The invention relates to a detection device and method for trace substances based on parameter excitation and synchronous resonance, belonging to the detection device and method for trace substances. It includes at least one parametric excitation beam, reference beam, pick-up beam, two substrates, two synchronous coupling beams, piezoelectric excitation electrode, piezoelectric induction electrode, piezoelectric excitation induction electrode and sensitive layer. The vibration pick-up beam is a cantilever beam, the parametric excitation beam and the reference beam are fixed beams, and the parametric excitation beam is used to receive external stimuli. The change of its natural frequency can be triggered and induced by the excitation and sweep of the electrodes. When the reference beam is used to trigger the function, it generates synchronous resonance with the parametric excitation beam and restrains the energy loss. The advantages are novel structure, material saving and perfect function. Synchronous resonance is generated between the parametric excitation beam and the reference beam, synchronous resonance between the parametric excitation beam and the pick-up beam, and triggering and sensing functions are realized respectively by using the principle of parametric excitation. Frequency doubling is realized, sensitivity of the device is improved, and energy dissipation is restrained.
【技术实现步骤摘要】
一种基于参数激励及同步共振的微量物质检测装置及方法
本专利技术属于微量物质检测装置及方法,尤其涉及一种可实现触发,传感两项功能的基于参数激励及同步、去同步共振原理的装置及方法。
技术介绍
基于非线性振动力学的同步共振原理,可实现低频激振高频拾振的频率倍增效应。当两个谐振子固有频率存在一定的整数比关系时,即发生同步共振。两谐振子振动频率保持一定倍数关系的现象称为相位锁定,又称锁相。日本东北大学团队通过对同步共振状态下的两根耦合梁的研究,确定了相位锁定现象,测定了同步共振区域的宽度,发现梁结构的同步共振有助于降低相位噪声;美国加州理工大学团队通过电路控制压电激励的输出信号,模拟耦合结构,分析了同步共振区域范围与激励电压的关系,并在实验现象中观察到了相位噪声的抑制。上述研究结果表明,谐振子的同步共振可实现相位噪声的抑制,有利于谐振式质量传感器分辨率的进一步提高。利用参数激励的激振方式,可实现梁结构的振幅跃变,提高传感器的分辨率。日本NTT基础研究实验室研究表明参数激励可以提高谐振子的品质因子,实现高灵敏度检测。上海交通大学张文明团队,在不同驱动信号输入情况下(高斯噪声,正弦波),利用多尺度法、Lenard-Jones位能模型以及Volterra级数方法研究了压膜阻尼、立方刚度、DC电压的改变对参数激励非线性振动特性(主要是软硬弹簧特性和谐振频率改变)的影响,为设计参数激励下的传感器奠定了基础。以上结果表明,参数激励能够实现更高的分辨率,但受扫频步长的限制,分岔点检测不准确。谐振式传感器是利用谐振元件把被测参量转换为频率信号的传感器,又称频率式传感器。近年来,由于 ...
