一种基于非线性结构的环境异常监测传感器的制作方法

本发明属于精密传感器领域，尤其涉及一种基于非线性结构的环境异常监测传感器，可用于气体浓度、微颗粒质量及微生物等监测。

背景技术：

线性谐振式微质量传感器主要有压电薄膜和悬臂梁组成，利用悬臂梁吸附被测物前后谐振频率的变化可以准确识别被测物的质量，即s＝δf/δm，其中s为传感器灵敏度，δm为被测物质量，δf为谐振频率变化量。灵敏度是衡量谐振式微质量传感器的一项重要性能指标，传感器的尺寸大小、结构形式和工作模式等都对灵敏度有很大影响。近年来，众多研究人员通过改变传感器材料属性、结构形式和尺寸等来提升传感器的灵敏度。

中国专利(cn103424327a)提出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，该悬臂梁只有一个阶梯，需要大幅值、高频率的激励来获得高阶振动模态。然而在实际工程应用中，高频激励源难以实现，而且灵敏度提高不多，因此实际应用价值不高。

中国专利(cn102954829a)提出一种v型折叠悬臂梁结构的微颗粒称重传感器，v型折叠悬臂梁的引入，有效改变了传感器的刚度和有效质量的分布状态，大幅度提高传感器的灵敏度，但是压电片与v型梁的接触面积减小，压电片的驱动效率降低。

中国专利(cn102269615a)提出一种槽型悬臂梁结构的微质量传感器，在悬臂梁上加槽，可增大自振频率和吸附面积，提高灵敏度，但该专利与专利cn103424327a相似，需要高频激励源，实用性低。

以上，现有技术中提出的传感器属于线性谐振式微质量传感器，主要结构都是线性结构，除了各自的缺点之外，还有一些共性的缺点，比如线性谐振式微质量传感器的灵敏度受环境阻尼的影响很大，而且测量设备复杂，因此该类传感器工程实用性低，适用范围小，仅适用于实验室环境。

由于线性结构存在的缺点，近年来，众多研究人员致力于研究非线性微质量传感器来提升传感器的品质因数和灵敏度，可有效避免环境阻尼等因素的影响。比如文献“nonlinear-basedswitchtriggeredbygasusingelectrostaticallyactuatedmicrobeams”，“linearandnonlinearmasssensingusingpiezoelectrically-actuatedmicrocantilevers”等利用结构分岔跳跃时幅值突变现象来检测微质量，但需要激光位移传感器等复杂的测量设备，降低了其工程实用性。

综合分析发现，现有的线性谐振式微质量传感器主要通过改变传感器结构形式、几何参数和工作模式来提升传感器灵敏度，但是测量种类单一，传感器加工难度大，且灵敏度受环境阻尼等因素的影响很大。近年来，已有许多学者致力于研究非线性微质量传感器，但其测量设备复杂，工程实用性低。因此，为了提高微质量传感器的工程实用性，必须设计出测量设备简单，灵敏度和品质因数高，能避免环境阻尼等因素影响的微质量传感器。

技术实现要素：

根据上述提出的现有的传感器测量种类单一，传感器加工难度大，灵敏度差等技术问题，而提供一种基于非线性结构的环境异常监测传感器，是一种集激励与传感于一体的检测机构。本发明主要利用在悬臂梁上开口端设置非线性梁，再通过吸附膜和探测压电薄膜对气体浓度、微颗粒质量等进行监测，当吸附膜吸附被测物时，探测压电薄膜输出剧烈变化，由此判断吸附物的剂量。本发明具有结构简单、成本低、自激、自感等优点，其品质因数和灵敏度高，受环境阻尼的影响很小，且测量设备简单，不需要阻抗分析仪等，因此工程实用性高，应用范围广，可用于检测气体、粉尘、病毒和细菌等微生物。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于非线性结构的环境异常监测传感器，其特征在于，包括：固定端、激励压电薄膜、开孔悬臂梁、探测压电薄膜、吸附膜和非线性梁；所述开孔悬臂梁一端固定于所述固定端上，在所述开孔悬臂梁靠近与所述固定端固定的位置上连接有所述激励压电薄膜，在所述开孔悬臂梁的另一端自由端处设有开孔且开孔上方连接有所述非线性梁，所述探测压电薄膜和所述吸附膜连接于所述非线性梁的上表面。

本发明所述的非线性梁刚性固接于所述开孔悬臂梁的自由端处，开孔悬臂梁的振动对非线性梁产生激励。当开孔悬臂梁产生的激励幅值和频率达到一定值时，非线性梁发生稳态变化，即由第一稳态变到第二稳态，响应幅值产生巨大变化，探测压电薄膜输出剧烈变化。非线性梁上设置的选择性吸附膜，可以吸附特定对象。比如，特定生物吸附膜可以只吸附目标致病菌，而其他致病菌却不吸附，因此利用这种吸附膜可以检测某种致病菌是否存在；而利用带静电的吸附膜可以检测粉尘，静电力大小决定吸附的微颗粒质量大小，设定吸附的微颗粒质量大小，超出范围则不吸附，因此只需要观察探测压电薄膜输出情况，即可知道是否存在某种微颗粒。而针对不同的被测对象，该种类型传感器只需要更换吸附膜，就可以实现对不同被测物的检测，操作方便，简单，工程实用性强。

