CN208833705U - 一种基于模态局部化的谐振式气体感测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种基于模态局部化的谐振式气体感测装置，属于气体检测领域。主要包括三根耦合的双端固支梁组成的双端固支梁耦合阵列以及一根参考梁组成，在第一根和第二根的双端固支梁中部表面沉积有对两种不同气体分别敏感的特异性薄膜，并在第三根双端固支梁以及参考梁中部表面沉积等质量的非敏感薄膜，在吸附气体前后通过检测阵列的模态改变量并求取实测局部化程度参数，定性判断气体存在情况，再定量求解出两种气体各自的浓度值。优点是结构新颖、体积小、检测灵敏度高、识别效率高、有利于微量气体的检测，可应用于重要公共场合有毒有害气体的预警。
Description
技术领域
本实用新型属于气体检测领域，涉及一种基于模态局部化的谐振式气体感测装置及检测方法。
背景技术
随着物联网(IOT)技术的不断发展，在医疗诊断、环境监测、车站安检等众多应用领域对于有毒有害气体高灵敏度检测的需求越来越迫切，传统的气体传感器大多基于测量气体的光谱或是基于气体的浓度与某种电学特性(如电阻，电压等等)的关系实现感测，但在感测的过程中存在着诸多问题，如灵敏度不够高、结构复杂、体积过于庞大等。
近年来，越来越多的科研工作者将模态局部化原理引入物质检测领域，原因是基于模态局部化原理的质量传感器或力传感器可以获得很高的检测灵敏度，传感结构可以为简单的微悬臂梁耦合阵列，能有效实现器件的微型化，减少检测成本。它与传统谐振式传感器的区别在于，利用谐振模态的改变量而不是谐振频率作为传感器的输出。2006年，普渡大学首次开启了基于模态局部化原理的超高灵敏度传感检测的先河，通过在一个2自由度耦合阵列其中一根悬臂梁尖端施加154pg微小颗粒，获得的谐振模态改变量与谐振频率改变量相比，灵敏度提高了2个数量级；2008年，该团队进一步将2自由度耦合阵列扩展为15自由度耦合阵列，将灵敏度提高了3个数量级；2009年，剑桥大学团队构建了基于静电力耦合的两自由度双端固定音叉谐振子结构，通过减小耦合刚度进一步提高了检测灵敏度，同时证明了应用模态局部化的力传感器可实现共模抑制，即避免温度、湿度等环境因素的干扰；2012年，南安普顿大学设计了基于模态局部化效应的电场耦合三自由度谐振子结构，将中间谐振子的刚度设定为两侧谐振子刚度的2倍，实验证明与谐振频率改变量相比，该传感结构可将灵敏度提高3到4个数量级。由此可见，通过将模态局部化原理引入物质检测可大大提高检测的灵敏度。
但现有的基于模态局部化效应的谐振式传感器仅用于单一质量的感测定位，由于实际生活中待测物通常不唯一，一次只检测一种物质效率较低；其次，当前模态局部化相关研究对于灵敏度的提升仅针对于检测单一物质，对于多种物质检测的灵敏度尚存在提升的空间。
发明内容
本实用新型提供一种基于模态局部化的谐振式气体感测装置，以解决目前气体传感器存在检测效率低、感测灵敏度不高、结构复杂、检测成本高的问题，
本实用新型采取技术方案是：谐振式气体感测装置的结构是：双端固支梁耦合感测阵列与参考梁并排布置，且该双端固支梁耦合感测阵列和参考梁的一端分别与滑动块内侧固连，该双端固支梁耦合感测阵列和参考梁的另一端分别与固定块的一边固连，该固定块的另一边与折叠弹簧固定连接，该折叠弹簧的矩形端部内嵌于外壳的尾槽中，该固定块的另外两个对边还分别通过固连的四个勾型结构与外壳的卡槽卡接，该滑动块的外侧与预压弹簧的内侧紧密贴合，该预压弹簧的外侧紧贴于外壳的内侧面，方形叠堆式压电致动器内嵌于该预压弹簧中间的方槽中，各压电片串联结构分别沉积于双端固支梁耦合感测阵列和参考梁靠近固定块一侧的根部上方，各压电片分别沉积于双端固支梁耦合感测阵列和参考梁靠近滑动块一侧的根部上方；非敏感薄膜沉积于参考梁以及双端固支梁耦合感测阵列中的第三根双端固支梁中部方形结构的上表面，对A种气体敏感的薄膜沉积于双端固支梁耦合感测阵列的第二根双端固支梁方形结构的上表面，对B种气体敏感薄膜沉积于双端固支梁耦合感测阵列的第一根双端固支梁方形结构的上表面；热电阻丝沉积于外壳基底上的凸出块的上表面，且该热电阻丝只位于双端固支梁耦合感测阵列中的第一根双端固支梁和第二根双端固支梁的正下方。
所述双端固支梁耦合感测阵列的结构是：三根双端固支梁并排排布，其中第一根双端固支梁与第二根双端固支梁之间由耦合结构一连接，第二根双端固支梁与第三根双端固支梁之间由耦合结构二连接；
