专利名称：一种多孔悬臂梁结构的多用途微质量传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种多孔悬臂梁结构的多用途微质量传感器，属于多用途探测传感器技术领域，主要用于多种不同液体浓度、细胞生长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。其基本原理可用下式表述，Δ Α=-^ Δηι/Χ,其中A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。传统平面结构的微质量传感器受单一测量平面的限制，难以有效划分不同的测量区域，因而主要用于单种物 质的测量，且灵敏度受测量位置的影响较为严重。国际专利WO 2005/043126 A2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且探测区域为单一平面，直接造成了其测量物质单一，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，悬臂梁边缘位置的灵敏度要明显低于中心位置，由于该传感器主要依靠吸附的方式来固定被测原子，使得吸附位置会直接影响测量结果。美国专利US 6389877 BI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测量区域，但同时也增大了悬臂梁的系统有效质量凡，不利于传感器灵敏度的提高，存在探测区域面积增大与灵敏度降低之间的矛盾。最近国内发明专利公开号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。文献《光学精密工程》2012年第一期“基于槽式悬臂梁结构的微质量传感器设计”中所述的传感器虽然有效提升了传感器的灵敏度，但灵敏度容易受到测量位置的影响。综合分析发现，受自身结构的限制，平面式质量传感器存在可测量区域小、测量种类单一且灵敏度易受测量位置影响的弱点，严重影响了其适用范围。因此，需要在提升灵敏度的情况下，扩大传感器的测量区域，并减小测量位置对灵敏度的影响程度。
发明内容
本发明针对现有微质量传感器测量区域单一、灵敏度低及灵敏度严重依赖于探测位置的弱点，提供一种多孔悬臂梁结构的多用途微质量传感器，利用多孔悬臂梁结构有效地分隔不同的探测区域和提升灵敏度，使传感器的测量精度不再依赖于测量位置。通过实验与仿真对比发现，在相同尺度下，多孔悬臂梁结构微质量传感器的灵敏度是矩形截面梁传感器的2. 21 2. 87倍。所提出的微质量传感器具有多个集中测量区域、单位面积灵敏度高和稳定性好的特点，在细胞生长、液体成分和浓度等方面具有广泛的应用。本发明的技术方案是一种多孔悬臂梁结构的多用途微质量传感器，它包括一个悬臂梁、压电薄膜和固定块，所述悬臂梁采用带有凹槽的多孔悬臂梁，多孔悬臂梁的上表面连接着压电薄膜，并一端连接于固定块，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。所述多孔悬臂梁采用单凹槽或多凹槽多孔悬臂梁。所述多孔悬臂梁沿轴向设置一定数目的轴向孔。所述轴向孔为矩形孔、圆孔或多边形孔。所述带有表面凹槽的多孔悬臂梁的凹槽棱角在大于O度和小于180度之间。所述压电薄膜长度小于带有表面凹槽的多孔悬臂梁长度。
所述悬臂梁压电薄膜覆盖部分和延伸部分的谐振频率满足fu=f2i，其中fn和f2i分别为压电复合层和延伸层的谐振频率。所述一种多孔悬臂梁结构的多用途微质量传感器的设计方法如下所示对于多孔悬臂梁结构的谐振频率计算公式为
权利要求
1.一种多孔悬臂梁结构的多用途微质量传感器，它包括一个悬臂梁、压电薄膜(2)和固定块(1)，其特征在于所述悬臂梁采用多孔悬臂梁，多孔悬臂梁的上表面连接着压电薄膜(2)，并一端连接于固定块(1)，通过测量悬臂结构在吸附探测物前后的谐振频率差Af,进而计算得到探测物的质量m。
2.根据权利要求I所述的一种多孔悬臂梁结构的多用途微质量传感器，其特征在于所述多孔悬臂梁采用单个表面方形凹槽多孔悬臂梁(3)或多个表面方形凹槽多孔悬臂梁⑷。
3.根据权利要求I或2所述的一种多孔悬臂梁结构的多用途微质量传感器，其特征在于所述多孔悬臂梁的沿轴向均匀设置一定数目的轴向孔。
4.根据权利要求3所述的一种多孔悬臂梁结构的多用途微质量传感器，其特征在于所述轴向孔为矩形孔、圆孔或多边形孔。
5.根据权利要求I所述的一种多孔悬臂梁结构的多用途微质量传感器，其特征在于所述多孔悬臂梁的凹槽棱角在大于O度和小于180度之间。
6.根据权利要求I所述的一种多孔悬臂梁结构的多用途微质量传感器，其特征在于所述压电薄膜(2)长度小于多孔悬臂梁的长度。
全文摘要
一种多孔悬臂梁结构的多用途微质量传感器，属于多用途探测传感器技术领域。该微质量传感器连接于固定块的多孔悬臂梁的上表面连接压电薄膜，悬臂梁伸出部分的区域为多个具有相同灵敏度的不同探测区域。通过压电薄膜的数据输出来准确计算探测物的质量。多孔悬臂梁的引入，主要实现了以下功能(a)多个探测区域的有效分隔；(b)探测区域内各个位置灵敏度高度一致性，降低了测试结果对位置的敏感性；(c)具体算例表明，与传统平面式传感器结构相比，灵敏度最高可提升187%。该微质量传感器具有结构简单、测量范围宽、均匀性好和灵敏度高等特点，因而可广泛用于气/液体浓度测量、细胞生长以及微生物如细菌或病毒等测量。
文档编号G01N5/02GK102967351SQ201210464790
公开日2013年3月13日 申请日期2012年11月18日 优先权日2012年11月18日
发明者赵剑, 高仁璟, 朱传月, 张延康, 魏岩, 张莹 申请人:大连理工大学