[发明专利]一种基于参数激励及同步共振的微量物质检测装置及方法

权利要求书

1.一种基于参数激励及同步共振的微量物质检测装置，其特征在于：包括至少一根参激梁、至少一根参考梁、至少一根拾振梁，其中拾振梁为悬臂短梁、其一端固定在基底二上，参激梁、参考梁两端分别与基底一和基底二固定连接，同步耦合梁一与基底一固定连接、且还分别与参考梁、参激梁连接，同步耦合梁二与基底二固定连接、且还分别与参考梁、参激梁和拾振梁连接，拾振梁上表面靠近与同步耦合梁二相接处有压电激励感应电极，参考梁上表面靠近与同步耦合梁一相接处有压电激励电极一，参激梁上表面靠近与同步耦合梁一相接处有压电激励电极二、靠近与同步耦合梁二相接处有压电感应电极；参考梁、参激梁、拾振梁、同步耦合梁一、及同步耦合梁二共同组成同步共振结构；参激梁、拾振梁及同步耦合梁二共同组成传感结构，参考梁、参激梁及同步耦合梁一、同步耦合梁二共同组成触发结构，敏感层涂覆于参激梁中部。

2.根据权利要求1所述的一种基于参数激励及同步共振的微量物质检测装置，其特征在于：所述参考梁结构是：从上到下相互连接的压电激励电极一、上绝缘层一、基底梁一和下绝缘层二；其中压电激励电极一的结构是：从上到下相互连接的压电层上电极一、压电薄膜一和压电层下电极一。

3.根据权利要求1所述的一种基于参数激励及同步共振的微量物质检测装置，其特征在于：所述参激梁的结构是：从上到下相互连接的上绝缘层二、基底梁二和下绝缘层二，压电激励电极二、压电感应电极分别连接在上绝缘层二上表面的两端，敏感层连接在上绝缘层二上表面的中部。

4.根据权利要求3所述的一种基于参数激励及同步共振的微量物质检测装置，其特征在于：所述压电激励电极二的结构是：从上到下相互连接的压电层上电极二、压电薄膜二和压电层下电极二。

5.根据权利要求3所述的一种基于参数激励及同步共振的微量物质检测装置，其特征在于：所述压电感应电极的结构是：从上到下相互连接的压电层上电极三、压电薄膜三和压电层下电极三。

6.根据权利要求1所述的一种基于参数激励及同步共振的微量物质检测装置，其特征在于：所述拾振梁的结构是；从上到下相互连接的压电激励感应电极、上绝缘层三、基底梁三和下绝缘层三。

7.根据权利要求6所述的一种基于参数激励及同步共振的微量物质检测装置，其特征在于：所述压电激励感应电极的结构是：从上到下相互连接的压电层上电极四、压电薄膜四和压电层下电极四。

8.根据权利要求1所述的一种基于参数激励及同步共振的微量物质检测装置，其特征在于：拾振梁为高频梁，参考梁和参激梁为低频梁，参激梁和参考梁共振频率相等；当低频梁固有频率为f₁，高频梁固有频率为f₂，其固有频率满足如下公式：

a₁f₁＝b₁f₂

其中，a₁、b₁均为正整数，且a₁>b₁，a₁/b₁为频率的放大倍数。

9.一种基于参数激励及同步共振的微量物质检测方法，其体征在于，包括下列步骤：

(1)、根据被测物质的性质，在参激梁上涂覆对应敏感层，用于吸附该被测微量物质，其吸附量与被测物质浓度成正比；确定同步共振时a₁、b₁的准确值及检测之前参考梁、参激梁的固有频率f₀和质量M₁，初始状态下两梁质量及固有频率相同；根据要求制定所吸附被测物质报警质量M₀；根据具体被测物质性质不同，将其分为：如含量过多则对被测环境有害的A类物质、如含量过低则对被测环境有害的B类物质，A类物质吸附量大于M₀则对环境有害，B类物质吸附量小于M₀则对环境有害；

(2)、将该装置置于被测环境中，待被测环境中的被测物质与敏感层充分反应后，参激梁的质量由M₁变为M₁'，向参激梁的压电激励电极、拾振梁的压电激励感应电极分别施加频率为f_b、f_c的激励交流电，并通过同步耦合梁二的作用使两梁发生同步共振，不断改变两激励交流电的频率f_b、f_c，当两梁在各自固有频率下振动时停止改变激励交流电的频率并停止对拾振梁通电，拾振梁在同步耦合耦合梁二的作用下继续保持原频率振动，输出此时对拾振梁的压电激励拾振电极上的激励交流电的频率f_c即等于拾振梁此时的固有频率f₂，此时参激梁的固有频率f₁与拾振梁的固有频率f₂存在如下关系通过该公式可计算此时参激梁的固有频率f₁，再计算此时参激梁的固有频率偏移量△f₁＝f₁-f₀，△M₁＝M₁'-M₁,由于其质量偏移量△M₁很微小，进而可以由公式求得此时参激梁质量偏移量△M₁的数值，此时△M₁就是敏感层所依附的被测物质的质量；

(3)、完成对被测环境中被测物质的检测后，将此时敏感层吸附被测物质的质量△M₁与报警质量M₀比较：

当被测物质类型为A类时，△M₁-M₀>0时该物质的量对环境有害；

当被测物质类型为B类时，△M₁-M₀<0时该物质的量对环境有害；

1)当被测物质对环境有害时，直接向外界发出该物质对环境有害的相关警报并输出该物质的相关浓度信息；

2)当被测物质对环境无害时，将该装置继续处于被测环境中；向拾振梁上压电激励感应电极施加直流电，诱导拾振梁的有效刚度发生变化，使拾振梁与参激梁去同步共振即拾振梁不再与参激梁同步共振，此时拾振梁会逐渐停止振动但参激梁仍在振动，拾振梁停止振动之后停止向拾振梁上压电激励感应电极施加直流电，再向参考梁的压电激励电极施加频率为f_a激励交流电，f_a大小为参考梁固有频率f₀，通过同步耦合梁二、同步耦合梁一的作用使参激梁与参考梁发生同步共振，两梁同步共振之后停止向参考梁通交流电，在同步耦合梁二、同步耦合梁一作用下，参考梁保持原频率振动；由于此时参激梁质量M₁'与参考梁质量M₁相差很小，所以改变激励交流电的频率f_b，两梁不再在固有频率下振动而振动频率为f_b，并使得若参激梁的固有频率到达f_b则敏感层所吸附被测物质质量为M₀，并将参激梁振动幅值A₀通过参激梁的压电感应电极输出，若环境中被测物质浓度发生变化，敏感层上吸附的被测物质质量也随其变化，这将改变参激梁的质量进而改变其固有频率，即此时M₁'发生变化，当参激梁的固有频率变化至f_b时由参数激励原理，从参激梁的压电感应电极输出的振动幅值A₀将在极其短的时间内陡增至A₁，A₁>>A₀，当参激梁的压电感应电极输出的振动幅值A₀将陡增至A₁时，触发该装置报警功能，发出被测物质浓度已到达该环境能承受该种物质的临界值即敏感层吸附被测物质质量已为报警质量M₀，从而实现对该环境中该种物质的实时监控。