进一步地，所述非线性梁的两端固定于所述开孔悬臂梁的上表面且横跨于所述开孔的两侧，所述非线性梁的水平跨度大于或等于所述开孔的长度(开孔沿所述开孔悬臂梁的长度方向设置)，所述非线性梁的宽度小于所述开孔的宽度。

进一步地，所述激励压电薄膜一端连接于所述固定端，且所述激励压电薄膜的下表面与所述开孔悬臂梁的上表面连接，所述开孔悬臂梁与所述激励压电薄膜之间用导电胶进行无缝连接。

进一步地，所述激励压电薄膜的长度小于所述开孔悬臂梁的长度，所述激励压电薄膜的宽度等于所述开孔悬臂梁的宽度。

进一步地，所述探测压电薄膜粘贴于所述非线性梁的上表面，且所述探测压电薄膜的长度小于所述非线性梁的长度，所述探测压电薄膜的宽度等于非线性梁的宽度。

进一步地，所述探测压电薄膜的材质采用高分子柔性压电薄膜材料或压电纤维复合材料。

进一步地，所述非线性梁为余弦梁、预压屈曲梁、v型梁、弧形梁或者拱形梁中的一种。

本发明可以作为阈值型质量开关传感器，也可以作为称重型质量传感器。当作为阈值型质量开关传感器工作时，该种类型传感器激励频率要小于非线性结构产生分岔跳跃时的频率，非线性结构并没有发生分岔跳跃，探测压电薄膜输出很小。当吸附膜吸附被测物，且被测物的质量超过阈值型质量开关传感器的质量阈值，则非线性结构发生分岔跳跃，探测压电薄膜输出剧烈变化，由此可以检测被测物。在一定激励幅值下，激励频率越接近非线性结构的分岔频率，阈值型质量开关传感器的质量阈值越小，即通过调整激励频率大小，就可以调整阈值型质量开关传感器的质量阈值，实现对不同目标的检测。

当作为称重型质量传感器工作时，可以利用吸附不同质量时分岔频率的变化对被测物进行精确测量。本发明所设计的环境异常监测传感器响应频率的确定不是通过阻抗分析仪等复杂的设备来测量其响应幅值峰值点处所对应的频率，而只需要监测探测压电薄膜输出变化即可。通过测量吸附质量前探测压电薄膜输出产生巨大变化所对应的频率和吸附质量后探测压电薄膜输出产生巨大变化所对应的激励频率，利用两者之间的差值可以标定吸附的微质量大小。即利用吸附质量前后，非线性结构分岔频率的偏移对吸附质量大小进行标定。

本发明由于采用以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明所提出的基于非线性结构的环境异常监测传感器主要由开孔悬臂梁和非线性梁组成，非线性梁发生分岔跳跃时在分岔点处曲线斜率不随阻尼变化，因此，本发明具有较强的抵抗环境干扰的性能，检测结果的准确性、可靠性更高。

2、该环境异常监测传感器作为阈值型质量传感器工作时，当吸附膜吸附被测物时，探测压电薄膜输出剧烈变化，观察探测压电薄膜输出变化，即可对被测物进行监测，操作方便简单。而且改变激励频率就可以改变阈值型质量传感器的质量阈值，即最小检测质量，再配合选择性吸附膜，就可以实现对不同目标的检测，操作方便，可用于不同被测物检测，适用范围广，工程实用性强。

3、该环境异常监测传感器作为称重型质量传感器工作时，通过测量非线性结构在吸附质量前后分岔频率的变化，即测量探测压电薄膜在传感器吸附微质量前后输出产生巨大变化时所对应的激励频率，并计算两者差值，通过此差值就可以对吸附质量大小进行标定。不需要阻抗分析仪等复杂的测量设备，适用范围广，工程实用性高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于非线性结构的环境异常监测传感器的结构示意图。

