内共振的微量物质和驱动力同步传感器，其特征在于所述的特异性吸附层(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线性高频谐振单元(4)的纵向悬臂(402)右表面。

9.根据权利要求8所述的一种基于内共振的微量物质和驱动力同步传感器，其特征在于所述微换能器(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；

达芬低频谐振单元(3)上固定的微换能器(5)是通过其上的下电极(503)固定在达芬低频谐振单元(3)的右端上方，线性高频谐振单元(4)上固定的微换能器(5)是通过其上的下电极(503)固定在线性高频谐振单元(4)的横向悬臂(401)内侧下方。

10.一种应用权利要求1所述的一种基于内共振的微量物质和驱动力同步传感器对微量物质和驱动力同步检测的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，对本传感器的质量传感频率、幅值跳变频率、质量检测频率、驱动力传感频率进行标定：

在达芬低频谐振单元(3)的固有频率ω₁附近，用微驱动器(1)以a_dcos(Ωt)的加速度升频扫描驱动整个传感器，达芬低频谐振单元(3)和线性高频谐振单元(4)的固有频率ω₁和ω₂分别按下式计算：

其中：k₁是达芬低频谐振单元(3)的线性刚度，k₂是线性高频谐振单元(4)的线性刚度，μ₀是空间磁导率，d为振动耦合单元(6)的主永磁铁(601)和副永磁铁(602)的初始中心距，M为达芬低频谐振单元(3)的磁矩和线性高频谐振单元(4)的磁矩的标量值，a_d为幅值，Ω为频率，t为时间；

在非线性耦合力的作用下，线性高频谐振单元(4)与达芬低频谐振单元(3)发生2：1内共振，达芬低频谐振单元(3)的部分振动能量转移到线性高频谐振单元(4)，引起线性高频谐振单元(4)的倍频共振；因此，达芬低频谐振单元(3)的幅频特性曲线发生凹陷且在凹陷右边的频率点ω_j发生幅值跳变；

通过安装在达芬低频谐振单元(3)上的微换能器(5)对达芬低频谐振单元(3)的幅频特性曲线的凹陷频率进行定位并通过傅里叶变换进行标定，此处用该凹陷频率进行质量传感，故该凹陷频率即为本传感器的质量传感频率ω_ms；通过安装在线性高频谐振单元(4)上的微换能器(5)输出此时的电压信号并进行傅里叶变换，标定线性高频谐振单元(4)的振动频率，此处用该振动频率进行质量检测，故该振动频率即为本传感器的质量检测频率ω_md；线性高频谐振单元(4)的幅值跳变频率锁定为达芬低频谐振单元(3)的幅值跳变频率ω_j的二倍，通过安装在线性高频谐振单元(4)上的微换能器(5)对线性高频谐振单元(4)的幅值跳变频率进行定位并通过傅里叶变换进行标定，该线性高频谐振单元(4)的幅值跳变频率被用于驱动力传感，故线性高频谐振单元(4)的幅值跳变频率即为本传感器的驱动力传感频率ω_F，ω_F＝2ω_j；

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1.5ω₁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不断计算达芬质量传感频率ω_ms和幅值跳变频率ω_j；

如果质量传感频率ω_ms不断变化，说明特异性吸附层(7)在不断吸附待测物质，待质量传感频率ω_ms稳定不变时，传感器达到吸附平衡，重新用微驱动器(1)以a_d cos(Ωt)的加速度升频扫描传感器并实时输出整个升频过程中每个时刻微换能器(5)的输出电压，根据达芬低频谐振单元(3)上微换能器(5)的输出电压通过傅里叶变换标定达芬低频谐振单元(3)每个时刻新的质量传感频率ω_ms′，并标定对应时刻线性高频谐振单元(4)新的质量检测频率ω_md′；根据吸附前后线性高频谐振单元(4)线的质量检测频率ω_md和ω_md′，按照下式计算每个时刻所吸附微量物质的质量：

如果幅值跳变频率ω_j发生变化，说明微驱动器(1)驱动加速度的幅值a_d在上下波动，输出幅值跳变频率ω_j发生变化的时刻微换能器(5)的输出电压，通过安装在线性高频谐振单元(4)上的微换能器(5)对新的驱动力传感频率ω_F′进行定位并通过傅里叶变换进行标定，根据新的驱动力传感频率ω_F′计算此时微驱动器(1)驱动加速度的幅值a_d′：

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