[發(fā)明專利]一種基于同步共振的流體中微量物質(zhì)檢測裝置及方法

在審

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• 申請日: 2017-11-28
• 公開（公告）號: CN107796868A
• 公開（公告）日: 2018-03-13
• 發(fā)明（設計）人: 王東方;鄭果文;杜旭;田利峰;夏操;萬勝來;王昕;楊旭;劉欣;殷志富
• 申請（專利權(quán)）人: 吉林大學
• 主分類號: G01N29/02
• 分類號: G01N29/02;G01N29/036
• 代理公司: 吉林長春新紀元專利代理有限責任公司22100
• 代理人: 魏征驥

技術(shù)領域

本發(fā)明屬于傳感器技術(shù)領域，尤其涉及一種基于同步共振的流體中微量物質(zhì)檢測裝置及方法。

背景技術(shù)

諧振式傳感器具有體積小、響應快、靈敏度高等優(yōu)點，廣泛用于環(huán)境監(jiān)測、生化檢測、汽車工業(yè)等領域。當應用于流體中的物質(zhì)檢測時，諧振結(jié)構(gòu)由于受到大的流體阻力作用，使得品質(zhì)因數(shù)大大衰減，進而降低其靈敏度和分辨率。為了減弱流體阻力對諧振結(jié)構(gòu)振動特性的影響，可在諧振結(jié)構(gòu)中加工微流道。流體從諧振結(jié)構(gòu)內(nèi)部的微流道中流過，將會改變結(jié)構(gòu)的固有頻率，通過檢測固有頻率變化可以計算出流體中的某些參量。美國麻省理工大學在懸臂梁中加工出微流道，利用該結(jié)構(gòu)檢測出流體中的生物分子。為了實現(xiàn)多種物質(zhì)的并行快速檢測，其研究團隊設計出串聯(lián)的懸臂梁陣列結(jié)構(gòu)。然而，由于懸臂梁本身在振動過程中會有熱機械噪聲，待測流體的溫度變化也會對懸臂梁的振動特性產(chǎn)生影響，這些使得懸臂梁具有很大的噪聲，因而其分辨率受限。

為了提高諧振器的性能，不少團隊探索同步共振在微納振子中的應用。如加州理工大學利用同步共振來降低諧振器的相位噪聲，西班牙巴塞羅那大學實現(xiàn)了五根懸臂梁的同步共振。然而，這些研究在促進同步共振傳感器的實用化方面，依然存在不足。如難以應用在流體檢測中，難以實現(xiàn)對多種物質(zhì)的檢測等，這些都嚴重制約了同步共振傳感器的應用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出一種基于同步共振的流體中微量物質(zhì)檢測裝置及方法。

本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：固支梁陣列結(jié)構(gòu)由n根尺寸相同的固支梁組成，n≥2且為整數(shù)，包括一根參考梁和至少一根檢測梁，不同固支梁的兩端通過耦合單元相連，固支梁陣列結(jié)構(gòu)和耦合單元都固定在支撐結(jié)構(gòu)上，每根固支梁和支撐結(jié)構(gòu)的內(nèi)部都加工有依次串聯(lián)相通的微流道，參考梁上的微流道的中央位置上沉積惰性材料層，檢測梁上的微流道的中央位置上沉積不同的敏感層，支撐結(jié)構(gòu)的下部有壓電圓盤，每根固支梁上表面的一端沉積有壓電元件。

所述檢測梁和參考梁的固有頻率相等，各檢測梁通過耦合單元依次相連，最后一根檢測梁通過耦合單元和參考梁相連。

所述微流道包括支撐結(jié)構(gòu)上的流道入口和流道出口。

所述的參考梁上的微流道的中央位置上沉積惰性材料層采用如二氧化硅、金；

所述的各檢測梁上的微流道的中央位置上沉積不同的敏感層，用于實現(xiàn)對不同物質(zhì)的特異性吸附。

所述壓電元件包括上電極、壓電層、下電極，其中下電極緊貼固支梁的表面，壓電層置于下電極的上方，而上電極又置于壓電層的上方。

一種基于同步共振的流體中微量物質(zhì)檢測方法，包括下列步驟：

步驟(1)、利用壓差式流體驅(qū)動方法，將待測流體通入微流道中，待測流體通入速度小于1cm/s，待測流體通入5分鐘以后，待測流體中的物質(zhì)和敏感層發(fā)生明顯的化學反應，停止通入待測流體；

步驟(2)、在壓電圓盤上施加幅值為A₀的交流電信號，固支梁陣列結(jié)構(gòu)開始振動，在參考梁表面的壓電元件上，施加幅值為A₁的交流電信號，A₁<<A₀，不斷改變該交流電信號的頻率，直至固支梁陣列結(jié)構(gòu)發(fā)生同步共振；將其余壓電元件、除了參考梁表面的壓電元件、串聯(lián)并和示波器相連，輸出振動信號，記錄同步共振的頻率，記為f₀；

步驟(3)、在壓電圓盤上施加幅值為A₀的交流電信號，依次在每根檢測梁表面的壓電元件上施加幅值為A₁的交流電信號，A₁<<A₀，使得固支梁陣列結(jié)構(gòu)發(fā)生不同狀態(tài)的同步共振，記錄同步共振的頻率，記為f₁、f₂…f_n-1，n為固支梁的根數(shù)；

步驟(4)、計算得到n-1個頻率偏移量：△f_j＝f_j-f₀，j＝1,2…n-1，進而計算每根檢測梁的有效質(zhì)量變化量：j＝1,2…n-1，其中m_eff為通入流體前各檢測梁或參考梁的有效質(zhì)量，由此確定每根檢測梁上是否吸附物質(zhì)及吸附多少物質(zhì)，實現(xiàn)流體中微量物質(zhì)的檢測。