图2为本发明中非线性梁、开孔悬臂梁幅频特性曲线图。

图3为本发明中非线性梁、开孔悬臂梁的响应位移随吸附质量的变化情况。

图4为本发明的传感器在不同吸附质量下，非线性梁的幅频特性曲线图。

图5为非线性结构分岔频率随吸附质量变化而变化的曲线图。

图中：1、固定端；2、激励压电薄膜；3、开孔悬臂梁；4、探测压电薄膜；5、吸附膜；6、非线性梁。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种基于非线性结构的环境异常监测传感器，包括：固定端1、激励压电薄膜2、开孔悬臂梁3、探测压电薄膜4、吸附膜5和非线性梁6；所述开孔悬臂梁3一端固定于所述固定端1上，在所述开孔悬臂梁3靠近与所述固定端1固定的位置上连接有所述激励压电薄膜2，所述激励压电薄膜2一端连接于所述固定端1，且所述激励压电薄膜2的下表面与所述开孔悬臂梁3的上表面连接，所述开孔悬臂梁3与所述激励压电薄膜2之间用导电胶进行无缝连接；所述激励压电薄膜2的长度小于所述开孔悬臂梁3的长度，所述激励压电薄膜2的宽度等于所述开孔悬臂梁3的宽度。

在所述开孔悬臂梁3的另一端自由端处设有开孔且开孔上方连接有所述非线性梁6，所述探测压电薄膜4和所述吸附膜5连接于所述非线性梁6的上表面，开孔悬臂梁3的振动对非线性梁6产生激励。所述非线性梁6的两端固定于所述开孔悬臂梁3的上表面且横跨于所述开孔的两侧，所述非线性梁6的水平跨度大于或等于所述开孔的长度(开孔沿所述开孔悬臂梁的长度方向设置)，所述非线性梁6的宽度小于所述开孔的宽度。

所述探测压电薄膜5粘贴于所述非线性梁6的上表面，且所述探测压电薄膜5的长度小于所述非线性梁6的长度，所述探测压电薄膜5的宽度等于非线性梁6的宽度。

所述探测压电薄膜5的材质采用高分子柔性压电薄膜材料或压电纤维复合材料。所述非线性梁6为余弦梁、预压屈曲梁、v型梁、弧形梁或者拱形梁中的一种。

实施例

采用如表1-表3的结构参数，对本发明的监测传感器进行实验并说明效果。在激励压电薄膜2上施加正弦电压进行激励，如图2所示，激励电压幅值定为22v，在一定范围内，随着激励频率逐渐增大，开孔悬臂梁3发生的位移一直很小，但是当激励频率达到一定值，非线性梁6(本实施例中采取余弦梁为例)发生分岔跳跃，产生很大的位移。由图2可知，分岔频率为35.51hz。接下来，保持激励电压幅值不变，激励频率定为35.03hz，对激励压电薄膜2进行激励，然后逐渐增大吸附质量，当吸附的质量超过阈值型质量传感器的质量阈值，非线性梁6发生分岔跳跃，响应幅值发生突变。非线性跳跃在分岔点处曲线斜率不随阻尼变化，因此，本发明的传感器具有较强的抵抗环境干扰的性能，检测结果的准确性、可靠性更高。

表1非线性梁(余弦梁)结构参数

表2开孔悬臂梁参数

表3激励压电薄膜参数

本发明当作为阈值型质量开关传感器工作时，该种类型传感器激励频率要小于非线性结构产生分岔跳跃时的频率，非线性结构并没有发生分岔跳跃，探测压电薄膜输出很小。如图2所示，非线性结构分岔频率为35.51hz，此时设激励频率为35.03hz，则非线性结构没有发生分岔跳跃，响应位移很小，探测压电薄膜输出很小。当吸附膜吸附被测物，且被测物的质量超过阈值型质量开关传感器的质量阈值，则非线性结构发生分岔跳跃，探测压电薄膜输出剧烈变化，由此可以检测被测物，如图3所示，当吸附质量达到300ug，非线性结构发生分岔跳跃，探测压电薄膜输出剧烈变化。且在一定激励幅值下，激励频率越接近非线性结构的分岔频率，阈值型质量开关传感器的质量阈值越小，即通过调整激励频率大小，就可以调整阈值型质量开关传感器的质量阈值,实现对不同目标的检测。

当环境异常监测传感器作为称重型质量传感器工作时，可以利用吸附不同质量时分岔频率的变化对被测物进行精确测量。由于非线性结构发生分岔跳跃时，响应位移产生巨大变化，探测压电薄膜输出产生巨大变化。因此，本发明所设计的环境异常监测传感器响应频率的确定，只需要监测探测压电薄膜输出变化即可。通过测量吸附质量前探测压电薄膜输出产生巨大变化所对应的激励频率和吸附质量后探测压电薄膜输出产生巨大变化所对应的激励频率，利用两者的差值可以标定吸附的微质量大小。即利用吸附质量前后，非线性结构分岔频率的偏移对吸附质量大小进行标定。如图4所示，当传感器吸附不同质量时，非线性结构分岔频率发生偏移。如图5所示，为非线性结构分岔频率随吸附质量变化而变化的曲线图，由图可以算出该环境异常监测传感器的灵敏度为0.415hz/mg。此算例算出的传感器灵敏度低主要是由于所设计的传感器结构尺寸比较大，当减小传感器结构尺寸，灵敏度必将极大地提升。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。