【技术保护点】
1.一种基于参数激励及同步共振的微量物质检测装置,其特征在于:包括至少一根参激梁、至少一根参考梁、至少一根拾振梁,其中拾振梁为悬臂短梁、其一端固定在基底二上,参激梁、参考梁两端分别与基底一和基底二固定连接,同步耦合梁一与基底一固定连接、且还分别与参考梁、参激梁连接,同步耦合梁二与基底二固定连接、且还分别与参考梁、参激梁和拾振梁连接,拾振梁上表面靠近与同步耦合梁二相接处有压电激励感应电极,参考梁上表面靠近与同步耦合梁一相接处有压电激励电极一,参激梁上表面靠近与同步耦合梁一相接处有压电激励电极二、靠近与同步耦合梁二相接处有压电感应电极;参考梁、参激梁、拾振梁、同步耦合梁一、及同步耦合梁二共同组成同步共振结构;参激梁、拾振梁及同步耦合梁二共同组成传感结构,参考梁、参激梁及同步耦合梁一、同步耦合梁二共同组成触发结构,敏感层涂覆于参激梁中部。
【技术特征摘要】
1.一种基于参数激励及同步共振的微量物质检测装置,其特征在于:包括至少一根参激梁、至少一根参考梁、至少一根拾振梁,其中拾振梁为悬臂短梁、其一端固定在基底二上,参激梁、参考梁两端分别与基底一和基底二固定连接,同步耦合梁一与基底一固定连接、且还分别与参考梁、参激梁连接,同步耦合梁二与基底二固定连接、且还分别与参考梁、参激梁和拾振梁连接,拾振梁上表面靠近与同步耦合梁二相接处有压电激励感应电极,参考梁上表面靠近与同步耦合梁一相接处有压电激励电极一,参激梁上表面靠近与同步耦合梁一相接处有压电激励电极二、靠近与同步耦合梁二相接处有压电感应电极;参考梁、参激梁、拾振梁、同步耦合梁一、及同步耦合梁二共同组成同步共振结构;参激梁、拾振梁及同步耦合梁二共同组成传感结构,参考梁、参激梁及同步耦合梁一、同步耦合梁二共同组成触发结构,敏感层涂覆于参激梁中部。2.根据权利要求1所述的一种基于参数激励及同步共振的微量物质检测装置,其特征在于:所述参考梁结构是:从上到下相互连接的压电激励电极一、上绝缘层一、基底梁一和下绝缘层二;其中压电激励电极一的结构是:从上到下相互连接的压电层上电极一、压电薄膜一和压电层下电极一。3.根据权利要求1所述的一种基于参数激励及同步共振的微量物质检测装置,其特征在于:所述参激梁的结构是:从上到下相互连接的上绝缘层二、基底梁二和下绝缘层二,压电激励电极二、压电感应电极分别连接在上绝缘层二上表面的两端,敏感层连接在上绝缘层二上表面的中部。4.根据权利要求3所述的一种基于参数激励及同步共振的微量物质检测装置,其特征在于:所述压电激励电极二的结构是:从上到下相互连接的压电层上电极二、压电薄膜二和压电层下电极二。5.根据权利要求3所述的一种基于参数激励及同步共振的微量物质检测装置,其特征在于:所述压电感应电极的结构是:从上到下相互连接的压电层上电极三、压电薄膜三和压电层下电极三。6.根据权利要求1所述的一种基于参数激励及同步共振的微量物质检测装置,其特征在于:所述拾振梁的结构是;从上到下相互连接的压电激励感应电极、上绝缘层三、基底梁三和下绝缘层三。7.根据权利要求6所述的一种基于参数激励及同步共振的微量物质检测装置,其特征在于:所述压电激励感应电极的结构是:从上到下相互连接的压电层上电极四、压电薄膜四和压电层下电极四。8.根据权利要求1所述的一种基于参数激励及同步共振的微量物质检测装置,其特征在于:拾振梁为高频梁,参考梁和参激梁为低频梁,参激梁和参考梁共振频率相等;当低频梁固有频率为f1,高频梁固有频率为f2,其固有频率满足如下公式:a1f1=b1f2其中,a1、b1均为正整数,且a1>b1,a1/b1为频率的放大倍数。9.一种基于参数激励及同步共振的微量物质检测方法,其体征在于,包括下列步骤:(1)、根据被测物质的性质,在参激梁上涂覆对应敏感层,用于吸附该被测微量物质,其吸附量与被测物质浓度成正比;确定同步共振时a1、b1的准确值及检测之前参考梁、参激梁的固有频率f0和质量M1,初始状态下两梁质量及固有频率相同;根据要求制定所吸附被测物质报...
【专利技术属性】
技术研发人员:王东方,杜旭,安临君,郑果文,夏操,万胜来,冯昊楠,孙超超,滕浩,王昕,杨旭,刘欣,殷志富,
申请(专利权)人:吉林大学,
类型:发明
国别省市:吉林,22
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