[发明专利]一种高分辨力的闭环控制薄膜体声波传感系统及反馈控制方法

说明书

技术领域

本发明属于微机械电子系统（MEMS）领域，特别涉及到基于薄膜体声波谐振器(FBAR)的传感系统，其提出的提高体声波传感器分辨力的方法同样适用于石英晶体微天平。

背景技术

根据Sauerbrey方程可知，晶体谐振频率变化与其表面淀积的物质质量成线性关系，因此可以通过测量晶体谐振频率的变化，准确检测其表面粘附物质的质量。声波传感器就是基于以上原理，通过检测其频率变化测量晶体表面粘附质量的传感器，具有成本低、操作简便、速度快、非标记、灵敏度高、检测范围大等优点，在工业过程监测、环境监测、临床医学检验、食品安全检验、毒气检测、药物开发等领域具有广阔应用前景。但是，同质谱、等离子体谐振和椭圆偏光等检测方法相比，声波传感器的分辨力相对较低，限制了其在药物筛选与生物材料筛选等领域的应用。开展便于应用的提高薄膜体声波传感器分辨力的方法研究，对扩大其应用范围具有重要意义。

基于微加工技术，国际上目前已经成功研制出厚度伸缩模式和厚度剪切模式的薄膜体声波传感器。在薄膜体声波传感器工作时，材料阻尼和向衬底传播的声能消耗了部分声能，使传感器品质因数降低，进一步导致传感器分辨力降低。为了提高薄膜体声波传感器的质量分辨力，必须降低传感器工作过程中的声能损失，以提高其品质因数，为此，薄膜体声波传感器一般采用以下两种典型结构：（1）压电层通过布拉格反射层固定于衬底表面；（2）压电层下面为支撑薄膜，支撑薄膜直接与空气接触。其中第一种结构的机械强度高，但品质因数相对更低；第二种结构的强度低，但品质因数相对更高。从本质上讲，以上两种结构都是采用被动隔声技术来降低声能损失，但这种被动隔声技术只适用于降低声音向衬底传播引起的声能损失，不能降低材料阻尼引起的声能损失。为了进一步提高薄膜体声波传感系统的分辨力，重庆大学提出一种利用主动控制技术提高薄膜体声波传感系统分辨力的方法（专利申请号：201010233043.6.），利用该方法可以同时补偿声音散射和材料阻尼引起的声能损失，其是在传感系统的驱动电压上叠加一个反馈电压，利用该反馈电压产生的声能部分地补偿损失的声能，进一步达到了提高品质因数和分辨力的目的。以上反馈电压是对通过薄膜体声波谐振器的电流施加一个常数增益和一个常数相位差得到的，为了尽可能避免测量电流过程中对薄膜体声波谐振器两端的电压产生影响，这种基于检测电流来实现主动控制的方法对反馈控制电路要求很高，不便于实际应用。为了降低具有主动控制功能的薄膜体声波传感系统对反馈控制电路的要求，本发明提出了一种高分辨力的闭环控制薄膜体声波传感系统及反馈控制方法，具有更易于实现和成本更低等显著优点。

 

发明内容

本发明的目的是提出一种便于实现的高分辨力薄膜体声波传感系统及其反馈控制方法。

为实现上述发明目的，本发明采取以下技术方案：

一种高分辨力的闭环控制薄膜体声波传感系统，包括薄膜体声波传感器、电阻和反馈控制电路，其特征在于：

所述薄膜体声波传感器与电阻串联，反馈控制电路对电阻两端的电压施加一个增益                                                和一个相位差得到反馈电压，并将该反馈电压叠加到薄膜体声波传感系统的简谐驱动电压上实现主动控制，该反馈电压用于补偿薄膜体声波传感器损失的部分声能，以达到提高薄膜体声波传感系统分辨力的目的。

所述反馈控制电路包括反馈补偿电路和加法器，所述反馈补偿电路的输入端连接在所述电阻与薄膜体声波传感器之间，所述反馈补偿电路的输出端通过加法器连接至所述薄膜体声波传感器的输入端。

本发明还公开了一种基于上述薄膜体声波传感系统的提高分辨力的反馈控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

（1）保持闭环控制薄膜体声波传感系统的反馈参数不变，即保持增益和相位差不变，对薄膜体声波传感系统施加简谐驱动电压，测出相应的导纳或阻抗，通过频域扫描法得到与特定增益和特定相位差所对应的传感器系统的导纳或阻抗的幅值随驱动电压频率变化的幅频曲线；

（2）改变反馈参数、即增益和一个相位差，对每一组反馈参数进行步骤（1）的测量，得到与不同的增益和相位差对应的的传感器系统的导纳或阻抗的幅值随驱动电压频率变化的幅频曲线；

（3）根据步骤（2）中测得的幅频曲线确定导纳或阻抗的谐振峰、即导纳或阻抗的幅值随驱动电压频率变化的幅频曲线的极值点，以及与谐振峰对应的频率，确定与不同的增益和相位差对应的薄膜体声波传感系统的品质因数；