频 率与T型梁2固有频率比为1:3,即f2 = 3fi。
[0042] 所述U型梁1自由端处表面涂覆质量敏感薄膜101用于选择性吸附物质分子。当需 测定某种物质质量时，特异性质量敏感薄膜101吸附该物质分子，此时U型梁1的质量增加， 谐振频率发生偏移。U型梁相比于单根矩形梁，结构更紧凑，封装后体积更小，但除U型外亦 可使用其他可实现同步共振的梁结构(如矩形梁、T型梁、π型梁等对称梁结构）。在本实施例 中，利用可实现更多分子吸附的U型结构完成质量检测。
[0043] 所述Τ型梁的基底梁201上表面通过氧化或其他工艺设计有上绝缘层202,下表面 通过氧化或其他工艺设计有下绝缘层203，
[0044] 所述压电拾振结构5为上电极502、压电层501、下电极503的Ξ明治结构。
[0045] 将整个传感结构放置于带有被测物质的环境中，并驱动压电激振结构9激振传感 器。在某激振频率下(趋近于U型梁的一阶固有频率)U型、Τ型梁均产生振幅倍增，此时发生 同步共振现象。可通过压电拾振结构5、压阻拾振结构6、电容拾振结构7、8相叠加的交变电 信号确定吸附物质后T型梁2的共振频率f2'。
[0046] 根据公式可将梁的振动频率换算为梁结构的质量，因而可W由频率的偏移量确定 梁变化的质量，公式如下：
[0047]
[004引 化 ti
[0049] mc = PcAL
[0050] 其中f为固有频率，L为矩形悬臂梁的长度，El第i层材料的杨氏模量，Ii为第i层材 料为惯性矩，P为材料的密度，A为梁的横截面积，λ为与谐振模态有关的常数。λι = 1.875、λ2 = 4.694、λη? (i-l/2)3im。为悬臂梁质量，t功第i层材料厚度，Ρ功第i层材料密度，t。为悬臂 梁整体厚度。
[0051] 若被检测目标为气体，则质量敏感薄膜101吸附气体分子的质量与浓度成线性关 系，故可计算得到浓度值。
[0052] 市场化的过程中，需要通过梁的阵列制造实现多种气体检测，图7A、7B、7C为Ξ种 可实现多种气体检测的梁阵列结构设计。其中，图7A为简单的横向阵列结构；图7B、图7C为 两种圆形阵列方法，占用空间较小。图7B固定结构位于中屯、，安置方便且可与被检测环境充 分接触;7C固定结构位于外侧，可保护中屯、的悬臂梁传感器件。
[0053] 实施例中压电、压阻、电容叠加增大灵敏度的具体描述如下：
[0054] 由于同步共振结构，T型梁在高于激振频率3倍的频率处振动。根据灵敏度的计算 公式：
[0化5]
[0056] 其中，W为悬臂梁宽度，Δ f为谐振频率的改变量，Am为质量变化。
[0057] 由于频率提高了 3倍，在梁结构不变的情况下，灵敏度提高了 3倍。
[0058] 多片压电结构可按振动模态、应用领域的不同使用纵向、横向等不同的排布方法。 各片上下电极依次串联，形成压电拾振结构。其串联的总电压可用如下公式表示：
[0化9]
[0060] 其中，η为压电拾振结构片数，Vtotai为输出总电压，Qi为第i片压电拾振结构的电荷 量，Ci为第i片压电拾振结构的电容。
[0061] 在本实施例中假设压电拾振结构5在沿梁方向放置5片，每片形状、大小相同。每片 压电拾振结构可产生的电荷量可由如下公式表示：
[0062]
[0063] 其中，d3i为横向压电常数，Ep为压电层杨氏模量，Zp为压电层至中性轴距离，1为压 电结构长度，L为梁的长度WE为单片压电结构宽度，Ii为第i层材料对自身中性轴惯性矩，Ai 为第i层材料横截面积。Qind为单片压电拾振结构输出电荷量。
[0064] 多片串联结构的总电压与相同面积的整片结构电压比可用如下公式表示：
[00 化]
[0066] 可求得多片串联后输出电压相比于相同面积整片的压电结构提高了 5倍。其中， WE'为整片压电拾振结构宽度，Q'lnd整片压电拾振结构电荷量，V'tetal整片结构输出电压。
[0067] 带入尺寸数值计算了压电层在1、2、4、6、8、10片时输出总电压￥*。*31的数值，获得曲 线如图5所示，可见随着压电层的片数增加，输出总电压不断增大，成线性关系。
[0068] 压阻拾振结构6用离子注入等工艺设于悬臂梁固定端上表面，固定端表面受应力 最大，阻值变化大，输出电压大。