所述的参考梁的等效质量和等效刚度与双端固支梁耦合感测阵列中的每根双端固支梁相同；
所述压电片串联结构是通过分割方式获得，所述分割方式为竖直分割，水平分割，以及垂直对角线分割，将分割后的各部分压电片串联；
所述非敏感薄膜的质量、对A种气体敏感的薄膜的质量和对B种气体敏感薄膜的质量三者相同。
所述预压弹簧的结构是：两根折叠弹簧并行排布，并在结构的中心位置开一个方槽；
所述方形叠堆式压电致动器为多片压电陶瓷片粘连烧结而成，从内至外分别为绝缘陶瓷片一、压电陶瓷作动器、绝缘陶瓷片二，由绝缘胶封装。
本实用新型的有益效果是：
1、提高检测效率：利用三根耦合梁阵列一次可检测2种气体，若将三根耦合梁阵列作为一个感测单元，进一步阵列多个感测单元，可实现多种气体的检测；
2、结构新颖：三根耦合梁阵列为平面结构，无论是宏观尺度还是微观尺度该结构的加工都较为容易；
3、检测灵敏度高：与基于谐振频率检测相比，应用模态局部化原理本身可实现灵敏度的2～3个数量级的提高；
4、针对气体浓度低的情况，提出的气体感测装置可实现检测灵敏度的两级放大：第一级通过对双端固支梁耦合感测阵列施加预紧力调节固支梁等效刚度的方式提高灵敏度，第二级通过压电片串联结构倍增输出电压的方式再次提高灵敏度；
5、降低了检测成本：可通过加热解吸附的方式重复利用敏感薄膜；
6、提高传感器的信噪比：采用隔振弹簧结构降低环境中的低频振动噪声对检测信号的干扰。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图；
图2是本实用新型双端固支耦合梁感测阵列的结构示意图；
图3是本实用新型方形叠堆式压电致动器的结构示意图；
图4是不同方式压电片串联结构的示意图，其中，(a)、(b)、(c)分别对应沿竖直分割串联方式、沿水平分割串联方式、沿垂直对角线分割串联方式。
具体实施方式
如图1所示，谐振式气体感测装置的结构是：双端固支梁耦合感测阵列1与参考梁2并排布置，且该双端固支梁耦合感测阵列1和参考梁2的一端分别与滑动块12内侧固连，该双端固支梁耦合感测阵列1和参考梁2的另一端分别与固定块5的一边固连，该固定块5的另一边与折叠弹簧7固定连接，该折叠弹簧7的矩形端部内嵌于外壳10的尾槽中，该固定块5的另外两个对边还分别通过固连的四个勾型结构6与外壳10的卡槽卡接，该滑动块12的外侧与预压弹簧(13)的内侧紧密贴合，该预压弹簧13的外侧紧贴于外壳10的内侧面，方形叠堆式压电致动器(9)内嵌于该预压弹簧13中间的方槽中，在方形叠堆式压电致动器9发生形变过程中，滑动块12可沿外壳10的内侧底面朝固定块5的方向滑动；各压电片串联结构3分别沉积于双端固支梁耦合感测阵列1和参考梁2靠近固定块5一侧的根部上方，各压电片11分别沉积于双端固支梁耦合感测阵列1和参考梁2靠近滑动块12一侧的根部上方；非敏感薄膜(4)沉积于参考梁2以及双端固支梁耦合感测阵列1中的第三根双端固支梁103中部方形结构的上表面，对A种气体敏感的薄膜(14)沉积于双端固支梁耦合感测阵列1的第二根双端固支梁102方形结构的上表面，对B种气体敏感薄膜(15)沉积于双端固支梁耦合感测阵列1的第一根双端固支梁101方形结构的上表面；热电阻丝8沉积于外壳10基底上的凸出块1001的上表面，且该热电阻丝8只位于双端固支梁耦合感测阵列1中的第一根双端固支梁101和第二根双端固支梁102的正下方。
如图2所示，所述双端固支梁耦合感测阵列1的结构是：三根双端固支梁并排排布，其中第一根双端固支梁101与第二根双端固支梁102之间由耦合结构一104连接，第二根双端固支梁102与第三根双端固支梁103之间由耦合结构二105连接；
所述的参考梁2的等效质量和等效刚度与双端固支梁耦合感测阵列1中的每根双端固支梁相同；
如图4所示，所述压电片串联结构3是通过分割方式获得，所述分割方式为竖直分割，水平分割，以及垂直对角线分割，被分割的数量取决于加工工艺中的分割间距dm，将分割后的各部分压电片串联，输出的总电压表征相应双端固支梁的振幅。
所述非敏感薄膜4的质量、对A种气体敏感的薄膜14的质量和对B种气体敏感薄膜15的质量三者相同。
所述预压弹簧13的结构是：两根折叠弹簧并行排布，并在结构的中心位置开一个方槽；
如图3所示，所述方形叠堆式压电致动器9为多片压电陶瓷片粘连烧结而成，从内至外分别为绝缘陶瓷片一(PZT-5H)901、压电陶瓷作动器(PZT-5H)902、绝缘陶瓷片二(PZT-5H)903，由绝缘胶封装。
