CN1800850A - 一种微悬臂梁的品质因数控制系统 - Google Patents

Abstract

一种微悬臂梁的品质因数控制系统，它包括正反馈环路模块和锁相环路模块。其中，正反馈环路模块，它包括一个可变增益放大器、一个可变移相器以及一个加法器，用于增加微悬臂梁的品质因数，并输出F₁＝F₀e^iωt到压电驱动器，将调制过的信号加入到微悬臂梁的驱动信号中。锁相环路模块包括低通滤波器、相位检测器和电压控制振荡器，用于跟踪微悬臂梁的谐振频率，同时产生输出F₂＝GAe^{i(ωt－Φ+π/2)}到压电驱动器。本发明不仅使AC检测法在液体中有更高的灵敏度，克服微悬臂梁在液体中形变漂移对检测的影响，也可以有效地提高传感器的线性范围。

Description

一种微悬臂梁的品质因数控制系统

                          技术领域

本发明涉及一种生物传感器，特别是涉及一种利用换能元件在液体中的形变漂移量的生物传感器换能元件品质因数控制方法。

                          背景技术

生物技术是二十一世纪科学技术发展的前沿，而新型生物传感器的理论研究、设计和开发是生物技术的核心研究内容之一，它也始终是多学科前沿技术的交叉综合。生物传感器包括生物识别元件和换能两个关键技术。随着对检测灵敏度和精度要求的提高，单纯依靠前者来构建生物传感器的技术方案已经越来越受到限制，而在本领域中研究高灵敏度的换能技术越来越重要。当前比较常用的换能技术主要有，场效应晶体管法、光电转化法、电位或电流测定法、电极法、荧光法、压电法和光纤检测法等。这些换能技术有的专用性强，不能用到新兴生物传感器中；有的灵敏度差，不能满足现代生物检测的要求；有的仪器结构过于复杂，使用不便。以光纤生物传感器为例，其检测信号来自荧光强度或反射光强度的变化，不仅理论上灵敏度有限，而且光学结构复杂，不具便携性。

以微悬臂梁、压电陶瓷等为换能元件的生物传感器结构简单，灵敏度高。该类传感器以质量变化为检测手段，可以有两种检测方法，即直流DC检测法和交流AC检测法。在某些情形，生物分子间的特异性结合会产生表面应力，这种应力使得换能元件产生形变，根据虎克定律计算出形变就可以得到被测物的含量，这就是DC检测法，一般只能用于气体样品。AC检测法是通过检测换能元件振动的频率响应变化来检测被测物的含量，当被测生物分子被特异性结合而吸附于换能元件上后，其分子质量引起换能元件的谐振频率减小，通过谐振频率的变化可以进行生物分子的定量分析。AC检测法可以克服换能元件在液体中的形变漂移对测量的影响，适合在液体中应用。

AC检测法客观上要求微悬臂梁有较高的品质因数0。但由于液体中存在的阻尼，微悬臂梁在液体中的品质因数和气体中相比降低了约2个数量级，从而也影响了生物传感器的检测精度。

                          发明内容

本发明正是为了解决上述现有技术存在的缺陷，而提出一种微悬臂梁的品质因数控制电路及控制方法，利用可调品质因数Q控制电路，将微悬臂梁在液体中的有效品质因数提高了2至3个数量级，。

本发明提出了一种微悬臂梁的品质因数控制系统，它包括正反馈环路模块20和锁相环路模块30。其中，正反馈环路模块，它包括一个可变增益放大器21、一个可变移相器22以及一个加法器23，用于增加微悬臂梁的品质因数，并输出F₁＝F₀e^iωt到压电驱动器，将调制过的信号加入到微悬臂梁的驱动信号中。锁相环路模块30包括低通滤波器31、相位检测器32和电压控制振荡器33，用于跟踪微悬臂梁的谐振频率和相位，同时产生输出F₂＝GAe^{i(ωt-Φ+π/2)}到压电驱动器。

与传统技术中有关该技术的惯用技术手段不同，本发明不仅使AC检测法在液体中有更高的灵敏度，克服微悬臂梁在液体中形变漂移对检测的影响，也可以有效地提高传感器的线性范围。

下面将结合实施例及参照附图对该发明的技术方案进行详细说明。

附图说明

图1为本发明的品质因数Q控制电路系统框图。

                       具体实施方式

品质因数Q控制电路，主要包括两个模块，一个正反馈模块和一个锁相环模块。正反馈模块用于增加微悬臂梁的有效品质因数；锁相环模块用于监控微悬臂梁的谐振频率和相位，为了保证谐振，并通过一个可变移相器Φ和一个可变增益放大器G产生调节性输出。这两个模块可以使微悬臂梁振动的品质因数Q受到放大器增益G和相移Φ的控制。

如图1所示，以微悬臂梁作为换能元件的生物传感器检测系统包括前端的AFM测头和品质因数控制电路系统，品质因数Q控制电路系统主要包括两个模块，一个正反馈环路模块20和一个锁相环路模块30。其中，正反馈环路模块又称为自激励模块，用于增加微悬臂梁的品质因数，它包括一个可变增益放大器21、一个可变移相器22以及一个加法器23，该模块对于前端测头所接收到的微悬臂梁振动的反馈信号进行移相和增益放大，并输出F₁＝F₀e^iωt到压电驱动器，将调制过的信号加入到微悬臂梁的驱动信号中。本发明中，可变移相器22利用一个运算放大器和RC网络构成。可变增益放大器21选用放大器AD603及相应的外围电路构成。其加法器则采用AD8041及相应外围电阻构成。

锁相环路模块30一方面提供生物传感器检测所需要的驱动信号，同时用于跟踪微悬臂梁的谐动频率和相位，包括低通滤波器(VCO)31、相位检测器32和电压控制振荡器(PI控制器)33。锁相环路模块还通过一个可变移相器和一个可变增益放大器产生输出F₂＝GAe^{i(ωt-Φ+π/2)}到压电驱动器，其中G为放大器增益，Φ为相移值。这样，微悬臂梁的激励将是F₁和F₂的合成。对于这样两个驱动信号输入，微悬臂梁振动的品质因数Q将受到放大器增益G和相移Φ的控制。经模块调试、与原子力显微镜联机调试和在传感器上的应用调试完成Q电路的开发。

Claims (3)

1.一种微悬臂梁的品质因数控制系统，它包括正反馈环路模块(20)和锁相环路模块(30)。其中，正反馈环路模块，它包括一个可变增益放大器(21)、一个可变移相器(22)以及一个加法器(23)，用于增加微悬臂梁的品质因数，并输出F₁＝F₀e^iωt到压电驱动器，将调制过的信号加入到微悬臂梁的驱动信号中。锁相环路模块(30)包括低通滤波器(31)、相位检测器(32)和电压控制振荡器(33)，用于跟踪微悬臂梁的振动频率和相位，同时产生输出F₂＝GAe^{i(ωt-φ+π/2)}到压电驱动器。

2.如权利要求1所述的微悬臂梁的品质因数控制系统，其特征在于，所述微悬臂梁的激励将是F₁和F₂的合成。

3.如权利要求1所述的微悬臂梁的品质因数控制系统，其特征在于，所述正反馈环路模块(20)中的可变移相器(22)由一个运算放大器和RC网络构成；可变增益放大器(21)选用放大器AD603及相应的外围电路构成；其加法器则采用AD8041及相应外围电阻构成。