[0069] 压阻拾振结构6与外部电阻构成惠斯通电桥，其电阻的变化由输出电压测得：
[0070]
[007。 其中，Vin为输入电压，Vnut为输出电压，A R为压阻拾振结构阻值的变化，R为压阻拾 振结构阻值。
[0072] T型梁2上各点应力如图6所示，由材料力学分析可知，T型梁2在固定端应力最大， 图6中的仿真结果亦可证实运一点。
[0073] 因电容为差动设计，电容的变化量Δ C为：
[0074] AC =打-C2
[0075] 其中，Cl为支撑结构下电极802与T型梁自由端下电极形801成的电容值，C2为支撑 结构上电极702与T型梁自由端上电极701形成的电容值。
[0076] T型梁自由端宽度为普通矩形梁宽度的2倍，因而差动式电容结构电容的变化是非 差动式矩形梁结构的2倍W上。利用差动电容不仅可W增大电容结构的灵敏度，提高传感器 的检测灵敏度，而且在一定程度上可W消除环境影响带来的误差。
[0077] 所述的Ξ种拾振结构均可W将谐振振幅及频率W电压信号输出，控制压电材料的 极化方向，使其在向下偏转时输出负电压，便可叠加 Ξ种拾振结构的输出电压，放大电压 值，从而进一步提高传感器的检测灵敏度。
【主权项】
1. 一种基于同步共振的高灵敏度压电压阻电容叠加力敏传感器，其特征在于:c型支撑 结构下部与压电激振结构固定连接，该C型支撑结构的中部与U型梁、T型梁、同步耦合梁相 连，T型梁的两侧与同步耦合梁相连，U型梁的内侧亦与同步耦合梁相连，T型梁上表面沉积 多片压电拾振结构，固定端表面设置有压阻拾振结构，T型梁自由端上表面沉积电极，与上 支撑部分表面电极共同组成上电容拾振结构，T型梁自由端下表面沉积电极，与下支撑部分 表面电极共同组成下电容拾振结构，两电容拾振结构组成差动式电容拾振结构。2. 根据权利要求1所述的基于同步共振的高灵敏度压电压阻电容叠加力敏传感器，其 特征在于:所述的U型梁、T型梁、同步耦合梁和C型支撑结构均由同一基底加工而成。3. 根据权利要求1或2所述的基于同步共振的高灵敏度压电压阻电容叠加力敏传感器， 其特征在于:所述的U型梁、T型梁、同步耦合梁共同组成同步共振结构，根据同步共振物理 原理，若低频梁固有频率为ω :，高频梁固有频率为ω 2，其固有频率满足如下公式： πιω ι = η ω 2 其中，m、n均为整数，m/n即为频率的放大倍数，其中低频梁为U型梁，高频梁为Τ型梁。4. 根据权利要求1所述的基于同步共振的高灵敏度压电压阻电容叠加力敏传感器，其 特征在于:所述的U型梁自由端处表面涂覆质量敏感薄膜用于选择性吸附物质分子。5. 根据权利要求1所述的基于同步共振的高灵敏度压电压阻电容叠加力敏传感器，其 特征在于:所述的Τ型梁上表面通过氧化或其他工艺设计有上绝缘层，下表面通过氧化或其 他工艺设计有下绝缘层。6. 根据权利要求1所述的基于同步共振的高灵敏度压电压阻电容叠加力敏传感器，其 特征在于:压电拾振结构为上电极、压电层、下电极的三明治结构。7. 根据权利要求1所述的基于同步共振的高灵敏度压电压阻电容叠加力敏传感器，其 特征在于:所述的多片压电结构使用纵向、横向等不同的排布方式，各片上下电极依次串 联，形成压电拾振结构。
【专利摘要】本发明涉及一种基于同步共振的高灵敏度压电压阻电容叠加力敏传感器，属于可实现压电、压阻、电容叠加的同步共振悬臂梁力敏传感器。C型支撑结构下部与压电激振结构固定连接，该C型支撑结构的中部与U型梁、T型梁、同步耦合梁相连，T型梁的两侧与同步耦合梁相连，U型梁的内侧亦与同步耦合梁相连，T型梁上表面沉积多片压电拾振结构，固定端表面设置有压阻拾振结构，两电容拾振结构组成差动式电容拾振结构。优点是结构新颖，通过较简单的结构设计，将压电、压阻、电容拾振结构集成于同一结构中，三者输出信号叠加，可进一步放大了输出电压，提高传感器的检测灵敏度。
【IPC分类】G01L1/00
【公开号】CN105628264
【申请号】CN201610171506
【发明人】王东方, 杜旭, 王昕 , 杨旭, 刘欣, 刘欢, 郑果文, 毛梦元
【申请人】吉林大学
【公开日】2016年6月1日
【申请日】2016年3月23日