本发明专利技术属于质量传感技术领域，尤其涉及一种基于内共振的痕量物质传感器及方法；其中微驱动器固定在L型支撑结构底部，低频谐振单元固定在L型支撑结构顶部，高频谐振单元固定在L型支撑结构右端，耦合单元分别固定在低频谐振单元下表面和高频谐振单元左表面，特异性吸附薄膜沉积在低频谐振单元右端上表面，低频谐振单元和高频谐振单元上分别固定有微换能器；对低频谐振单元的双谐振峰频率进行标定后将本传感器安装在待测物质所在环境氛围中，根据吸附前后高频谐振单元左、右传感频率之和计算所吸附痕量物质的质量，实现对质量灵敏度的两级放大和对驱动力波动噪声的共模抑制，突破现有技术的质量检测下限，实现千万分之一浓度痕量物质检测。物质检测。物质检测。
【技术实现步骤摘要】
一种基于内共振的痕量物质传感器及方法
[0001]本专利技术属于质量传感
，尤其涉及一种基于内共振的痕量物质传感器及方法。
技术介绍
[0002]随着科学技术的发展，人们的生活水平在不断提高。然而近年来，环境污染、疾病预防、公共安全等诸多问题相继暴露而出。为了解决以上问题，对微量污染物、爆炸物、生物小分子等物质进行检测并做出预警是至关重要的。目前可用于实现微小质量检测的传感器主要有电学类、电化学类、光学类和谐振梁式等几大类。其中，谐振梁式传感器因稳定性高、结构简单、易于集成化和小型、成本低在诸如质量(气体、病毒、细胞、生物分子等)传感、力传感、电磁场传感等领域得到了广泛应用。但是，谐振式传感器的传感性能受到共振频率、品质因数、振动强度和噪声等多种因素的限制。为此，各国研究人员从工程和原理两个方面做了许多的工作。在工程上，主要采用超低温低温传感、真空封装和反馈激励来改善传感性能。在原理上，主要通过施加残余应力、机械边带激励、参数放大和相位同步来提高传感分辨率，以及利用单个或耦合微/纳米机械系统中的达芬分叉、参数共振、同步共振、和内共振等非线性振动原理实现灵敏度放大。上述工作都或多或少的提高了传感分辨率或灵敏度，但是对～sub-ppm(千万分之一)浓度物质的检测依然存在挑战，无法在易燃、易爆炸、有毒气体分子、病毒、花粉等物质的出现早期做出预警，大大减少了人们的预防和应对时间，可能会造成巨大的社会损失。
技术实现思路
[0003]为了克服上述问题，本专利技术面向极微小质量检测的迫切需求，提出一种基于内共振的痕量物质传感器及方法，利用非达芬谐振子之间的内共振对质量扰动的倍频差分放大效应，实现对质量灵敏度的两级放大和对驱动力波动噪声的共模抑制，突破现有技术的质量检测下限(～10-24
g)，实现～sub-ppm(千万分之一)浓度痕量物质检测。
[0004]一种基于内共振的痕量物质传感器，包括微驱动器1、L型支撑结构2、低频谐振单元3、高频谐振单元4、微换能器5、耦合单元6和特异性吸附薄膜7，其中微驱动器1固定在L型支撑结构2的底部，低频谐振单元3的左端固定在L型支撑结构2的顶部，高频谐振单元4的底部固定在L型支撑结构2的右端端部，且低频谐振单元3和高频谐振单元4的振动方向正交；耦合单元6的两部分分别固定在低频谐振单元3右端端部的下表面和高频谐振单元4顶端的左表面，特异性吸附薄膜7沉积在低频谐振单元3右端的上表面，低频谐振单元3和高频谐振单元4上分别固定有微换能器5。
[0005]所述微换能器5分别固定在低频谐振单元3和高频谐振单元4应变最大处的表面。
[0006]所述的微驱动器1为压电驱动器、静电驱动器、电磁驱动器、热驱动器、光驱动器、形状记忆合金驱动器或磁致伸缩驱动器。
[0007]所述L型支撑结构2包括底板21和侧板22，其中侧板22固定在底板21左端端部，底
