ES2250631T3 - Sensor resonante con dos modos de vibracion degenerados e independientes. - Google Patents

Abstract

Sensor resonante para determinar variaciones en las propiedad estructurales, caracterizado por una estructura (2) montada para ser capaz de resonar, presentando la estructura (2) una configuración cíclicamente simétrica con dos modos de vibración degenerados independientes de frecuencia natural común, y medios (24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) para excitar la estructura (2) para resonar según dichos dos modos degenerados, modificándose unas zonas (8, 12, 16, 20) de la estructura (2) de manera que, al producirse variaciones en las propiedades estructurales de las zonas modificadas (8, 12, 16, 20), las frecuencias naturales (f1, f2) de los dos modos de vibración se vuelven diferentes, siendo la diferencia en frecuencias (Af) proporcional a la variación de las propiedades estructurales.

Description

Sensor resonante con dos modos de vibración degenerados e independientes.

Campo técnico

La presente invención se refiere a unos sensores resonantes para determinar variaciones en la propiedad estructural, y tiene particular aplicación, aunque no exclusiva, a tales sensores para detectar la presencia de especies químicas o bioquímicas.

Antecedentes de la invención

Es una práctica habitual disponer sensores de masa resonantes en los cuales se utiliza una variación de la frecuencia resonante que se produce al aplicar el sensor de masa para calcular el valor de la masa aplicada.

Sin embargo, dichos dispositivos se basan en las variaciones de frecuencia absoluta para determinar la masa añadida, funcionando los dispositivos normalmente a frecuencias del orden de 10-100 MHz. Como que a menudo es necesario medir variaciones de menos de 1000 Hz, la estabilidad del oscilador es de gran importancia, siendo necesario conocer las características térmicas precisas y otros parámetros asociados del entorno para conseguir mediciones de masa coherentes.

Descripción de la invención

Sería deseable poder disponer un sensor resonante que fuera capaz de medir directamente y de una manera más fácil que hasta ahora variaciones en la propiedad estructural, como la adición de masa, o la extracción de masa del sensor, siendo las dimensiones independientes de las condiciones ambientales.

De acuerdo con la presente invención, se dispone un sensor resonante para determinar variaciones en la propiedad estructural, comprendiendo el sensor una estructura montada para ser capaz de resonar, presentando la estructura una configuración cíclicamente simétrica con dos modos de vibración degenerados independientes de frecuencia natural común, y medios para excitar la estructura para resonar de acuerdo con dichos dos modos degenerados, modificándose las zonas de la estructura de manera que, al producirse variaciones en las propiedades estructurales de las zonas modificadas, las frecuencias naturales de los dos modos de vibración se vuelven diferentes, siendo la diferencia en las frecuencias proporcionales a la variación de las propiedades estructurales.

De este modo, se notará que cuando, por ejemplo, una especie química o biológica incide sobre las zonas modificadas de la superficie para variar la masa de las citadas zonas, la simetría cíclica del sensor se destruye, y se crea una división de frecuencias de los modos previamente degenerados. El valor de la diferencia de frecuencias permite calcular la masa añadida.

Como que cualquier variación de frecuencia en los dos modos provocada, por ejemplo por variaciones de temperatura, presión y tensión interior en la estructura es la misma en cada modo, estos factores no contribuyen al valor de la división de frecuencias, y no es necesario conocerlos para determinar la variación de la propiedad deseada -la disposición es, de este modo, autocompensadora de estos efectos externos, y solamente requiere una sola lectura de salida de la diferencia de frecuencias que se ha de realizar para permitir el cálculo de la variación estructural que se está cuestionando.

La estructura resonante puede comprender un diafragma, cuya periferia puede unirse a un substrato de apoyo, encontrándose las zonas modificadas del diafragma en la superficie superior del mismo, quedando situados los medios para excitar el diafragma debajo del diafragma, dispuestos simétricamente respecto a las zonas modificadas, cuyos medios pueden ser, por ejemplo, electrostáticos, magnéticos, piezoeléctricos o similares.

Las zonas modificadas del diafragma pueden ser, por ejemplo, de oro químicamente tratado para favorecer la unión con especies químicas o biológicas especificadas cuya presencia se ha de detectar.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 ilustra un tramo de base de una estructura en forma de diafragma de un sensor de acuerdo con la invención;

La figura 2 ilustra un diafragma de un sensor de acuerdo con la invención;

Las figuras 3a y 3b muestran, respectivamente, la frecuencia resonante común de los dos modos independientes de vibración de una estructura cíclicamente simétrica, y la división de frecuencias de dichos modos cuando se modifica la simetría cíclica;

La figura 4 es una sección transversal a través de una parte de un primer sensor de acuerdo con la invención;

La figura 5 es una vista en planta desde abajo del diafragma del sensor de la figura 4;

La figura 6 es una vista en planta desde arriba del diafragma del sensor de la figura 4, y

La figura 7 es una vista en planta desde arriba de un diafragma de otro sensor de acuerdo con la invención.

