專利名稱：一種靜電吸附式微質(zhì)量傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種靜電吸附式微質(zhì)量傳感器，屬于精密傳感器技術(shù)領(lǐng)域。主要用于微顆粒、?；?、細(xì)胞及微生物如細(xì)菌或病毒等物質(zhì)的質(zhì)量測(cè)量。
背景技術(shù)：
壓電諧振式微質(zhì)量傳感器，主要通過(guò)測(cè)量諧振區(qū)域內(nèi)附加物引起諧振頻率變化得到附加物的實(shí)際質(zhì)量，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)快，成本低和精度高的特點(diǎn)，在生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)及食品安全領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，實(shí)際測(cè)量過(guò)程中被測(cè)物的種類存在多樣性， 包括微小顆粒、細(xì)胞以及細(xì)菌和病毒等，使得微小被測(cè)物在諧振區(qū)域內(nèi)的固定問(wèn)題和分散性成為影響傳感器測(cè)量精度和準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素。根據(jù)諧振式質(zhì)量傳感器的基本原理Δ & = Δ m/Me，其中&為傳感器第i階諧振頻率，Me為懸臂梁有效質(zhì)量，Am為被測(cè)物質(zhì)量，Afi為傳感器諧振頻率變化量。可以看出，通過(guò)調(diào)整傳感器的諧振頻率和有效質(zhì)量可以有效地提高傳感器的靈敏度。因而，目前專利主要集中于利用MEMS技術(shù)來(lái)改變傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)尺度的方法來(lái)提高傳感器靈敏度， 而忽略了被測(cè)物在傳感器敏感諧振區(qū)域的位置和固定對(duì)靈敏度的影響因素。例如，國(guó)際專利TO 2005/043126 A2采用壓電片激勵(lì)的矩形截面懸臂梁傳感器，專利中指出通過(guò)減小傳感器尺寸來(lái)感應(yīng)微小質(zhì)量。由于缺乏有效的固定措施，使得諧振狀態(tài)下微小被測(cè)物的位置容易發(fā)生變化或從懸臂梁測(cè)量區(qū)域散落，造成較大的測(cè)量誤差。美國(guó)專利US6389877 Bl和國(guó)內(nèi)專利CN1250156A采用單頭和雙頭的懸臂結(jié)構(gòu)來(lái)測(cè)量頻率，其實(shí)現(xiàn)方式主要借助增大懸臂梁面積來(lái)增大被測(cè)物吸附面積，但測(cè)量端的吸附平板結(jié)構(gòu)同時(shí)也增大了測(cè)量系統(tǒng)有效質(zhì)量禮，這不利于傳感器靈敏度的提高。該類傳感器同樣未給出有效的被測(cè)物固定方法，嚴(yán)重限制了其在單粒子、細(xì)胞及微小顆粒測(cè)量等方面的應(yīng)用。另外，國(guó)內(nèi)發(fā)明專利公開(kāi)號(hào)CN 1609555A提出通過(guò)測(cè)量吸附有探測(cè)物的振子位移差的方法來(lái)推算吸附物的質(zhì)量，但其中需要復(fù)雜的光學(xué)位移測(cè)量系統(tǒng)和定位系統(tǒng)，增加了測(cè)量難度和測(cè)量成本。綜合分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的基于諧振原理研制的微小質(zhì)量傳感器，雖然通過(guò)微加工技術(shù)能夠獲得較高的靈敏度，但是在測(cè)量過(guò)程中微小被測(cè)物與測(cè)量極板之間的相對(duì)移動(dòng)和在測(cè)量區(qū)域內(nèi)的集中程度已成為影響質(zhì)量傳感器測(cè)量精度、測(cè)量重復(fù)性和準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素。