[實用新型]一種基于參數激勵及同步共振的微量物質檢測裝置

有效

• 申請號: 201821467951.X
• 申請日: 2018-09-07
• 公開（公告）號: CN208872648U
• 公開（公告）日: 2019-05-17
• 發明（設計）人: 王東方;杜旭;安臨君;鄭果文;夏操;萬勝來;馮昊楠;孫超超;滕浩;王昕;楊旭;劉欣;殷志富
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G01N19/00
• 分類號: G01N19/00;G01N33/00;G01N5/02
• 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

本實用新型涉及一種基于參數激勵及同步共振的微量物質檢測裝置，屬于微量物質檢測裝置及方法。包括至少一根參激梁、參考梁、拾振梁，兩個基底，兩根同步耦合梁，壓電激勵電極，壓電感應電極，壓電激勵感應電極和敏感層。拾振梁為懸臂梁，參激梁與參考梁為固定梁，參激梁用于接受外部刺激，使自身固有頻率發生變化通過電極的激勵和掃頻實現觸發及感應功能，參考梁用于觸發功能時與參激梁產生同步共振，抑制能量損耗。優點是結構新穎，節約材料，功能完善，通過參激梁與參考梁產生同步共振，參激梁與拾振梁產生同步共振并運用參數激勵原理分別實現觸發與傳感功能，實現頻率倍增，提高裝置的靈敏度，抑制能量耗散。

技術領域

本實用新型屬于微量物質檢測裝置，尤其涉及一種可實現觸發，傳感兩項功能的基于參數激勵及同步、去同步共振原理的裝置。

背景技術

基于非線性振動力學的同步共振原理，可實現低頻激振高頻拾振的頻率倍增效應。當兩個諧振子固有頻率存在一定的整數比關系時，即發生同步共振。兩諧振子振動頻率保持一定倍數關系的現象稱為相位鎖定，又稱鎖相。日本東北大學團隊通過對同步共振狀態下的兩根耦合梁的研究，確定了相位鎖定現象，測定了同步共振區域的寬度，發現梁結構的同步共振有助于降低相位噪聲；美國加州理工大學團隊通過電路控制壓電激勵的輸出信號，模擬耦合結構，分析了同步共振區域范圍與激勵電壓的關系，并在實驗現象中觀察到了相位噪聲的抑制。上述研究結果表明，諧振子的同步共振可實現相位噪聲的抑制，有利于諧振式質量傳感器分辨率的進一步提高。

利用參數激勵的激振方式，可實現梁結構的振幅躍變，提高傳感器的分辨率。日本NTT基礎研究實驗室研究表明參數激勵可以提高諧振子的品質因子，實現高靈敏度檢測。上海交通大學張文明團隊，在不同驅動信號輸入情況下(高斯噪聲，正弦波)，利用多尺度法、Lenard-Jones位能模型以及Volterra級數方法研究了壓膜阻尼、立方剛度、DC電壓的改變對參數激勵非線性振動特性(主要是軟硬彈簧特性和諧振頻率改變)的影響，為設計參數激勵下的傳感器奠定了基礎。以上結果表明，參數激勵能夠實現更高的分辨率，但受掃頻步長的限制，分岔點檢測不準確。

諧振式傳感器是利用諧振元件把被測參量轉換為頻率信號的傳感器，又稱頻率式傳感器。近年來，由于其體積小、重量輕、結構緊湊、分辨率高、精度高以及便于數據傳輸、處理和存儲等特點而被廣泛應用于安全檢測，環境監測，生物學探測等領域。將同步共振原理運用于諧振式傳感器，其振動頻率將得到成倍數的增加。相較于傳統諧振式傳感器，運用同步共振原理的諧振式傳感器具有靈敏度高、相位噪聲低、響應速度快等特點，對微小的信號檢測更有優勢。

發明內容

本實用新型提供一種基于參數激勵及同步共振的微量物質檢測裝置，目的在于提高裝置的靈敏度，抑制能量耗散；縮短檢測時間。

本實用新型采取的技術方案是：包括至少一根參激梁、至少一根參考梁、至少一根拾振梁，其中拾振梁為懸臂短梁、其一端固定在基底二上，參激梁、參考梁兩端分別與基底一和基底二固定連接，同步耦合梁一與基底一固定連接、且還分別與參考梁、參激梁連接，同步耦合梁二與基底二固定連接、且還分別與參考梁、參激梁和拾振梁連接，拾振梁上表面靠近與同步耦合梁二相接處有壓電激勵感應電極，參考梁上表面靠近與同步耦合梁一相接處有壓電激勵電極一，參激梁上表面靠近與同步耦合梁一相接處有壓電激勵電極二、靠近與同步耦合梁二相接處有壓電感應電極；參考梁、參激梁、拾振梁、同步耦合梁一、及同步耦合梁二共同組成同步共振結構；參激梁、拾振梁及同步耦合梁二共同組成傳感結構，參考梁、參激梁及同步耦合梁一、同步耦合梁二共同組成觸發結構，敏感層涂覆于參激梁中部。

所述參考梁結構是：從上到下相互連接的壓電激勵電極一、上絕緣層一、基底梁一和下絕緣層二；其中壓電激勵電極一的結構是：從上到下相互連接的壓電層上電極一、壓電薄膜一和壓電層下電極一。

所述參激梁的結構是：從上到下相互連接的上絕緣層二、基底梁二和下絕緣層二，壓電激勵電極二、壓電感應電極分別連接在上絕緣層二上表面的兩端，敏感層連接在上絕緣層二上表面的中部。