[實用新型]一種基于模態局部化的諧振式氣體感測裝置

有效

• 申請號: 201821630882.X
• 申請日: 2018-10-01
• 公開（公告）號: CN208833705U
• 公開（公告）日: 2019-05-07
• 發明（設計）人: 王東方;周頔;劉書溢;李曉東;洪婧;劉欣
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G01N27/12
• 分類號: G01N27/12
• 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模態局部化的諧振式氣體感測裝置，屬于氣體檢測領域。主要包括三根耦合的雙端固支梁組成的雙端固支梁耦合陣列以及一根參考梁組成，在第一根和第二根的雙端固支梁中部表面沉積有對兩種不同氣體分別敏感的特異性薄膜，并在第三根雙端固支梁以及參考梁中部表面沉積等質量的非敏感薄膜，在吸附氣體前后通過檢測陣列的模態改變量并求取實測局部化程度參數，定性判斷氣體存在情況，再定量求解出兩種氣體各自的濃度值。優點是結構新穎、體積小、檢測靈敏度高、識別效率高、有利于微量氣體的檢測，可應用于重要公共場合有毒有害氣體的預警。

技術領域

本實用新型屬于氣體檢測領域，涉及一種基于模態局部化的諧振式氣體感測裝置及檢測方法。

背景技術

隨著物聯網(IOT)技術的不斷發展，在醫療診斷、環境監測、車站安檢等眾多應用領域對于有毒有害氣體高靈敏度檢測的需求越來越迫切，傳統的氣體傳感器大多基于測量氣體的光譜或是基于氣體的濃度與某種電學特性(如電阻，電壓等等)的關系實現感測，但在感測的過程中存在著諸多問題，如靈敏度不夠高、結構復雜、體積過于龐大等。

近年來，越來越多的科研工作者將模態局部化原理引入物質檢測領域，原因是基于模態局部化原理的質量傳感器或力傳感器可以獲得很高的檢測靈敏度，傳感結構可以為簡單的微懸臂梁耦合陣列，能有效實現器件的微型化，減少檢測成本。它與傳統諧振式傳感器的區別在于，利用諧振模態的改變量而不是諧振頻率作為傳感器的輸出。2006年，普渡大學首次開啟了基于模態局部化原理的超高靈敏度傳感檢測的先河，通過在一個2自由度耦合陣列其中一根懸臂梁尖端施加154pg微小顆粒，獲得的諧振模態改變量與諧振頻率改變量相比，靈敏度提高了2個數量級；2008年，該團隊進一步將2自由度耦合陣列擴展為15自由度耦合陣列，將靈敏度提高了3個數量級；2009年，劍橋大學團隊構建了基于靜電力耦合的兩自由度雙端固定音叉諧振子結構，通過減小耦合剛度進一步提高了檢測靈敏度，同時證明了應用模態局部化的力傳感器可實現共模抑制，即避免溫度、濕度等環境因素的干擾；2012年，南安普頓大學設計了基于模態局部化效應的電場耦合三自由度諧振子結構，將中間諧振子的剛度設定為兩側諧振子剛度的2倍，實驗證明與諧振頻率改變量相比，該傳感結構可將靈敏度提高3到4個數量級。由此可見，通過將模態局部化原理引入物質檢測可大大提高檢測的靈敏度。

但現有的基于模態局部化效應的諧振式傳感器僅用于單一質量的感測定位，由于實際生活中待測物通常不唯一，一次只檢測一種物質效率較低；其次，當前模態局部化相關研究對于靈敏度的提升僅針對于檢測單一物質，對于多種物質檢測的靈敏度尚存在提升的空間。

發明內容

本實用新型提供一種基于模態局部化的諧振式氣體感測裝置，以解決目前氣體傳感器存在檢測效率低、感測靈敏度不高、結構復雜、檢測成本高的問題，

本實用新型采取技術方案是：諧振式氣體感測裝置的結構是：雙端固支梁耦合感測陣列與參考梁并排布置，且該雙端固支梁耦合感測陣列和參考梁的一端分別與滑動塊內側固連，該雙端固支梁耦合感測陣列和參考梁的另一端分別與固定塊的一邊固連，該固定塊的另一邊與折疊彈簧固定連接，該折疊彈簧的矩形端部內嵌于外殼的尾槽中，該固定塊的另外兩個對邊還分別通過固連的四個勾型結構與外殼的卡槽卡接，該滑動塊的外側與預壓彈簧的內側緊密貼合，該預壓彈簧的外側緊貼于外殼的內側面，方形疊堆式壓電致動器內嵌于該預壓彈簧中間的方槽中，各壓電片串聯結構分別沉積于雙端固支梁耦合感測陣列和參考梁靠近固定塊一側的根部上方，各壓電片分別沉積于雙端固支梁耦合感測陣列和參考梁靠近滑動塊一側的根部上方；非敏感薄膜沉積于參考梁以及雙端固支梁耦合感測陣列中的第三根雙端固支梁中部方形結構的上表面，對A種氣體敏感的薄膜沉積于雙端固支梁耦合感測陣列的第二根雙端固支梁方形結構的上表面，對B種氣體敏感薄膜沉積于雙端固支梁耦合感測陣列的第一根雙端固支梁方形結構的上表面；熱電阻絲沉積于外殼基底上的凸出塊的上表面，且該熱電阻絲只位于雙端固支梁耦合感測陣列中的第一根雙端固支梁和第二根雙端固支梁的正下方。