因此，有效的被測(cè)物固定方法和傳感元件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是提高傳感器性能，并拓展其質(zhì)量傳感器應(yīng)用范圍的重要途徑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有微小質(zhì)量傳感器測(cè)量過(guò)程中由于被測(cè)物分散和無(wú)法固定而引起的測(cè)量誤差，提供一種新型靜電吸附式微質(zhì)量傳感器。該傳感器應(yīng)采用多層梯形懸臂梁結(jié)構(gòu)作為測(cè)量關(guān)鍵部件，引入靜電吸附方式將微小被測(cè)物固定于測(cè)量敏感區(qū)域內(nèi)，有效地提高傳感器的測(cè)量精度和分辨率，實(shí)現(xiàn)微小質(zhì)量的準(zhǔn)確測(cè)量。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種靜電吸附式微質(zhì)量傳感器，它主要包括一個(gè)一端固定于固定塊上的懸臂粱。所述懸臂粱是一個(gè)平板結(jié)構(gòu)的多層梯形梁，多層梯形梁的主體采用一個(gè)導(dǎo)電彈性板，在導(dǎo)電彈性板的上表面設(shè)有一層上絕緣薄膜，下表面設(shè)有一層下絕緣薄膜，在懸臂粱固定端的上絕緣薄膜上設(shè)有一個(gè)上壓電薄膜；對(duì)導(dǎo)電彈性板表面加載均勻的靜電荷，或電氣連接具有一定電勢(shì)的直流電源，依靠靜電吸附力將微小被測(cè)物固定于多層梯形梁懸臂端的測(cè)量敏感區(qū)域，并通過(guò)測(cè)量所述微質(zhì)量傳感器在吸附微顆粒前與吸附微顆粒后的諧振頻率差△ f，計(jì)算得到微顆粒質(zhì)量m。所述上絕緣薄膜的長(zhǎng)度比導(dǎo)電彈性板的長(zhǎng)度短，所述下絕緣薄膜全部覆蓋導(dǎo)電彈性板的下表面，在導(dǎo)電彈性板的懸臂端未被上絕緣薄膜覆蓋的區(qū)域構(gòu)成第一測(cè)量敏感區(qū)域。所述上絕緣薄膜全部覆蓋導(dǎo)電彈性板的上表面，所述下絕緣薄膜全部覆蓋導(dǎo)電彈性板的下表面，下絕緣薄膜厚度是上絕緣薄膜厚度的1. 5-10. 0倍，在導(dǎo)電彈性板的懸臂端未被上壓電薄膜覆蓋的區(qū)域構(gòu)成第二測(cè)量敏感區(qū)域。所述上絕緣薄膜的長(zhǎng)度比導(dǎo)電彈性板的長(zhǎng)度短，所述下絕緣薄膜的長(zhǎng)度比導(dǎo)電彈性板的長(zhǎng)度短，在懸臂粱固定端的下絕緣薄膜上設(shè)有一個(gè)下壓電薄膜，在導(dǎo)電彈性板的懸臂端未被上絕緣薄膜和下絕緣薄膜覆蓋的區(qū)域構(gòu)成第三測(cè)量敏感區(qū)域。所述固定塊采用絕緣材料制作，并在固定塊上設(shè)有安裝固定孔和導(dǎo)線孔，連接導(dǎo)線通過(guò)導(dǎo)線孔與導(dǎo)電彈性板、上壓電薄膜、下壓電薄膜進(jìn)行電氣連接。上述的靜電吸附式微質(zhì)量傳感器主要包括一個(gè)與固定塊連接的多層梯形梁作為質(zhì)量傳感關(guān)鍵彈性部件，其中，多層梯形懸臂梁主要包括導(dǎo)電彈性板、覆蓋于導(dǎo)電彈性板上下表面的絕緣薄膜以及壓電薄膜等。壓電薄膜覆蓋于絕緣薄膜表面，與導(dǎo)電彈性板之間形成電隔離。導(dǎo)電彈性板表面帶有靜電荷，通過(guò)絕緣薄膜尺寸的調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)不同種類微小被測(cè)物(包括導(dǎo)電型被測(cè)物和非導(dǎo)電性被測(cè)物)的靜電吸附。壓電薄膜連接于檢測(cè)儀器， 當(dāng)被探測(cè)物依靠靜電力吸附于彈性梁的敏感區(qū)域時(shí)，通過(guò)測(cè)量傳感器結(jié)構(gòu)的諧振頻率變化量，推算得到探測(cè)物的質(zhì)量。覆蓋于導(dǎo)電彈性板上下表面的絕緣薄膜長(zhǎng)度不等，且可調(diào)，通過(guò)不同組合，形成針對(duì)不同種類微顆粒的質(zhì)量測(cè)量敏感區(qū)域。絕緣薄膜的長(zhǎng)度和厚度可以根據(jù)被吸附物性質(zhì)和質(zhì)量范圍進(jìn)行調(diào)整，以保證敏感測(cè)量區(qū)域內(nèi)靜電吸附力大于被測(cè)物所受的慣性力。