CN113155664A - 一种高灵敏度的微弱气体检测装置及其检测方法 - Google Patents

一种高灵敏度的微弱气体检测装置及其检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高灵敏度的微弱气体检测装置及其检测方法，检测装置包括PT对称谐振器、闭环自激驱动电路以及电极部分。PT对称谐振器由两个完全相同的谐振器组成，闭环自激驱动电路用于调节两个谐振器的阻尼大小相等、符号相反，电极部分用于信号的输入与输出。检测方法首先把工作在奇异点的PT对称谐振器置入待测气体环境，待测气体对PT对称谐振器的质量产生微扰，谐振频率由奇异点时的一个频率分裂为两个频率，通过测量PT对称谐振器的频率分裂量可以实现对微弱气体的高灵敏度测量。

Description

一种高灵敏度的微弱气体检测装置及其检测方法
技术领域
本发明涉及了一种高灵敏度的微弱气体检测装置及其检测方法，属于微电子机械系统和传感器技术领域。
背景技术
气体传感器是一种将待测气体浓度等信息转化为电信号输出的器件。在现代社会的生产和生活中，对气体进行快速、灵敏、实时的检测越来越重要，比如环境污染的检测、火灾报警、化工生产中气体的监测和控制、煤气泄漏等。在实际应用领域，小型化高精度高灵敏度的气体传感器受到市场的青睐，具有更为广阔的应用潜力和需求。
近几十年，宇称时间(Parity-time，PT)对称系统中的奇异点传感受到了科研工作者的广泛关注。在一个满足PT对称的系统中，当系统工作在二阶奇异点时，其频率的分裂量与微扰量的平方根成正比，因此可以获得超越线性传感器的灵敏度。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提出一种高灵敏度的微弱气体检测装置及其检测方法，基于PT对称谐振器在奇异点附近本征频率分裂对极小微扰的敏感特性，能够实现微弱气体变化的测量，具有较高的灵敏度与精度，且体积小、重量轻。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种高灵敏度的微弱气体检测装置，包括PT对称谐振器、闭环自激驱动电路和电极部分；
其中，
所述PT对称谐振器包括刚度、质量完全相同的谐振器一和谐振器二，谐振器一和谐振器二在水平方向上并排放置，并分别固定于衬底上的锚区一与锚区二；谐振器一右侧与静电耦合极板一连接，谐振器二左侧与静电耦合极板二连接；静电耦合极板一和静电耦合极板二正对靠近放置，形成谐振器一与谐振器二间的静电刚度；
两个完全相同的气体敏感薄膜一与气体敏感薄膜二分别附着于谐振器一与谐振器二的表面；
所述电极部分包括输入电极和输出电极；其中，
输入电极包括输入极板一和输入极板二，布置在谐振器一的左侧，输入极板一连接于谐振器一的左侧，输入极板二通过锚区三固定于衬底上，并与输入极板一正对靠近放置；
输出电极包括输出极板一和输出极板二，布置在谐振器二的右侧，输出极板一连接于谐振器二的右侧，输出极板二通过锚区四固定于衬底上，并与输出极板一正对靠近放置；
所述闭环自激驱动电路的输入端与输出极板二连接，输出端与输入极板二连接。
所述闭环自激驱动电路包括按顺序连接的输入端、机电转换电路、滤波电路、增益控制电路、相位控制电路、电机转换电路和输出端。
一种高灵敏度的微弱气体检测方法，包括以下步骤：
静电耦合极板一和静电耦合极板二分别接入大小相等、极性相反的直流电压，在输入极板二施加初始激励信号，调节闭环自激驱动电路的增益控制电路和相位控制电路，使谐振器一和谐振器二的阻尼大小相等、符号相反，PT对称谐振器工作在奇异点，谐振器一与谐振器二以相同的振幅和谐振频率振动；
将工作在奇异点的PT对称谐振器置于待测气体环境，气体敏感薄膜一与气体敏感薄膜二吸附的待测气体会对谐振器一与谐振器二的质量产生相同的扰动量Δm，导致PT对称谐振器的工作状态由奇异点转向PT对称区，谐振器一与谐振器二的谐振频率分裂，谐振频率分裂量Δω的表达式为：
Figure BDA0003039374530000021