所述折叠弹簧7的作用为被动隔离外界环境中的中高频振动信号，提高传感器的信噪比。
所述热电阻丝8材料可以为铜或铝。
工作原理：
通过在三根耦合的双端固支梁阵列的第一根和第二根双端固支梁中部方形块的表面添加一层对单一气体具有特异性吸附的功能薄膜，由功能薄膜与待测物分子发生化学反应，导致双端固支梁阵列的模态产生一定的改变量，进一步通过在双端固支梁阵列的根部淀积压电片的方式将三根双端固支梁的振幅值转换为相应的电信号，由示波器读出，并经过放大和信号处理，得到定性判断气体存在情况的参数，进一步根据气体不同的存在情况，进行定量识别。
Claims (7)
1.一种基于模态局部化的谐振式气体感测装置，其特征在于：双端固支梁耦合感测阵列与参考梁并排布置，且该双端固支梁耦合感测阵列和参考梁的一端分别与滑动块内侧固连，该双端固支梁耦合感测阵列和参考梁的另一端分别与固定块的一边固连，该固定块的另一边与折叠弹簧固定连接，该折叠弹簧的矩形端部内嵌于外壳的尾槽中，该固定块的另外两个对边还分别通过固连的四个勾型结构与外壳的卡槽卡接，该滑动块的外侧与预压弹簧的内侧紧密贴合，该预压弹簧的外侧紧贴于外壳的内侧面，方形叠堆式压电致动器内嵌于该预压弹簧中间的方槽中，各压电片串联结构分别沉积于双端固支梁耦合感测阵列和参考梁靠近固定块一侧的根部上方，各压电片分别沉积于双端固支梁耦合感测阵列和参考梁靠近滑动块一侧的根部上方；非敏感薄膜沉积于参考梁以及双端固支梁耦合感测阵列中的第三根双端固支梁中部方形结构的上表面，对A种气体敏感的薄膜沉积于双端固支梁耦合感测阵列的第二根双端固支梁方形结构的上表面，对B种气体敏感薄膜沉积于双端固支梁耦合感测阵列的第一根双端固支梁方形结构的上表面；热电阻丝沉积于外壳基底上的凸出块的上表面，且该热电阻丝只位于双端固支梁耦合感测阵列中的第一根双端固支梁和第二根双端固支梁的正下方。
2.根据权利要求1所述的一种基于模态局部化的谐振式气体感测装置，其特征在于：所述双端固支梁耦合感测阵列的结构是：三根双端固支梁并排排布，其中第一根双端固支梁与第二根双端固支梁之间由耦合结构一连接，第二根双端固支梁与第三根双端固支梁之间由耦合结构二连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于模态局部化的谐振式气体感测装置，其特征在于：所述的参考梁的等效质量和等效刚度与双端固支梁耦合感测阵列中的每根双端固支梁相同。
4.根据权利要求1所述的一种基于模态局部化的谐振式气体感测装置，其特征在于：所述压电片串联结构是通过分割方式获得，所述分割方式为竖直分割，水平分割，以及垂直对角线分割，将分割后的各部分压电片串联。
5.根据权利要求1所述的一种基于模态局部化的谐振式气体感测装置，其特征在于：所述非敏感薄膜的质量、对A种气体敏感的薄膜的质量和对B种气体敏感薄膜的质量三者相同。
6.根据权利要求1所述的一种基于模态局部化的谐振式气体感测装置，其特征在于：所述预压弹簧的结构是：两根折叠弹簧并行排布，并在结构的中心位置开一个方槽。
7.根据权利要求1所述的一种基于模态局部化的谐振式气体感测装置，其特征在于：所述方形叠堆式压电致动器为多片压电陶瓷片粘连烧结而成，从内至外分别为绝缘陶瓷片一、压电陶瓷作动器、绝缘陶瓷片二，由绝缘胶封装。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
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| AV01 | Patent right actively abandoned | ||
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| AV01 | Patent right actively abandoned |
Granted publication date: 20190507 Effective date of abandoning: 20231215 |
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| AV01 | Patent right actively abandoned |
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