一种基于内共振的微量物质和驱动力同步传感器及方法技术

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微量物质和驱动力同步传感器及方法；其中微驱动器固定在基座底部，达芬低频谐振单元固定在基座顶部，线性高频谐振单元底部固定在基座右端，且达芬低频谐振单元和线性高频谐振单元的振动方向正交；振动耦合单元的两部分分别固定在达芬低频谐振单元右端和线性高频谐振单元顶端，特异性吸附层沉积在线性高频谐振单元右表面，且达芬低频谐振单元和线性高频谐振单元上分别固定有微换能器；利用达芬低频谐振子和线性高频谐振子之间的内共振，使达芬低频谐振子的幅频特性曲线出现凹陷和跳变，通过凹陷频率和幅值跳变频率分别实现对微量物质和驱动力传感，并通过倍频响应实现灵敏度放大。灵敏度放大。灵敏度放大。

【技术实现步骤摘要】
一种基于内共振的微量物质和驱动力同步传感器及方法


[0001]本专利技术属于质量传感
，尤其涉及一种基于内共振的微量物质和驱动力同步传感器及方法。

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、光学类和谐振式等几大类。其中，微纳谐振器因稳定性高、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。在线性振动范围内，微纳谐振器的振动水平的受到驱动强度的限制通常比较小，可能会被热噪声严重干扰甚至淹没，从而使信号检测十分困难。为了提高分辨率和灵敏度，通过提高驱动强度使微纳谐振器进入非线性振动区域。由于谐振器本身的达芬非线性、静电非线性驱动力和其他非线性物理量的存在，微纳谐振器表现出丰富的非线性运动行为。各种基于阻尼调节、参数驱动、参数反馈、相位同步、模态局部化、双稳态振动和内共振等非线性现象的分辨率增强机制，以及各种基于达芬分叉、双稳态振动、参数共振放大和内共振等非线性现象的灵敏度放大机制被广泛研究并运用于微量物质检测。
[0003]上述工作都或多或少的提高了传感分辨率或灵敏度，但是由于达芬非线性导致的频率对幅值的依赖性，它们对外界噪声和驱动力波动的频率稳定性都相当低，从而大大降低了测量结果的可靠性和真实性。

