一種多孔懸臂梁結構的多用途微質量傳感器的製作方法

2023-11-30 19:39:06

專利名稱：一種多孔懸臂梁結構的多用途微質量傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種多孔懸臂梁結構的多用途微質量傳感器，屬於多用途探測傳感器技術領域，主要用於多種不同液體濃度、細胞生長以及微生物如細菌或病毒質量等物質的高精度測量。
背景技術：
壓電式微質量傳感器主要通過測量附著在傳感器表面的物質的質量引起的結構諧振頻率變化來檢測物質成分，具有結構簡單、響應快，成本低和精度高的特點，在微生物檢測如細菌和病毒、微小顆粒、氣/液體成分和濃度等方面具有廣泛的應用。其基本原理可用下式表述，Δ Α=-^ Δηι/Χ,其中A為傳感器第i階諧振頻率，Me為懸臂梁等效質量，Am為單位面積增加質量，Afi為增加質量Am引起的傳感器諧振頻率變化。傳統平面結構的微質量傳感器受單一測量平面的限制，難以有效劃分不同的測量區域，因而主要用於單種物 質的測量，且靈敏度受測量位置的影響較為嚴重。國際專利WO 2005/043126 A2提出採用單壓電片激勵的矩形截面懸臂梁傳感器，由於矩形截面懸臂梁的剛度質量比固定且探測區域為單一平面，直接造成了其測量物質單一，限制了其在氣/液濃度、微小顆粒測量等方面的應用。美國專利US6722200提出一種可測量單原子質量的矽材料傳感器，懸臂梁邊緣位置的靈敏度要明顯低於中心位置，由於該傳感器主要依靠吸附的方式來固定被測原子，使得吸附位置會直接影響測量結果。美國專利US 6389877 BI和國內專利CN1250156A採用單頭和雙頭的懸臂結構來測量頻率，雖然通過增大懸臂面積來增大測量區域，但同時也增大了懸臂梁的系統有效質量凡，不利於傳感器靈敏度的提高，存在探測區域面積增大與靈敏度降低之間的矛盾。最近國內發明專利公開號CN 1609555A提出採用測量吸附有探測物的振子位移差的方法來測量質量，但其中需要複雜的光學位移測量系統，增加測量成本。文獻《光學精密工程》2012年第一期「基於槽式懸臂梁結構的微質量傳感器設計」中所述的傳感器雖然有效提升了傳感器的靈敏度，但靈敏度容易受到測量位置的影響。綜合分析發現，受自身結構的限制，平面式質量傳感器存在可測量區域小、測量種類單一且靈敏度易受測量位置影響的弱點，嚴重影響了其適用範圍。因此，需要在提升靈敏度的情況下，擴大傳感器的測量區域，並減小測量位置對靈敏度的影響程度。

發明內容
本發明針對現有微質量傳感器測量區域單一、靈敏度低及靈敏度嚴重依賴於探測位置的弱點，提供一種多孔懸臂梁結構的多用途微質量傳感器，利用多孔懸臂梁結構有效地分隔不同的探測區域和提升靈敏度，使傳感器的測量精度不再依賴於測量位置。通過實驗與仿真對比發現，在相同尺度下，多孔懸臂梁結構微質量傳感器的靈敏度是矩形截面梁傳感器的2. 21 2. 87倍。所提出的微質量傳感器具有多個集中測量區域、單位面積靈敏度高和穩定性好的特點，在細胞生長、液體成分和濃度等方面具有廣泛的應用。本發明的技術方案是一種多孔懸臂梁結構的多用途微質量傳感器，它包括一個懸臂梁、壓電薄膜和固定塊，所述懸臂梁採用帶有凹槽的多孔懸臂梁，多孔懸臂梁的上表面連接著壓電薄膜，並一端連接於固定塊，通過測量懸臂結構在吸附探測物前後的諧振頻率差Δ ·，進而計算得到探測物的質量m。所述多孔懸臂梁採用單凹槽或多凹槽多孔懸臂梁。所述多孔懸臂梁沿軸向設置一定數目的軸向孔。所述軸向孔為矩形孔、圓孔或多邊形孔。所述帶有表面凹槽的多孔懸臂梁的凹槽稜角在大於O度和小於180度之間。所述壓電薄膜長度小於帶有表面凹槽的多孔懸臂梁長度。
所述懸臂梁壓電薄膜覆蓋部分和延伸部分的諧振頻率滿足fu=f2i，其中fn和f2i分別為壓電複合層和延伸層的諧振頻率。所述一種多孔懸臂梁結構的多用途微質量傳感器的設計方法如下所示對於多孔懸臂梁結構的諧振頻率計算公式為
權利要求
1.一種多孔懸臂梁結構的多用途微質量傳感器，它包括一個懸臂梁、壓電薄膜(2)和固定塊(1)，其特徵在於所述懸臂梁採用多孔懸臂梁，多孔懸臂梁的上表面連接著壓電薄膜(2)，並一端連接於固定塊(1)，通過測量懸臂結構在吸附探測物前後的諧振頻率差Af,進而計算得到探測物的質量m。
2.根據權利要求I所述的一種多孔懸臂梁結構的多用途微質量傳感器，其特徵在於所述多孔懸臂梁採用單個表面方形凹槽多孔懸臂梁(3)或多個表面方形凹槽多孔懸臂梁⑷。
3.根據權利要求I或2所述的一種多孔懸臂梁結構的多用途微質量傳感器，其特徵在於所述多孔懸臂梁的沿軸向均勻設置一定數目的軸向孔。
4.根據權利要求3所述的一種多孔懸臂梁結構的多用途微質量傳感器，其特徵在於所述軸向孔為矩形孔、圓孔或多邊形孔。
5.根據權利要求I所述的一種多孔懸臂梁結構的多用途微質量傳感器，其特徵在於所述多孔懸臂梁的凹槽稜角在大於O度和小於180度之間。
6.根據權利要求I所述的一種多孔懸臂梁結構的多用途微質量傳感器，其特徵在於所述壓電薄膜(2)長度小於多孔懸臂梁的長度。
全文摘要
一種多孔懸臂梁結構的多用途微質量傳感器，屬於多用途探測傳感器技術領域。該微質量傳感器連接於固定塊的多孔懸臂梁的上表面連接壓電薄膜，懸臂梁伸出部分的區域為多個具有相同靈敏度的不同探測區域。通過壓電薄膜的數據輸出來準確計算探測物的質量。多孔懸臂梁的引入，主要實現了以下功能(a)多個探測區域的有效分隔；(b)探測區域內各個位置靈敏度高度一致性，降低了測試結果對位置的敏感性；(c)具體算例表明，與傳統平面式傳感器結構相比，靈敏度最高可提升187%。該微質量傳感器具有結構簡單、測量範圍寬、均勻性好和靈敏度高等特點，因而可廣泛用於氣/液體濃度測量、細胞生長以及微生物如細菌或病毒等測量。
文檔編號G01N5/02GK102967351SQ201210464790
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月18日 優先權日2012年11月18日
發明者趙劍, 高仁璟, 朱傳月, 張延康, 魏巖, 張瑩 申請人:大連理工大學