[發明專利]一種基于內共振的痕量物質傳感器及方法

有效

• 申請號: 202011224099.5
• 申請日: 2020-11-05
• 公開（公告）號: CN112325998B
• 公開（公告）日: 2021-08-13
• 發明（設計）人: 夏操;王東方
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 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任公司 22201
• 代理人: 郭佳寧

本發明屬于質量傳感技術領域，尤其涉及一種基于內共振的痕量物質傳感器及方法；其中微驅動器固定在L型支撐結構底部，低頻諧振單元固定在L型支撐結構頂部，高頻諧振單元固定在L型支撐結構右端，耦合單元分別固定在低頻諧振單元下表面和高頻諧振單元左表面，特異性吸附薄膜沉積在低頻諧振單元右端上表面，低頻諧振單元和高頻諧振單元上分別固定有微換能器；對低頻諧振單元的雙諧振峰頻率進行標定后將本傳感器安裝在待測物質所在環境氛圍中，根據吸附前后高頻諧振單元左、右傳感頻率之和計算所吸附痕量物質的質量，實現對質量靈敏度的兩級放大和對驅動力波動噪聲的共模抑制，突破現有技術的質量檢測下限，實現千萬分之一濃度痕量物質檢測。

技術領域

本發明屬于質量傳感技術領域，尤其涉及一種基于內共振的痕量物質傳感器及方法。

背景技術

隨著科學技術的發展，人們的生活水平在不斷提高。然而近年來，環境污染、疾病預防、公共安全等諸多問題相繼暴露而出。為了解決以上問題，對微量污染物、爆炸物、生物小分子等物質進行檢測并做出預警是至關重要的。目前可用于實現微小質量檢測的傳感器主要有電學類、電化學類、光學類和諧振梁式等幾大類。其中，諧振梁式傳感器因穩定性高、結構簡單、易于集成化和小型、成本低在諸如質量(氣體、病毒、細胞、生物分子等)傳感、力傳感、電磁場傳感等領域得到了廣泛應用。但是，諧振式傳感器的傳感性能受到共振頻率、品質因數、振動強度和噪聲等多種因素的限制。為此，各國研究人員從工程和原理兩個方面做了許多的工作。在工程上，主要采用超低溫低溫傳感、真空封裝和反饋激勵來改善傳感性能。在原理上，主要通過施加殘余應力、機械邊帶激勵、參數放大和相位同步來提高傳感分辨率，以及利用單個或耦合微/納米機械系統中的達芬分叉、參數共振、同步共振、和內共振等非線性振動原理實現靈敏度放大。上述工作都或多或少的提高了傳感分辨率或靈敏度，但是對～sub-ppm(千萬分之一)濃度物質的檢測依然存在挑戰，無法在易燃、易爆炸、有毒氣體分子、病毒、花粉等物質的出現早期做出預警，大大減少了人們的預防和應對時間，可能會造成巨大的社會損失。

發明內容

為了克服上述問題，本發明面向極微小質量檢測的迫切需求，提出一種基于內共振的痕量物質傳感器及方法，利用非達芬諧振子之間的內共振對質量擾動的倍頻差分放大效應，實現對質量靈敏度的兩級放大和對驅動力波動噪聲的共模抑制，突破現有技術的質量檢測下限(～10^-24g)，實現～sub-ppm(千萬分之一)濃度痕量物質檢測。

一種基于內共振的痕量物質傳感器，包括微驅動器1、L型支撐結構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，其中微驅動器1固定在L型支撐結構2的底部，低頻諧振單元3的左端固定在L型支撐結構2的頂部，高頻諧振單元4的底部固定在L型支撐結構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。

所述微換能器5分別固定在低頻諧振單元3和高頻諧振單元4應變最大處的表面。

所述的微驅動器1為壓電驅動器、靜電驅動器、電磁驅動器、熱驅動器、光驅動器、形狀記憶合金驅動器或磁致伸縮驅動器。

所述L型支撐結構2包括底板21和側板22，其中側板22固定在底板21左端端部，底板21固定在微驅動器1上，低頻諧振單元3的左端固定在側板22的頂部，高頻諧振單元4的底部固定在底板21的右端端部。

所述低頻諧振單元3包括橫向懸臂31和縱向懸臂32，其中兩個橫向懸臂31平行設置，且兩個橫向懸臂31的右端分別固定在縱向懸臂32下方的前后兩端。

所述高頻諧振單元4為矩形懸臂梁，且低頻諧振單元3和高頻諧振單元4的固有頻率之比為1：2。