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下的優(yōu)點(diǎn)[1]本發(fā)明采用多層梯形梁結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)的矩形截面梁結(jié)構(gòu)作為關(guān)鍵彈性元件， 在提高系統(tǒng)有效剛度的同時(shí)，更容易使被測(cè)物集中于傳感器的敏感區(qū)域，獲得更高的靈敏度和準(zhǔn)確性，有效地提高傳感器測(cè)量精度和分辨率；[2]本發(fā)明采用靜電吸附的方式固定微小被測(cè)物，消除諧振工作環(huán)境下被測(cè)物偏離測(cè)量位置引起的質(zhì)量誤差，提高傳感器的測(cè)量重復(fù)性和準(zhǔn)確性；[3]本發(fā)明可以通過(guò)改變絕緣薄膜在導(dǎo)電彈性板上的覆蓋區(qū)域，實(shí)現(xiàn)不同種類的被測(cè)物的靜電吸附，以達(dá)到不同場(chǎng)合的應(yīng)用需求。上述的靜電吸附式微質(zhì)量傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)電壓低、靈敏度高、重復(fù)性好和性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，在微小顆粒稱重、氣/液體成分和濃度檢測(cè)、微生物及?；窓z驗(yàn)等等領(lǐng)域具有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。


圖1是一種靜電吸附式微質(zhì)量傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是梯形懸臂梁與傳統(tǒng)矩形截面梁質(zhì)量傳感器的靈敏度對(duì)比圖。圖3是另一種靜電吸附式微質(zhì)量傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是又一種靜電吸附式微質(zhì)量傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是微小被測(cè)物的靜電吸附原理示意圖。圖中1、上壓電薄膜，2、上絕緣薄膜，3、下絕緣薄膜，4、導(dǎo)電彈性板5、固定塊，6、 多層梯形梁，7、下壓電薄膜，8、微小被測(cè)物。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一圖1給出了一種靜電吸附式微質(zhì)量傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，其中，多層梯形梁結(jié)構(gòu)6連接于固定塊5上形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，上絕緣薄膜2和下絕緣薄膜3連接于導(dǎo)電彈性板4的上下表面，通過(guò)調(diào)整絕緣薄膜的長(zhǎng)度，可以在導(dǎo)電彈性板4的表面上形成不同的質(zhì)量敏感區(qū)域。壓電薄膜1連接于上絕緣薄膜2的上表面，與導(dǎo)電彈性板4形成電隔離，且上絕緣薄膜 2和下絕緣薄膜3的厚度較大，使靜電吸附力小于被測(cè)物所受的慣性力。傳感器測(cè)量過(guò)程中，依靠導(dǎo)電彈性板的靜電吸附作用，將微小被測(cè)物固定于結(jié)構(gòu)的敏感區(qū)域，實(shí)現(xiàn)微小質(zhì)量的準(zhǔn)確測(cè)量。其中，導(dǎo)電彈性板4為高彈性材料，上絕緣薄膜2和絕緣薄膜3能夠有效地粘附于導(dǎo)電彈性板4的上下表面。其中所述的靜電力計(jì)算方法如下微小被測(cè)物所受靜電力的計(jì)算如圖5所示，球冠部分代表微小被測(cè)物附有的有效電荷部分，坐標(biāo)點(diǎn)C為球冠的圓心，E點(diǎn)為球冠頂點(diǎn)，被測(cè)物與吸附基板之間的距離為Cltl。假設(shè)由球冠到試樣表面的電力線由圓弧線AB和直線BD組成，且在電力線上的平均電場(chǎng)強(qiáng)度的大小為E，得到微小被測(cè)物所受的靜電力為
權(quán)利要求
