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(shí)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(xì)菌或病毒質(zhì)量等物質(zhì)的高精度測(cè)量。
背景技術(shù)：
壓電式微質(zhì)量傳感器主要通過(guò)測(cè)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(lái)檢測(cè)物質(zhì)成分，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)快，成本低和精度高的特點(diǎn)，它克服了超高頻體聲波檢測(cè)法、酶聯(lián)分析法、熒光標(biāo)記法等所存在的檢測(cè)設(shè)備昂貴、費(fèi)時(shí)及信號(hào)采集過(guò)程繁瑣的問(wèn)題，在微生物檢測(cè)如細(xì)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(cè)量精度的關(guān)鍵因素。近年來(lái)隨著微加工技術(shù)、納米技術(shù)、生物技術(shù)的進(jìn)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(dá)到了納米量級(jí)，但由尺寸微型化引起的基本物質(zhì)性質(zhì)的測(cè)量困難如電信號(hào)采集、復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)、材料機(jī)械特性測(cè)量等， 直接影響了傳感器的適用范圍。國(guó)際專利WO 2005/043U6A2提出采用單壓電片激勵(lì)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(guò)減小傳感器尺寸來(lái)感應(yīng)極小敏感質(zhì)量，同時(shí)也直接造成了吸附面積減小、質(zhì)量測(cè)量范圍窄和靈敏度提升不明顯等弱點(diǎn)，限制了其在氣/液濃度、微小顆粒測(cè)量等方面的應(yīng)用。美國(guó)專利US6722200提出一種可測(cè)量單原子質(zhì)量的硅材料傳感器，該技術(shù)以高頻納米機(jī)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(jìn)行，且計(jì)算模型復(fù)雜，同時(shí)被測(cè)原子的吸附位置會(huì)直接影響測(cè)量結(jié)果，使得整個(gè)測(cè)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(xué)檢測(cè)。美國(guó)專利us 6389877B1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，雖然通過(guò)增大懸臂面積來(lái)增大吸附面積，但同時(shí)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(guó)內(nèi)發(fā)明專利公開(kāi)號(hào)CN 1609555A提出采用測(cè)量吸附有探測(cè)物的振子位移差的方法來(lái)測(cè)量質(zhì)量， 但其中需要復(fù)雜的光學(xué)位移測(cè)量系統(tǒng)，增加測(cè)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(cè)量精度和靈敏度，但由此引起的測(cè)量困難、量程范圍縮小和測(cè)量環(huán)境要求苛刻等問(wèn)題，嚴(yán)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(diǎn)和關(guān)鍵，也是擴(kuò)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(duì)現(xiàn)有微質(zhì)量傳感器靈敏度、幾何尺度以及質(zhì)量測(cè)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(guò)引入雙壓電薄膜和槽型懸臂梁結(jié)構(gòu)，通過(guò)增大有效吸附面積來(lái)提高傳感器的靈敏度，拓寬質(zhì)量或濃度測(cè)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(gè)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(cè)物吸附膜，所述槽型懸臂梁在固定塊一端設(shè)有1-2個(gè)相同的壓電薄膜，在懸臂端覆蓋有探測(cè)物吸附膜；通過(guò)測(cè)量懸臂結(jié)構(gòu)在吸附探測(cè)物前、后的諧振頻率差Δ ·，進(jìn)而計(jì)算得到探測(cè)物的質(zhì)量m。所述槽型懸臂梁的上部設(shè)有一個(gè)上壓電薄膜。所述槽型懸臂梁的下部設(shè)有一個(gè)與上壓電薄膜對(duì)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(kāi)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(duì)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(gè)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(cè)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(gè)相同的壓電薄膜，在懸臂端覆蓋有探測(cè)物吸附膜(5)；通過(guò)測(cè)量懸臂結(jié)構(gòu)在吸附探測(cè)物前、后的諧振頻率差Δ f，進(jìn)而計(jì)算得到探測(cè)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(gè)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(gè)與上壓電薄膜( 對(duì)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(kāi)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(gè)相同的壓電薄膜，在懸臂端覆蓋有探測(cè)物吸附膜；通過(guò)測(cè)量懸臂結(jié)構(gòu)在吸附探測(cè)物前、后的諧振頻率差Δf，進(jìn)而計(jì)算得到探測(cè)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(cè)量穩(wěn)定性。通過(guò)壓電薄膜可以準(zhǔn)確測(cè)量由吸附膜質(zhì)量引起的傳感器頻率變化，計(jì)算得到探測(cè)物的質(zhì)量。該傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、吸附面積大、質(zhì)量測(cè)量范圍寬、穩(wěn)定性好和靈敏度高等特點(diǎn)，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(cè)量、微小顆粒、粉塵以及微生物如細(xì)菌或病毒等測(cè)量。
文檔編號(hào)G01G3/16GK102269615SQ20111011777
公開(kāi)日2011年12月7日 申請(qǐng)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(qǐng)人:大連理工大學(xué)