专利名称：一种基于槽型悬臂梁结构的微质量传感器的制作方法
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，Afi = -fiAm/X，其中f^为传感器第i阶谐振频率，Me为悬臂梁等效质量，Am为单位面积增加质量，Afi为增加质量Am 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 2005/043U6A2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轧，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
3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Δ ·，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 < W2ZV1 < 0. 5，回字型槽宽与悬臂梁宽比为0 < W2ZV1 < 1，且槽高与悬臂梁高的比0 < I12A1 < 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Kli = f2i1.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fn
权利要求1.一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(1)固定连接的槽型悬臂梁G)，其特征在于它还包括压电薄膜和探测物吸附膜(5)，所述槽型悬臂梁 (4)在固定块(1) 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(5)。
2.根据权利要求1所述的一种基于槽型悬臂梁结构的微质量传感器，其特征在于所述槽型悬臂梁的上部设有一个上压电薄膜O)。
3.根据权利要求2所述的一种基于槽型悬臂梁结构的微质量传感器，其特征在于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(3)。
4.根据权利要求1所述的一种基于槽型悬臂梁结构的微质量传感器，其特征在于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。
5.根据权利要求3所述的一种基于槽型悬臂梁结构的微质量传感器，其特征在于所述上压电薄膜( 和下压电薄膜C3)极化类型相同，电气连接采用并联连接或串联连接。
6.根据权利要求1所述的一种基于槽型悬臂梁结构的微质量传感器，其特征在于所述槽型悬臂梁的截面结构，工字型单边槽宽与梁宽比0< W2ZV1 <0.5，回字型槽宽与悬臂梁宽比为0 < W2ZV1 < 1，且槽高与悬臂梁高的比0 < I12A1 < 1。
专利摘要一种基于槽型悬臂梁结构的微质量传感器，属于传感器技术领域。这种传感器的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。槽型悬臂梁的引入，增大了自振频率和吸附面积，提高了传感器灵敏度，提升了传感器的测量稳定性。通过压电薄膜可以准确测量由吸附膜质量引起的传感器频率变化，计算得到探测物的质量。该传感器具有结构简单、吸附面积大、质量测量范围宽、稳定性好和灵敏度高等特点，尤其灵敏度比相同尺寸矩形截面质量传感器最大可提高200％，因而可广泛应用于气/液体浓度测量、微小颗粒、粉尘以及微生物如细菌或病毒等测量。
文档编号G01G3/16GK202057398SQ201120157779
公开日2011年11月30日 申请日期2011年5月18日 优先权日2011年5月18日
发明者刘书田, 赵剑, 高仁璟, 黄毓 申请人:大连理工大学