1.一種靜電吸附式微質(zhì)量傳感器，它主要包括一個(gè)一端固定于固定塊(5)上的懸臂粱，其特征是所述懸臂粱是一個(gè)平板結(jié)構(gòu)的多層梯形梁(6)，多層梯形梁(6)的主體采用一個(gè)導(dǎo)電彈性板G)，在導(dǎo)電彈性板的上表面設(shè)有一層上絕緣薄膜O)，下表面設(shè)有一層下絕緣薄膜(3)，在懸臂粱固定端的上絕緣薄膜( 上設(shè)有一個(gè)上壓電薄膜(1)；對(duì)導(dǎo)電彈性板(4)表面加載均勻的靜電荷，或電氣連接具有一定電勢(shì)的直流電源，依靠靜電吸附力將微小被測(cè)物固定于多層梯形梁(6)懸臂端的測(cè)量敏感區(qū)域，并通過(guò)測(cè)量所述微質(zhì)量傳感器在吸附微顆粒前與吸附微顆粒后的諧振頻率差△ f，計(jì)算得到微顆粒質(zhì)量m。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種靜電吸附式微質(zhì)量傳感器，其特征是所述上絕緣薄膜 (2)的長(zhǎng)度比導(dǎo)電彈性板(4)的長(zhǎng)度短，所述下絕緣薄膜C3)全部覆蓋導(dǎo)電彈性板(4)的下表面，在導(dǎo)電彈性板(4)的懸臂端未被上絕緣薄膜( 覆蓋的區(qū)域構(gòu)成第一測(cè)量敏感區(qū)域。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種靜電吸附式微質(zhì)量傳感器，其特征是所述上絕緣薄膜 (2)全部覆蓋導(dǎo)電彈性板(4)的上表面，所述下絕緣薄膜C3)全部覆蓋導(dǎo)電彈性板(4)的下表面，下絕緣薄膜C3)厚度是上絕緣薄膜( 厚度的1.5-10.0倍，在導(dǎo)電彈性板的懸臂端未被上壓電薄膜(1)覆蓋的區(qū)域構(gòu)成第二測(cè)量敏感區(qū)域。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種靜電吸附式微質(zhì)量傳感器，其特征是所述上絕緣薄膜 (2)的長(zhǎng)度比導(dǎo)電彈性板(4)的長(zhǎng)度短，所述下絕緣薄膜C3)的長(zhǎng)度比導(dǎo)電彈性板(4)的長(zhǎng)度短，在懸臂粱固定端的下絕緣薄膜C3)上設(shè)有一個(gè)下壓電薄膜(7)，在導(dǎo)電彈性板的懸臂端未被上絕緣薄膜( 和下絕緣薄膜C3)覆蓋的區(qū)域構(gòu)成第三測(cè)量敏感區(qū)域。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種靜電吸附式微質(zhì)量傳感器，其特征是所述固定塊(5) 采用絕緣材料制作，并在固定塊(5)上設(shè)有安裝固定孔和導(dǎo)線孔，連接導(dǎo)線通過(guò)導(dǎo)線孔與導(dǎo)電彈性板G)、上壓電薄膜(1)、下壓電薄膜(7)進(jìn)行電氣連接。
全文摘要
一種靜電吸附式微質(zhì)量傳感器，屬于精密傳感技術(shù)領(lǐng)域。該傳感器的多層梯形梁采用懸臂梁結(jié)構(gòu)，作為微小質(zhì)量測(cè)量的關(guān)鍵元件。多層梯形梁由導(dǎo)電彈性板、上絕緣薄膜、下絕緣薄膜和壓電薄膜組成，且各層均為相同的梯形結(jié)構(gòu)。導(dǎo)電彈性板帶有均勻電荷，依靠靜電力將微質(zhì)量吸附于相應(yīng)的測(cè)量敏感區(qū)域，進(jìn)而通過(guò)測(cè)量結(jié)構(gòu)的諧振頻率變化得到區(qū)域內(nèi)的質(zhì)量。梯形結(jié)構(gòu)作為敏感元件在提高傳感器靈敏度的同時(shí)，利用靜電吸附效應(yīng)將微顆粒固定于多層梯形梁的測(cè)量敏感端，有效地避免了因懸臂梁諧振引起被測(cè)物脫落或相對(duì)振動(dòng)而造成的測(cè)量誤差，提高了測(cè)量準(zhǔn)確度和重復(fù)可靠度，可廣泛用于微小顆粒稱重、?；芳笆称钒踩珯z驗(yàn)以及微生物、細(xì)菌或病毒檢測(cè)等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G01G3/16GK102305658SQ20111021632
公開(kāi)日2012年1月4日 申請(qǐng)日期2011年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月31日
發(fā)明者劉書(shū)田, 趙劍, 高仁璟, 黃毓 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)