技术实现思路

[0004]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微量物质和驱动力同步传感器及方法，利用达芬低频谐振子和线性高频谐振子之间的内共振，使达芬低频谐振子的幅频特性曲线出现凹陷和跳变，且线性高频谐振子发生倍频响应。通过凹陷频率和幅值跳变频率分别实现对微量物质和驱动力传感，并通过倍频响应实现灵敏度放大。不仅实现了对微量物质和驱动力的同步检测，还避免了驱动力波动对微量物质传感的影响。
[0005]一种基于内共振的微量物质和驱动力同步传感器，包括微驱动器1、基座2、达芬低频谐振单元3、线性高频谐振单元4、微换能器5、振动耦合单元6和特异性吸附层7，其中微驱动器1固定在基座2的底部，达芬低频谐振单元3的左端固定在基座2的顶部，线性高频谐振单元4的底部固定在基座2的右端端部，且达芬低频谐振单元3和线性高频谐振单元4 的振动方向正交；振动耦合单元6的两部分分别固定在达芬低频谐振单元3右端端部的上表面和线性高频谐振单元4顶端的左表面，特异性吸附层7沉积在线性高频谐振单元4右表面，且达
芬低频谐振单元3和线性高频谐振单元4上分别固定有微换能器5。
[0006]所述微换能器5分别固定在达芬低频谐振单元3和线性高频谐振单元4应变最大处的表面。
[0007]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。
[0008]所述基座2包括底板201和侧板202，其中侧板202固定在底板201左端端部，底板201 固定在微驱动器1上，达芬低频谐振单元3的左端固定在侧板202内侧的顶部，线性高频谐振单元4的底部固定在底板201的右端端部。
[0009]所述线性高频谐振单元4为Π型悬臂梁，包括横向悬臂401和纵向悬臂402，其中两个横向悬臂401平行设置，且两个横向悬臂401的右端顶部分别固定在纵向悬臂402下方的前后两端。
[0010]所述达芬低频谐振单元3为矩形悬臂梁，且达芬低频谐振单元3和线性高频谐振单元4 的固有频率之比为1：2。
[0011]所述振动耦合单元6是由相同极性正对的主永磁铁601和副永磁铁602组成的磁振动耦合单元，其中主永磁铁601和副永磁铁602分别固定在达芬低频谐振单元3右端端部的上表面和线性高频谐振单元4顶端的左表面。
[0012]所述的特异性吸附层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线性高频谐振单元4的纵向悬臂402右表面。
[0013]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；
[0014]达芬低频谐振单元3上固定的微换能器5是通过其上的下电极503固定在达芬低频谐振单元3的右端上方，线性高频谐振单元4上固定的微换能器5是通过其上的下电极503固定在线性高频谐振单元4的横向悬臂401内侧下方。
[0015]一种应用上述一种基于内共振的微量物质和驱动力同步传感器对微量物质和驱动力同步检测的方法，包括以下步骤：
[0016]步骤一，对本传感器的质量传感频率、幅值跳变频率、质量检测频率、驱动力传感频率进行标定：
[0017]在达芬低频谐振单元3的固有频率ω1附近，用微驱动器1以a
d cos(Ωt)的加速度升频扫描驱动整个传感器，达芬低频谐振单元3和线性高频谐振单元4的固有频率ω1和ω2分别按下式计算：
[0018][0019]其中：k1是达芬低频谐振单元3的线性刚度，k2是线性高频谐振单元4的线性刚度，μ0是空间磁导率，d为振动耦合单元6的主永磁铁601和副永磁铁602的初始中心距，M为达芬低频谐振单元3的磁矩和线性高频谐振单元4的磁矩的标量值，a
d
为幅值，Ω为频率，t 为时间；
[0020]在非线性耦合力的作用下，线性高频谐振单元4与达芬低频谐振单元3发生2：1内共振，达芬低频谐振单元3的部分振动能量转移到线性高频谐振单元4，引起线性高频谐振单元4的倍频共振；因此，达芬低频谐振单元3的幅频特性曲线发生凹陷且在凹陷右边的频
率点ω
j
发生幅值跳变；
[0021]通过安装在达芬低频谐振单元3上的微换能器5对达芬低频谐振单元3的幅频特性曲线的凹陷频率进行定位并通过傅里叶变换进行标定，此处用该凹陷频率进行质量传感，故该凹陷频率即为本传感器的质量传感频率ω
ms
；通过安装在线性高频谐振单元4上的微换能器5 输出此时的电压信号并进行傅里叶变换，标定线性高频谐振单元4的振动频率，此处用该振动频率进行质量检测，故该振动频率即为本传感器的质量检测频率ω
md
；线性高频谐振单元 4的幅值跳变频率锁定为达芬低频谐振单元3的幅值跳变频率ω
j
的二倍，通过安装在线性高频谐振单元4上的微换能器5对线性高频谐振单元4的幅值跳变频率进行定位并通过傅里叶变换进行标定，该线性高频谐振单元4的幅值跳变频率被用于驱动力传感，故线性高频谐振单元4的幅值跳变频率即为本传感器的驱动力传感频率ω
F
，ω
F
＝2ω
j
；
[0022]步骤二，将本传感器安装在待测物质本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于内共振的微量物质和驱动力同步传感器，其特征在于包括微驱动器(1)、基座(2)、达芬低频谐振单元(3)、线性高频谐振单元(4)、微换能器(5)、振动耦合单元(6)和特异性吸附层(7)，其中微驱动器(1)固定在基座(2)的底部，达芬低频谐振单元(3)的左端固定在基座(2)的顶部，线性高频谐振单元(4)的底部固定在基座(2)的右端端部，且达芬低频谐振单元(3)和线性高频谐振单元(4)的振动方向正交；振动耦合单元(6)的两部分分别固定在达芬低频谐振单元(3)右端端部的上表面和线性高频谐振单元(4)顶端的左表面，特异性吸附层(7)沉积在线性高频谐振单元(4)右表面，且达芬低频谐振单元(3)和线性高频谐振单元(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微量物质和驱动力同步传感器，其特征在于所述微换能器(5)分别固定在达芬低频谐振单元(3)和线性高频谐振单元(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微量物质和驱动力同步传感器，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。4.根据权利要求3所述的一种基于内共振的微量物质和驱动力同步传感器，其特征在于所述基座(2)包括底板(201)和侧板(202)，其中侧板(202)固定在底板(201)左端端部，底板(201)固定在微驱动器(1)上，达芬低频谐振单元(3)的左端固定在侧板(202)内侧的顶部，线性高频谐振单元(4)的底部固定在底板(201)的右端端部。5.根据权利要求4所述的一种基于内共振的微量物质和驱动力同步传感器，其特征在于所述线性高频谐振单元(4)为Π型悬臂梁，包括横向悬臂(401)和纵向悬臂(402)，其中两个横向悬臂(401)平行设置，且两个横向悬臂(401)的右端顶部分别固定在纵向悬臂(402)下方的前后两端。6.根据权利要求5所述的一种基于内共振的微量物质和驱动力同步传感器，其特征在于所述达芬低频谐振单元(3)为矩形悬臂梁，且达芬低频谐振单元(3)和线性高频谐振单元(4)的固有频率之比为1：2。7.根据权利要求6所述的一种基于内共振的微量物质和驱动力同步传感器，其特征在于所述振动耦合单元(6)是由相同极性正对的主永磁铁(601)和副永磁铁(602)组成的磁振动耦合单元，其中主永磁铁(601)和副永磁铁(602)分别固定在达芬低频谐振单元(3)右端端部的上表面和线性高频谐振单元(4)顶端的左表面。8.根据权利要求7所述的一种基于内共振的微量物质和驱动力同步传感器，其特征在于所述的特异性吸附层(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线性高频谐振单元(4)的纵向悬臂(402)右表面。9.根据权利要求8所述的一种基于内共振的微量物质和驱动力同步传感器，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；达芬低频谐振单元(3)上固定的微换能器(5)是通过其上的下电极(503)固定在达芬低频谐振单元(3)的右端上方，线性高频谐振单元(4)上固定的微换能器(5)是通过其上的下电极(503)固定在线性高频谐振单元(4)的横向悬臂(401)内侧下方。10.一种应用权利要求1所述的一种基于内共振的微量物质和驱动力同步传感器对微
量物质和驱动力同步检测的方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一，对本传感器的质量传感频率、幅值跳变频率、质量检测频率、驱动力传感频率进行标定：在达芬低频谐振单元(3)的固有频率ω1附近，用微驱动器(1)以a
d
cos(Ωt)的加速度升频扫描驱动整个传感器，达芬低频谐振单元(...

【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：