板21固定在微驱动器1上，低频谐振单元3的左端固定在侧板22的顶部，高频谐振单元4的底部固定在底板21的右端端部。
[0008]所述低频谐振单元3包括横向悬臂31和纵向悬臂32，其中两个横向悬臂31平行设置，且两个横向悬臂31的右端分别固定在纵向悬臂32下方的前后两端。
[0009]所述高频谐振单元4为矩形悬臂梁，且低频谐振单元3和高频谐振单元4的固有频率之比为1：2。
[0010]所述耦合单元6是由相同极性正对的主永磁铁601和副永磁铁602组成的磁耦合单元，其中主永磁铁601和副永磁铁602分别固定在低频谐振单元3右端端部的下表面和高频谐振单元4顶端的左表面。
[0011]所述的特异性吸附薄膜7根据待测物质的性质采用生物吸附、化学吸附或物理吸附沉积在低频谐振单元3右端的上表面。
[0012]所述微换能器5是由上电极501、压电层502和下电极503组成的压电换能器，其中压电层502固定在下电极503上，上电极501固定在压电层502上；
[0013]低频谐振单元3上固定的微换能器5是通过其上的下电极503固定在低频谐振单元3的横向悬臂31左端上方，高频谐振单元4上固定的微换能器5是通过其上的下电极503固定在高频谐振单元4的内端下方。
[0014]一种应用上述一种基于内共振的痕量物质传感器测量痕量物质质量的方法，包括以下步骤：
[0015]步骤一，对低频谐振单元3的双谐振峰频率进行标定：
[0016]在低频谐振单元3的固有频率ω1附近，用微驱动器1以幅度为a
d
，角频率为Ω的加速度升频扫描驱动整个传感器，低频谐振单元3和高频谐振单元4的固有频率ω1和ω2分别按下式计算：
[0017][0018]其中：k1是低频谐振单元3的线性刚度，k2是高频谐振单元4的线性刚度，μ0是空间磁导率，d为耦合单元6的主永磁铁601和副永磁铁602的初始中心距，M为低频谐振单元3的磁矩和高频谐振单元4的磁矩的标量值；
[0019]在非线性耦合力的作用下，高频谐振单元4与低频谐振单元3发生2：1内共振，低频谐振单元3的部分振动能量转移到高频谐振单元4，引起高频谐振单元4的倍频共振，因此，低频谐振单元3在其固有频率ω1处的共振峰发生凹陷，而在固有频率ω1的左右两侧出现两个对称的谐振峰；
[0020]通过安装在低频谐振单元3上的微换能器5对低频谐振单元3的该双谐振峰进行定位并通过傅里叶变换对该双谐振峰的频率进行标定，得到低频谐振单元3的左谐振峰传感频率ω
1L
和低频谐振单元3的右谐振峰传感频率ω
1R
；
[0021]通过安装在高频谐振单元4上的微换能器5检测低频谐振单元3的双谐振峰对应的高频谐振单元4的输出信号，并通过傅里叶变换计算高频谐振单元4的左传感频率ω
2L
和右传感频率ω
2R
；
[0022]步骤二，将本传感器安装在待测物质所在环境氛围中；
[0023]步骤三，在0.8ω1到1.2ω1的频率范围内循环升频扫描微驱动器1，且在升频过程
中以升频间隔为0.0001ω1不断计算低频谐振单元3的左谐振峰传感频率ω
1L
和低频谐振单元3的右谐振峰传感频率ω
1R
，如果双谐振峰频率之和ω
1L
+ω
1R
不断变化，说明特异性吸附薄膜7在不断吸附待测物质，待双谐振峰频率之和ω
1L
+ω
1R
稳定不变时，说明达到了吸附平衡，此时根据低频谐振单元3上微换能器5的输出电压标定吸附平衡时低频谐振单元3的双谐振峰频率ω
1L
′
和ω
1R
′
，并计算此时高频谐振单元4的的左传感频率ω
2L
′
和右传感频率ω
2R
′
；
[0024]步骤四，根据吸附前后高频谐振单元4的左、右传感频率之和ω
