專利名稱：一種基于槽型懸臂梁結(jié)構(gòu)的微質(zhì)量傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于槽型懸臂梁結(jié)構(gòu)的微質(zhì)量傳感器及實現(xiàn)方法，屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域，主要用于液體濃度、空氣粉塵以及微生物如細菌或病毒質(zhì)量等物質(zhì)的高精度測量。
背景技術(shù)：
壓電式微質(zhì)量傳感器主要通過測量附著在傳感器表面的物質(zhì)的質(zhì)量引起的結(jié)構(gòu)諧振頻率變化來檢測物質(zhì)成分，具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快，成本低和精度高的特點，它克服了超高頻體聲波檢測法、酶聯(lián)分析法、熒光標記法等所存在的檢測設(shè)備昂貴、費時及信號采集過程繁瑣的問題，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(yīng)用。壓電式微質(zhì)量傳感器的基本原理可用下式表述，Afi = -fiAm/X，其中f^為傳感器第i階諧振頻率，Me為懸臂梁等效質(zhì)量，Am為單位面積增加質(zhì)量，Afi為增加質(zhì)量Am 引起的傳感器諧振頻率變化。由此可以看出，吸附面積、諧振頻率以及系統(tǒng)有效質(zhì)量是影響傳感器質(zhì)量測量精度的關(guān)鍵因素。近年來隨著微加工技術(shù)、納米技術(shù)、生物技術(shù)的進步，為了追求更高的靈敏度，質(zhì)量傳感器的幾何尺寸不斷減小，甚至達到了納米量級，但由尺寸微型化引起的基本物質(zhì)性質(zhì)的測量困難如電信號采集、復(fù)雜光學系統(tǒng)、材料機械特性測量等， 直接影響了傳感器的適用范圍。國際專利WO 2005/043U6A2提出采用單壓電片激勵的矩形截面懸臂梁傳感器，由于矩形截面懸臂梁的剛度質(zhì)量比固定，因而僅能通過減小傳感器尺寸來感應(yīng)極小敏感質(zhì)量，同時也直接造成了吸附面積減小、質(zhì)量測量范圍窄和靈敏度提升不明顯等弱點，限制了其在氣/液濃度、微小顆粒測量等方面的應(yīng)用。美國專利US6722200提出一種可測量單原子質(zhì)量的硅材料傳感器，該技術(shù)以高頻納米機械共振器的表面在真空環(huán)境下吸附原子。但由于該技術(shù)需要在真空環(huán)境下進行，且計算模型復(fù)雜，同時被測原子的吸附位置會直接影響測量結(jié)果，使得整個測量工程復(fù)雜和可控性差，并且成本昂貴，不適用于生物化學檢測。美國專利us 6389877B1和國內(nèi)專利 CN1250156A采用單頭和雙頭的懸臂結(jié)構(gòu)來測量頻率，雖然通過增大懸臂面積來增大吸附面積，但同時也增大了懸臂梁的系統(tǒng)有效質(zhì)量軋，這不利于傳感器靈敏度的提高。最近國內(nèi)發(fā)明專利公開號CN 1609555A提出采用測量吸附有探測物的振子位移差的方法來測量質(zhì)量， 但其中需要復(fù)雜的光學位移測量系統(tǒng)，增加測量成本。綜合分析發(fā)現(xiàn)，雖然縮小傳感器尺寸可以提高其最小質(zhì)量測量精度和靈敏度，但由此引起的測量困難、量程范圍縮小和測量環(huán)境要求苛刻等問題，嚴重影響了其適用范圍。 因此，在特定尺寸要求下提高靈敏度是高性能微小質(zhì)量傳感器研制的難點和關(guān)鍵，也是擴展其應(yīng)用范圍的重要途徑之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有微質(zhì)量傳感器靈敏度、幾何尺度以及質(zhì)量測量范圍方面存在的不足，提供一種基于槽型懸臂梁結(jié)構(gòu)的微質(zhì)量傳感器，通過引入雙壓電薄膜和槽型懸臂梁結(jié)構(gòu)，通過增大有效吸附面積來提高傳感器的靈敏度，拓寬質(zhì)量或濃度測量范圍。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種基于槽型懸臂梁結(jié)構(gòu)的微質(zhì)量傳感器，它主要包括一個與固定塊固定連接的槽型懸臂梁，它還包括壓電薄膜和探測物吸附膜，所述槽型懸臂梁在固定塊一端設(shè)有1-2個相同的壓電薄膜，在懸臂端覆蓋有探測物吸附膜；通過測量懸臂結(jié)構(gòu)在吸附探測物前、后的諧振頻率差Δ ·，進而計算得到探測物的質(zhì)量m。所述槽型懸臂梁的上部設(shè)有一個上壓電薄膜。