[实用新型]一种基于槽型悬臂梁结构的微质量传感器

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种基于槽型悬臂梁结构的微质量传感器及实现方法，属于传感器技术领域，主要用于液体浓度、空气粉尘以及微生物如细菌或病毒质量等物质的高精度测量。

背景技术

压电式微质量传感器主要通过测量附着在传感器表面的物质的质量引起的结构谐振频率变化来检测物质成分，具有结构简单、响应快，成本低和精度高的特点，它克服了超高频体声波检测法、酶联分析法、荧光标记法等所存在的检测设备昂贵、费时及信号采集过程繁琐的问题，在微生物检测如细菌和病毒、微小颗粒、气/液体成分和浓度等方面具有广泛的应用。

压电式微质量传感器的基本原理可用下式表述，Δf_i＝-f_iΔm/M_e，其中f_i为传感器第i阶谐振频率，M_e为悬臂梁等效质量，Δm为单位面积增加质量，Δf_i为增加质量Δm引起的传感器谐振频率变化。由此可以看出，吸附面积、谐振频率以及系统有效质量是影响传感器质量测量精度的关键因素。近年来随着微加工技术、纳米技术、生物技术的进步，为了追求更高的灵敏度，质量传感器的几何尺寸不断减小，甚至达到了纳米量级，但由尺寸微型化引起的基本物质性质的测量困难如电信号采集、复杂光学系统、材料机械特性测量等，直接影响了传感器的适用范围。国际专利WO 2005/043126A2提出采用单压电片激励的矩形截面悬臂梁传感器，由于矩形截面悬臂梁的刚度质量比固定，因而仅能通过减小传感器尺寸来感应极小敏感质量，同时也直接造成了吸附面积减小、质量测量范围窄和灵敏度提升不明显等弱点，限制了其在气/液浓度、微小颗粒测量等方面的应用。

美国专利US6722200提出一种可测量单原子质量的硅材料传感器，该技术以高频纳米机械共振器的表面在真空环境下吸附原子。但由于该技术需要在真空环境下进行，且计算模型复杂，同时被测原子的吸附位置会直接影响测量结果，使得整个测量工程复杂和可控性差，并且成本昂贵，不适用于生物化学检测。美国专利US 6389877B1和国内专利CN1250156A采用单头和双头的悬臂结构来测量频率，虽然通过增大悬臂面积来增大吸附面积，但同时也增大了悬臂梁的系统有效质量M_e，这不利于传感器灵敏度的提高。最近国内实用新型专利公开号CN 1609555A提出采用测量吸附有探测物的振子位移差的方法来测量质量，但其中需要复杂的光学位移测量系统，增加测量成本。

综合分析发现，虽然缩小传感器尺寸可以提高其最小质量测量精度和灵敏度，但由此引起的测量困难、量程范围缩小和测量环境要求苛刻等问题，严重影响了其适用范围。因此，在特定尺寸要求下提高灵敏度是高性能微小质量传感器研制的难点和关键，也是扩展其应用范围的重要途径之一。

发明内容

本实用新型针对现有微质量传感器灵敏度、几何尺度以及质量测量范围方面存在的不足，提供一种基于槽型悬臂梁结构的微质量传感器，通过引入双压电薄膜和槽型悬臂梁结构，通过增大有效吸附面积来提高传感器的灵敏度，拓宽质量或浓度测量范围。

本实用新型的技术方案是：一种基于槽型悬臂梁结构的微质量传感器，它主要包括一个与固定块固定连接的槽型悬臂梁，它还包括压电薄膜和探测物吸附膜，所述槽型悬臂梁在固定块一端设有1-2个相同的压电薄膜，在悬臂端覆盖有探测物吸附膜；通过测量悬臂结构在吸附探测物前、后的谐振频率差Δf，进而计算得到探测物的质量m。

所述槽型悬臂梁的上部设有一个上压电薄膜。

所述槽型悬臂梁的下部设有一个与上压电薄膜对称的下压电薄膜。

所述槽型悬臂梁的两侧或中间沿中心线开槽，形成工字型梁或回字梁结构，并采用弹性钢或铍青铜高弹性材料制作。

所述上压电薄膜和下压电薄膜极化类型相同，电气连接采用并联连接或串联连接。

所述槽型悬臂梁的截面结构，工字型单边槽宽与梁宽比0＜w₂/w₁＜0.5，回字型槽宽与悬臂梁宽比为0＜w₂/w₁＜1，且槽高与悬臂梁高的比0＜h₂/h₁＜1。

所述槽型悬臂梁压电薄膜覆盖部分的谐振频率和吸附薄膜覆盖延伸部分的谐振频率满足以下条件：f_1i＝f_2i

1.第一部分为压电薄膜-槽型梁-压电薄膜组成的多层组合对称结构，因而确定其谐振频率满足f_1i