2L+
ω
2R
和ω...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于内共振的痕量物质传感器，其特征在于包括微驱动器(1)、L型支撑结构(2)、低频谐振单元(3)、高频谐振单元(4)、微换能器(5)、耦合单元(6)和特异性吸附薄膜(7)，其中微驱动器(1)固定在L型支撑结构(2)的底部，低频谐振单元(3)的左端固定在L型支撑结构(2)的顶部，高频谐振单元(4)的底部固定在L型支撑结构(2)的右端端部，且低频谐振单元(3)和高频谐振单元(4)的振动方向正交；耦合单元(6)的两部分分别固定在低频谐振单元(3)右端端部的下表面和高频谐振单元(4)顶端的左表面，特异性吸附薄膜(7)沉积在低频谐振单元(3)右端的上表面，低频谐振单元(3)和高频谐振单元(4)上分别固定有微换能器(5)。2.根据权利要求1所述的一种基于内共振的痕量物质传感器，其特征在于所述微换能器(5)分别固定在低频谐振单元(3)和高频谐振单元(4)应变最大处的表面。3.根据权利要求2所述的一种基于内共振的痕量物质传感器，其特征在于所述L型支撑结构(2)包括底板(21)和侧板(22)，其中侧板(22)固定在底板(21)左端端部，底板(21)固定在微驱动器(1)上，低频谐振单元(3)的左端固定在侧板(22)的顶部，高频谐振单元(4)的底部固定在底板(21)的右端端部。4.根据权利要求3所述的一种基于内共振的痕量物质传感器，其特征在于所述低频谐振单元(3)包括横向悬臂(31)和纵向悬臂(32)，其中两个横向悬臂(31)平行设置，且两个横向悬臂(31)的右端分别固定在纵向悬臂(32)下方的前后两端。5.根据权利要求4所述的一种基于内共振的痕量物质传感器，其特征在于所述高频谐振单元(4)为矩形悬臂梁，且低频谐振单元(3)和高频谐振单元(4)的固有频率之比为1：2。6.根据权利要求5所述的一种基于内共振的痕量物质传感器，其特征在于所述耦合单元(6)是由相同极性正对的主永磁铁(601)和副永磁铁(602)组成的磁耦合单元，其中主永磁铁(601)和副永磁铁(602)分别固定在低频谐振单元(3)右端端部的下表面和高频谐振单元(4)顶端的左表面。7.根据权利要求6所述的一种基于内共振的痕量物质传感器，其特征在于所述微换能器(5)是由上电极(501)、压电层(502)和下电极(503)组成的压电换能器，其中压电层(502)固定在下电极(503)上，上电极(501)固定在压电层(502)上；低频谐振单元(3)上固定的微换能器(5)是通过其上的下电极(503)固定在低频谐振单元(3)的横向悬臂(31)左端上方，高频谐振单元(4)上固定的微换能器(5)是通过其上的下电极(503)固定在高频谐振单元(4)的内端下方。8.根据权利要求7所述的一种基于内共振的痕量物质传感器，其特征在于所述的特异性吸附薄膜(7)根据待测物质的性质采用生物吸附、化学吸附或物理吸附沉积在低频谐振单元(3)右端的上表面。9.根据权利要求8所述的一种基于内共振的痕量物质传感器，其特征在于所述的微驱动器(1)为压电驱动器、静电驱动器、电磁驱动器、热驱动器、光驱动器、形状记忆合金驱动器或磁致伸缩驱动器。10.一种应用权利要求...
【专利技术属性】
技术研发人员：夏操，王东方，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：
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