所述槽型懸臂梁的下部設(shè)有一個與上壓電薄膜對稱的下壓電薄膜。所述槽型懸臂梁的兩側(cè)或中間沿中心線開槽，形成工字型梁或回字梁結(jié)構(gòu)，并采用彈性鋼或鈹青銅高彈性材料制作。所述上壓電薄膜和下壓電薄膜極化類型相同，電氣連接采用并聯(lián)連接或串聯(lián)連接。所述槽型懸臂梁的截面結(jié)構(gòu)，工字型單邊槽寬與梁寬比0 < W2ZV1 < 0. 5，回字型槽寬與懸臂梁寬比為0 < W2ZV1 < 1，且槽高與懸臂梁高的比0 < I12A1 < 1。所述槽型懸臂梁壓電薄膜覆蓋部分的諧振頻率和吸附薄膜覆蓋延伸部分的諧振頻率滿足以下條件Kli = f2i1.第一部分為壓電薄膜-槽型梁-壓電薄膜組成的多層組合對稱結(jié)構(gòu)，因而確定其諧振頻率滿足fn
權(quán)利要求
1.一種基于槽型懸臂梁結(jié)構(gòu)的微質(zhì)量傳感器，它主要包括一個與固定塊(1)固定連接的槽型懸臂梁G)，其特征在于它還包括壓電薄膜和探測物吸附膜(5)，所述槽型懸臂梁 (4)在固定塊(1) 一端設(shè)有1-2個相同的壓電薄膜，在懸臂端覆蓋有探測物吸附膜(5)；通過測量懸臂結(jié)構(gòu)在吸附探測物前、后的諧振頻率差Δ f，進而計算得到探測物的質(zhì)量m。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于槽型懸臂梁結(jié)構(gòu)的微質(zhì)量傳感器，其特征在于所述槽型懸臂梁的上部設(shè)有一個上壓電薄膜O)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于槽型懸臂梁結(jié)構(gòu)的微質(zhì)量傳感器，其特征在于所述槽型懸臂梁的下部設(shè)有一個與上壓電薄膜( 對稱的下壓電薄膜(3)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于槽型懸臂梁結(jié)構(gòu)的微質(zhì)量傳感器，其特征在于所述槽型懸臂梁的兩側(cè)或中間沿中心線開槽，形成工字型梁或回字梁結(jié)構(gòu)，并采用彈性鋼或鈹青銅高彈性材料制作。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于槽型懸臂梁結(jié)構(gòu)的微質(zhì)量傳感器，其特征在于所述上壓電薄膜( 和下壓電薄膜C3)極化類型相同，電氣連接采用并聯(lián)連接或串聯(lián)連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于槽型懸臂梁結(jié)構(gòu)的微質(zhì)量傳感器，其特征在于所述槽型懸臂梁的截面結(jié)構(gòu)，工字型單邊槽寬與梁寬比0< W2ZV1 <0.5，回字型槽寬與懸臂梁寬比為0 < W2ZV1 < 1，且槽高與懸臂梁高的比0 < I12A1 < 1。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于槽型懸臂梁結(jié)構(gòu)的微質(zhì)量傳感器，其特征在于所述槽型懸臂梁(4)壓電薄膜覆蓋部分的諧振頻率和吸附薄膜覆蓋延伸部分的諧振頻率 f2i相等。
全文摘要
一種基于槽型懸臂梁結(jié)構(gòu)的微質(zhì)量傳感器，屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域。這種傳感器的槽型懸臂梁在固定塊一端設(shè)有1-2個相同的壓電薄膜，在懸臂端覆蓋有探測物吸附膜；通過測量懸臂結(jié)構(gòu)在吸附探測物前、后的諧振頻率差Δf，進而計算得到探測物的質(zhì)量m。槽型懸臂梁的引入，增大了自振頻率和吸附面積，提高了傳感器靈敏度，提升了傳感器的測量穩(wěn)定性。通過壓電薄膜可以準確測量由吸附膜質(zhì)量引起的傳感器頻率變化，計算得到探測物的質(zhì)量。該傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、吸附面積大、質(zhì)量測量范圍寬、穩(wěn)定性好和靈敏度高等特點，尤其靈敏度比相同尺寸矩形截面質(zhì)量傳感器最大可提高200％，因而可廣泛應(yīng)用于氣/液體濃度測量、微小顆粒、粉塵以及微生物如細菌或病毒等測量。
文檔編號G01G3/16GK102269615SQ20111011777
公開日2011年12月7日 申請日期2011年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月7日
發(fā)明者劉書田, 趙劍, 高仁璟, 黃毓 申請人:大連理工大學