[發(fā)明專利]一種基于內(nèi)共振的痕量物質(zhì)傳感器及方法

有效

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• 申請日: 2020-11-05
• 公開（公告）號: CN112325998B
• 公開（公告）日: 2021-08-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 夏操;王東方
• 申請（專利權(quán)）人: 吉林大學(xué)
• 主分類號: G01G9/00
• 分類號: G01G9/00;G01N5/02
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責(zé)任公司 22201
• 代理人: 郭佳寧

1.一種基于內(nèi)共振的痕量物質(zhì)傳感器測量痕量物質(zhì)質(zhì)量的方法，其中使用的基于內(nèi)共振的痕量物質(zhì)傳感器包括微驅(qū)動器(1)、L型支撐結(jié)構(gòu)(2)、低頻諧振單元(3)、高頻諧振單元(4)、微換能器(5)、耦合單元(6)和特異性吸附薄膜(7)，其中微驅(qū)動器(1)固定在L型支撐結(jié)構(gòu)(2)的底部，低頻諧振單元(3)的左端固定在L型支撐結(jié)構(gòu)(2)的頂部，高頻諧振單元(4)的底部固定在L型支撐結(jié)構(gòu)(2)的右端端部，且低頻諧振單元(3)和高頻諧振單元(4)的振動方向正交；耦合單元(6)的兩部分分別固定在低頻諧振單元(3)右端端部的下表面和高頻諧振單元(4)頂端的左表面，特異性吸附薄膜(7)沉積在低頻諧振單元(3)右端的上表面，低頻諧振單元(3)和高頻諧振單元(4)上分別固定有微換能器(5)；

其特征在于方法包括以下步驟：

步驟一，對低頻諧振單元(3)的雙諧振峰頻率進(jìn)行標(biāo)定：

在低頻諧振單元(3)的固有頻率ω₁附近，用微驅(qū)動器(1)以幅度為a_d，角頻率為Ω的加速度升頻掃描驅(qū)動整個傳感器，低頻諧振單元(3)和高頻諧振單元(4)的固有頻率ω₁和ω₂分別按下式計算：

其中：k₁是低頻諧振單元(3)的線性剛度，k₂是高頻諧振單元(4)的線性剛度，μ₀是空間磁導(dǎo)率，d為耦合單元(6)的主永磁鐵(601)和副永磁鐵(602)的初始中心距，M為低頻諧振單元(3)的磁矩和高頻諧振單元(4)的磁矩的標(biāo)量值；

在非線性耦合力的作用下，高頻諧振單元(4)與低頻諧振單元(3)發(fā)生2：1內(nèi)共振，低頻諧振單元(3)的部分振動能量轉(zhuǎn)移到高頻諧振單元(4)，引起高頻諧振單元(4)的倍頻共振，因此，低頻諧振單元(3)在其固有頻率ω₁處的共振峰發(fā)生凹陷，而在固有頻率ω₁的左右兩側(cè)出現(xiàn)兩個對稱的諧振峰即雙諧振峰；

通過安裝在低頻諧振單元(3)上的微換能器(5)對低頻諧振單元(3)的該雙諧振峰進(jìn)行定位并通過傅里葉變換對該雙諧振峰的頻率進(jìn)行標(biāo)定，得到低頻諧振單元(3)的左諧振峰傳感頻率ω_1L和低頻諧振單元(3)的右諧振峰傳感頻率ω_1R；

通過安裝在高頻諧振單元(4)上的微換能器(5)檢測低頻諧振單元(3)的雙諧振峰對應(yīng)的高頻諧振單元(4)的輸出信號，并通過傅里葉變換計算高頻諧振單元(4)的左傳感頻率ω_2L和右傳感頻率ω_2R；

步驟二，將本傳感器安裝在待測物質(zhì)所在環(huán)境氛圍中；

步驟三，在0.8ω₁到1.2ω₁的頻率范圍內(nèi)循環(huán)升頻掃描微驅(qū)動器(1)，且在升頻過程中以升頻間隔為0.0001ω₁不斷計算低頻諧振單元(3)的左諧振峰傳感頻率ω_1L和低頻諧振單元(3)的右諧振峰傳感頻率ω_1R，如果雙諧振峰頻率之和ω_1L+ω_1R不斷變化，說明特異性吸附薄膜(7)在不斷吸附待測物質(zhì)，待雙諧振峰頻率之和ω_1L+ω_1R穩(wěn)定不變時，說明達(dá)到了吸附平衡，此時根據(jù)低頻諧振單元(3)上微換能器(5)的輸出電壓標(biāo)定吸附平衡時低頻諧振單元(3)的雙諧振峰頻率ω_1L′和ω_1R′，并計算此時高頻諧振單元(4)的左傳感頻率ω_2L′和右傳感頻率ω_2R′；

步驟四，根據(jù)吸附前后高頻諧振單元(4)的左、右傳感頻率之和ω_2L+ω_2R和ω_2L′+ω_2R′，按照下式計算所吸附痕量物質(zhì)的質(zhì)量：