Descripción de las realizaciones preferidas

La presente invención se basa en unas estructuras cíclicamente simétricas con pares de modos de vibración independientes que comparten una frecuencia de vibración común natural.

Se detallará ahora la teoría que hay detrás de tales estructuras con referencia a las figuras 1 a 3 de los dibujos que se acompañan.

Un estructura cíclicamente simétrica está formada por unos tramos, que derivan de un tramo de base por sucesivas rotaciones a través de un ángulo definido alrededor de un eje fijo. Si el tramo de base abarca un ángulo de 360º/n, donde n debe ser un número entero para formar una estructura conectada, entonces la estructura resultante formada a partir de las rotaciones tiene una simetría de revolución de orden n.

Por ejemplo, considérese el triángulo equilátero mostrado en la figura 1 y que éste sea el tramo de base. Si a partir de este triángulo se forma una estructura mediante sucesivas rotaciones de 60º alrededor de un eje que es perpendicular al plano del papel y que atraviesa el vértice en A, entonces se forma un hexágono, tal como se muestra en la figura 2. Esta estructura resultante tiene una simetría cíclica de orden 6.

Se sabe que las estructuras cíclicamente simétricas tienen pares de modos de vibración independientes que comparten una frecuencia de vibración natural común. Esta característica se denomina degeneración modal. Al vibrar a una frecuencia natural f, la forma desplazada u de la estructura completa siempre puede ser considerada como un vector formado a partir de los desplazamientos de cada tramo, es decir, u= (u_{1}, u_{2},... u_{n}). En el caso del hexágono, n= 6. Si los desplazamientos modales son tales que u no cumple u= u_{1}(1, 1, ...1) y u= u_{1}(1, -1, -1, ...1, -1) entonces el modo es degenerado. Si u= (u_{1}, u_{2},... u_{n}) es uno de los modos degenerados, entonces u = (u_{n}, u_{1}, u_{2},..., u_{n-1}), obtenido por la rotación de la forma desplazada a través de un tramo, es el otro modo.

Si esta simetría se rompe, por ejemplo por la adición o extracción de masa, entonces las frecuencias naturales asociadas a los modos degenerados una vez se convierten en únicos para cada modo, variando de f a f_{1} y de f al f_{2} tal como se muestra en la figura 3, de manera que entre los dos modos existe una división de frecuencias de valor \Deltaf. Esta división de frecuencias puede utilizarse como medida de la “ruptura” de la simetría cíclica y, en el caso de un sensor de masa, es función de la variación de masa.

En las figuras 4 a 6 se ilustra una aplicación práctica de este concepto. En estos dibujos se muestra una estructura en forma de diafragma circular 2 de un material eléctricamente conductor relativamente delgado cuya periferia se fija en 4 a un substrato de soporte más grueso 6.

Sobre la superficie superior del diafragma 2 se depositan ocho zonas 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22 separadas a distancias iguales, por ejemplo de oro, de manera que el diafragma 2 presenta una simetría cíclica de orden ocho.

El material de las zonas 8 a 22 se selecciona de manera que pueda ser tratado químicamente para favorecer la unión con especies químicas o biológicas determinadas que han de ser controladas. En el caso de un sensor de masa, se modifican las zonas 8, 12, 16 y 20, mientras que las zonas 10, 14, 18 y 22 siguen quedando sin modificar.

Inmediatamente por debajo de la superficie inferior del diafragma 2 se disponen ocho electrodos de detección y accionamiento 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38 que actúan, uno asociado a cada una de las zonas 8 a 22.

Los electrodos 24, 28, 32 y 36 se utilizan para producir una respuesta de flexión resonante en el diafragma 2 a través de unos medios electrostáticos, y puede hacerse que el movimiento modal posterior del diafragma sea de forma que varíe circunferencialmente según cos2\theta, para una estructura con una simetría de ocho partes (véase figura 5). El ángulo 8 define una línea OB en el plano del diafragma medido a partir de una línea de referencia OA que se selecciona para que biseccione la zona 8. En este caso todos los puntos en la línea OB tienen un desplazamiento proporcional a cos2\theta.

De manera similar, los electrodos 26, 30, 34 y 38, cuando se accionan, excitan una respuesta de flexión resonante en el diafragma cuyo movimiento modal varía circunferencialmente según cos2\theta.

Estos movimientos modales son degenerados, y de este modo comparten una frecuencia natural común.

Cuando se deposita una especie química o biológica en las zonas modificadas 8, 12, 16 y 20, la masa de estas zonas varía, y la simetría cíclica del diafragma 2 se rompe.

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Como se ha detallado anteriormente, una medida de la división de frecuencias de los modos degenerados una vez permite calcular la masa añadida a las zonas modificadas. Las variaciones de frecuencia provocadas por variaciones de temperatura, presión y tensión interior en el diafragma 2 son las mismas en cada modo y, de este modo, no contribuyen al valor de la división de frecuencias, siendo la disposición, por consiguiente, autocompensadora de estos efectos.

