[发明专利]一种基于变厚度梁结构的高阶模态微质量传感器及其灵敏度提升方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于变厚度梁结构的高阶模态微质量传感器及其灵敏度提升方法，属于精密传感器领域，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，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。

检测灵敏度是衡量传感器性能的一个重要指标。通过传感器的测量原理关系式，Δf_i=-f_iΔm/M_e可以看出悬臂梁结构的吸附面积、谐振频率以及系统有效质量是影响传感器质量探测精度的关键因素。目前常用的灵敏度提升方法主要是通过传感器几何尺寸的微型化方法，但同时也会带来众多实用性问题，如测试区域的可再生性，加工复杂性，测试环境抗干扰性以及测量困难等问题，直接影响了传感器的适用范围。国际专利WO2005/043126A2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提高传感器的灵敏度，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。

近年来，研究人员逐步利用悬臂梁的高阶振动模态来提升传感器的灵敏度和品质因数，有效的避免了由尺寸微型化引起的测量困难和抗干扰能力弱的不足。但是，目前利用高阶模态悬臂梁传感器主要局限于均匀截面悬臂梁结构，如文献“Higher modes of vibration increase mass sensitivity in nanomechanical microcantilevers”和“An alternative solution to improve sensitivity of resonant microcantilever chemical sensors:comparison between using high-order modes and reducing dimensions”等提出的均匀悬臂梁结构，受自身结构形式的约束，其各阶模态灵敏度提升空间受对应的谐振频率和有效质量分布状态的限制，在一定几何尺寸约束下难以实现突破性的提高。

由此看出，已有均匀厚度悬臂梁式微质量传感器的灵敏度和品质因数提升幅度已发展到了瓶颈状态，难以找到更为合适的结构形式来进一步提升传感器的性能参数。因此，借助先进的设计方法，在特定尺寸要求下提升高阶模态传感器的灵敏度和品质因数已成为高性能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

本发明针对现有均匀厚度悬臂梁结构形式在提升微质量传感器灵敏度、品质因数等性能参数方面存在的瓶颈问题，提供一种基于变厚度梁结构的高阶模态微质量传感器及其灵敏度提升方法。引入与压电层有大厚度比的变厚度梁作为关键弹性单元，通过控制变厚度梁的长度比例（l₂/l₃）来改变结构的刚度、质量分布状态，从而有效激励出传感器的高阶工作模态，进而改善传感器灵敏度和品质因数。通过实验与仿真对比发现，本发明所提出的变厚度悬臂梁结构的微质量传感器的各阶模态对应的灵敏度比相同尺度均匀厚度矩形截面悬臂梁传感器均有显著提高，其中一阶模态灵敏度提高51.07%，二阶模态灵敏度提高233.05%，四阶模态灵敏度提高244.06%。所提出的微质量传感器具有灵敏度高、稳定性好，加工工艺简单等特点，有效解决了传统平面悬臂梁结构传感器在在气/液浓度、微生物检测等方面误差较大的问题。

本发明的技术方案是：一种基于变厚度梁结构的高阶模态微质量传感器及其灵敏度提升方法，它包括一个与固定块固定连接的变厚度梁和压电薄膜，所述压电薄膜设置在变厚度梁连接固定块的一端，变厚度梁靠近自由端部分采用厚度呈阶梯变化的悬臂结构；通过测量悬臂结构在吸附探测物前、后的谐振频率差△f，计算得到探测物的质量m；所述变厚度梁与压电薄膜的重叠部分为复合层，无压电薄膜覆盖部分的悬臂梁为弹性梁延伸部分，弹性梁延伸部分又分为弹性梁延伸层厚段和弹性梁延伸层薄段两部分。