其中，k为谐振器的刚度、m为谐振器的质量、c为谐振器的运动阻尼、kc为静电刚度，k、m、c、kc均为已知参数；
根据上式由检测到的Δω可求出Δm，进而转化为待测气体的浓度。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
1)对微弱气体的测量具有更高的灵敏度与精度；
2)对检测信号响应速度快，重复性好；
3)无需额外电源驱动，通过自振荡实现工作，利于便携；
4)长期工作稳定性好；
5)制造成本低，使用与维护方便。
附图说明
图1是本发明的微弱气体检测装置示意图；
图2是本发明所设计的闭环自激驱动电路原理图。
图中有：谐振器一101，谐振器二102，静电耦合极板一103，静电耦合极板二104，谐振器一101与谐振器二102间的静电刚度105，输入极板一106，输出极板一107，锚区一108，锚区二109，气体敏感薄膜一110，气体敏感薄膜二111，输入极板二112，输出极板二113，锚区三114，锚区四115，衬底116，闭环自激驱动电路A；
输入端201，机电转换电路202，滤波电路203，增益控制电路204，相位控制电路205，电机转换电路206，输出端207。
具体实施方式
本实施例中的高灵敏度微弱气体检测装置在测试环境中实现自驱动，详细结构如图1所示，包括PT对称谐振器、闭环自激驱动电路以及电极部分。
PT对称谐振器包括谐振器一101与谐振器二102，谐振器一101与谐振器二102刚度、质量完全相同，在水平方向上并排放置，并分别固定于衬底116上的锚区一108与锚区二109。谐振器一101右侧与静电耦合极板一103连接，谐振器二102左侧与静电耦合极板二104连接。静电耦合极板一103和静电耦合极板二104正对靠近放置，形成谐振器一101与谐振器二102间的静电刚度105。
两个完全相同的气体敏感薄膜一110与气体敏感薄膜二111分别附着于谐振器一101与谐振器二102的表面。
电极部分包括输入电极和输出电极；其中，
输入极板一106与输入极板二112构成输入电极，用于通过静电力的方式输入PT对称谐振器的驱动信号。输入极板一106连接于谐振器一101的左侧，输入极板二112通过锚区三114固定于衬底116上，并与输入极板一106正对靠近放置。
输出极板一107与输出极板二113构成输出电极，用于通过静电力的方式输出与待测气体相关的信号。输出极板一107连接于谐振器二102的右侧，输出极板二113通过锚区四115固定于衬底116上，并与输出极板一107正对靠近放置。
闭环自激驱动电路A连接于PT对称谐振器的谐振器一101与谐振器二102之间，用于调节谐振器一101与谐振器二102的阻尼大小相等、符号相反。
闭环自激驱动电路A的结构如图2所示，包括按顺序连接的输入端201、机电转换电路202、滤波电路203、增益控制电路204、相位控制电路205、电机转换电路206、输出端207。闭环自激驱动电路A的输入端201与输出极板二113连接，输出端207与输入极板二112连接。机电转换电路202用于将PT对称谐振器的输出机械能转换为电能，滤波电路203用于滤除无关信号，增益控制电路204用于调节阻尼的大小，相位控制电路205用于调节反馈信号的相位，电机转换电路206用于将电信号转换为机械能以驱动PT对称谐振器。负阻尼的实现是通过调节相位控制电路205使反馈信号与PT谐振器振动信号同相位。
基于气体检测装置的高灵敏度微弱气体检测方法的步骤如下：
静电耦合极板一103和静电耦合极板二104分别接入大小相等、极性相反的直流电压，在驱动信号的输入极板二112施加初始激励信号，调节闭环自激驱动电路A的增益控制电路204和相位控制电路205，使谐振器一101和谐振器二102的阻尼大小相等、符号相反，此时PT对称谐振器工作在奇异点，谐振器一101与谐振器二102以相同的谐振频率振动。
当把工作在奇异点的PT对称谐振器置于待测气体环境后，气体敏感薄膜一110与气体敏感薄膜二111吸附的待测气体会对谐振器一101与谐振器二102的质量产生相同的扰动量Δm，从而改变PT对称谐振器的振动状态。谐振器一101与谐振器二102的谐振频率不再相同，谐振频率分裂量Δω表达式为：