Las modificaciones y variaciones del sensor descrito e ilustrado pueden realizarse sin apartarse del alcance de las reivindicaciones que se adjuntan. En particular, el sensor puede utilizarse para determinar una variedad de cambios en la propiedad estructural, incluyendo una reducción de masa, los electrodos 24 a 38 pueden ser sustituidos por otros medios de excitación que pueden ser, por ejemplo de funcionamiento electrostático, magnético o piezoeléctrico, las zonas 8 a 22 pueden ser de cualquier material apropiado aparte de oro, y la simetría cíclica del diafragma puede ser otra aparte de ocho, según puedan ser el número de zonas 8 a 22 y los medios de excitación 24 a 38.

Haciendo referencia a la figura 7, se muestra un diafragma 2 diseñado para presentar una simetría cíclica de tres partes. La simetría puede obtenerse disponiendo tres zonas “con electrodos” idénticas separadas a distancias iguales 8, 10, 12 depositadas sobre la superficie superior del diafragma 2. Este diafragma 2 todavía tiene modos degenerados de la forma cos2\theta y sin2\theta con dos frecuencias naturales idénticas.

El modo caracterizado por cos2\theta tiene las líneas nodales mostradas por las líneas discontinuas N_{1}, mientras que el modo caracterizado por sin2\theta tiene las líneas nodales mostradas por las líneas continuas N_{2}.

Las zonas 8, 10, 12 están tratadas químicamente para formar cuatro subzonas 40, 42, 44 y 46 en las mismas, dispuestas simétricamente en cualquier lado de las líneas nodales N_{1}, siendo estas subzonas tales que permiten que una especie química o biológica se una a la superficie del diafragma 2 para variar la masa del diafragma 2 en las subzonas 40 a 46.

Como que la masa añadida se dispone igualmente alrededor de las líneas nodales del modo cos2\theta, su efecto sobre la frecuencia natural de este modo es pequeño. Sin embargo, lo mismo no es el caso para el modo sin2\theta cuya frecuencia varía un grado mayor, con el resultado de que se produce una división en las frecuencias naturales de los modos degenerados una vez.

Otras modificaciones y variaciones serán claras para los expertos en la técnica.

Claims (7)

1. Sensor resonante para determinar variaciones en las propiedad estructurales, caracterizado por una estructura (2) montada para ser capaz de resonar, presentando la estructura (2) una configuración cíclicamente simétrica con dos modos de vibración degenerados independientes de frecuencia natural común, y medios (24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) para excitar la estructura (2) para resonar según dichos dos modos degenerados, modificándose unas zonas (8, 12, 16, 20) de la estructura (2) de manera que, al producirse variaciones en las propiedades estructurales de las zonas modificadas (8, 12, 16, 20), las frecuencias naturales (f_{1}, f_{2}) de los dos modos de vibración se vuelven diferentes, siendo la diferencia en frecuencias (\Deltaf) proporcional a la variación de las propiedades estructurales.

2. Sensor según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que la estructura comprende un diafragma (2) cuya periferia queda unida a un substrato de apoyo (6), encontrándose las zonas modificadas (8, 12, 16, 20) del diafragma (2) en la superficie superior del mismo, quedando situados los medios (24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) para excitar el diafragma (2) debajo del diafragma (2) dispuestos simétricamente respecto a dichas zonas modificadas (8, 12, 16, 20) del diafragma.

3. Sensor según la reivindicación 2, caracterizado por el hecho de que los medios (24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) para excitar el diafragma (2) son de funcionamiento electrostático, magnéticos o piezoeléctrico.

4. Sensor según la reivindicación 2 o la reivindicación 3, caracterizado por el hecho de que el diafragma (2) es de un material eléctricamente conductor, comprendiendo los medios (24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) para excitar el diafragma (2) unos electrodos.

5. Sensor según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, caracterizado por el hecho de que existe una pluralidad de zonas (8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22) definidas en la superficie superior del diafragma (2) separadas a distancias iguales alrededor del mismo, modificándose las zonas alternadas (8, 12, 16, 20) y quedando las zonas restantes (10, 14, 18, 22) sin modificar, quedando posicionados los electrodos asociados (24, 28, 32, 36) debajo de las zonas modificadas (8, 12, 16, 20) para producir una primera respuesta de flexión resonante en el diafragma (2) cuando se produce la excitación del mismo, y posicionándose los electrodos asociados (26, 30, 34, 38) debajo de las zonas no modificadas (10, 14, 18, 22) para provocar una segunda respuesta de flexión resonante en el diafragma (2) al producirse la excitación del mismo.

6. Sensor según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que las zonas alternadas están modificadas por tratamiento químico para favorecer la unión con una especie a controlar.

7. Sensor según la reivindicación 6, caracterizado por el hecho de que las zonas son de oro.