Figure BDA0003039374530000041
其中，k为谐振器的刚度、m为谐振器的质量、c为谐振器的运动阻尼、kc为静电刚度，Δm为待测气体对PT对称谐振器的质量产生的扰动量。
由于k、m、c、kc均为已知参数，因此，由检测到的Δω根据公式(1)即可求出待测气体对于PT对称谐振器的质量的扰动量Δm。由于待测气体的扰动量与气体的浓度成线性关系，故可以将求解的Δm转化为待测气体的浓度。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种高灵敏度的微弱气体检测装置，其特征在于，包括PT对称谐振器、闭环自激驱动电路和电极部分；
所述PT对称谐振器包括刚度、质量完全相同的谐振器一(101)和谐振器二(102)，谐振器一(101)和谐振器二(102)在水平方向上并排放置，并分别固定于衬底(116)上的锚区一(108)与锚区二(109)；谐振器一(101)右侧与静电耦合极板一(103)连接，谐振器二(102)左侧与静电耦合极板二(104)连接；静电耦合极板一(103)和静电耦合极板二(104)正对靠近放置，形成谐振器一(101)与谐振器二(102)间的静电刚度(105)；
两个完全相同的气体敏感薄膜一(110)与气体敏感薄膜二(111)分别附着于谐振器一(101)与谐振器二(102)的表面；
所述电极部分包括输入电极和输出电极；其中，
输入电极包括输入极板一(106)和输入极板二(112)，布置在谐振器一(101)的左侧，输入极板一(106)连接于谐振器一(101)的左侧，输入极板二(112)通过锚区三(114)固定于衬底(116)上，并与输入极板一(106)正对靠近放置；
输出电极包括输出极板一(107)和输出极板二(113)，布置在谐振器二(102)的右侧，输出极板一(107)连接于谐振器二(102)的右侧，输出极板二(113)通过锚区四(115)固定于衬底(116)上，并与输出极板一(107)正对靠近放置；
所述闭环自激驱动电路(A)的输入端(201)与输出极板二(113)连接，输出端(207)与输入极板二(112)连接。
2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的微弱气体检测装置，其特征在于，所述闭环自激驱动电路(A)包括按顺序连接的输入端(201)、机电转换电路(202)、滤波电路(203)、增益控制电路(204)、相位控制电路(205)、电机转换电路(206)和输出端(207)。
3.一种高灵敏度的微弱气体检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
静电耦合极板一(103)和静电耦合极板二(104)分别接入大小相等、极性相反的直流电压，在输入极板二(112)施加初始激励信号，调节闭环自激驱动电路(A)的增益控制电路(204)和相位控制电路(205)，使谐振器一(101)和谐振器二(102)的阻尼大小相等、符号相反，PT对称谐振器工作在奇异点，谐振器一(101)与谐振器二(102)以相同的振幅和谐振频率振动；
将工作在奇异点的PT对称谐振器置于待测气体环境，气体敏感薄膜一(110)与气体敏感薄膜二(111)吸附的待测气体会对谐振器一(101)与谐振器二(102)的质量产生相同的扰动量Δm，导致PT对称谐振器的工作状态由奇异点转向PT对称区，谐振器一(101)与谐振器二(102)的谐振频率分裂，谐振频率分裂量Δω的表达式为：
Figure FDA0003039374520000021
其中，k为谐振器的刚度、m为谐振器的质量、c为谐振器的运动阻尼、kc为静电刚度，k、m、c、kc均为已知参数；
根据上式由检测到的Δω可求出Δm，进而转化为待测气体的浓度。
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