一种参数激励与同步共振协同调控的高分辨率传感器及方法

1.本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种参数激励与同步共振协同调控的高分辨率传感器及方法。


背景技术：

2.基于mems传感技术的谐振式传感器一直是传感器领域的研究热点。谐振式传感器通常采用灵敏度较高的微梁作为敏感结构，通过比较微梁上所附着的敏感层(膜)与待测物相互作用前后质量变化或待测力作用前后的刚度变化引起的微梁谐振频率偏移实现微量待测物质或微弱力的检测。该类传感器只需通过更换谐振子表面的敏感薄膜即可实现多种气体的检测，具有灵敏度高、响应时间短、尺寸小、易于集成和携带方便等优点，在民生/工业安全等领域应用广泛。
3.1984年，美国加州伯克利分校的r.t.howe等人率先提出了一种基于微桥的谐振式气体传感器，相比于其他气体检测方法,对检测灵敏度有了很大提升。美国橡树岭国家实验室的t.thundat等利用v型氮化硅悬臂梁为载体，在悬臂梁的上表面涂覆一层金薄膜，通过分析动态谐振振动频率的偏移，实现了对汞蒸气的检测。法国波尔多大学l.fadel等人设计了一种用于检测挥发性有机气体的谐振式传感器，质量灵敏度达到0.06hz
·
ng
‑1，对乙醇的检测精度可以达到14
×
10
‑6。西班牙萨拉戈萨大学d.garc
í
a
‑
romeo团队通过分析不同敏感膜吸附气体时的振动特征，检测下限可达100ppb。复旦大学周嘉等人利用溶胶
‑
凝胶法研制了一种压电谐振式微梁气体传感器，传感器在100
×
10
‑6范围内呈线性响应，灵敏度达0.0024％
×
10
‑6，最小可测质量为3.5
×
10
‑9g。上海微系统所李昕欣等人设计了一种高分辨率的压阻检测式二氧化硅微微梁谐振式传感器，最小检测气体浓度可达ppb级，灵敏度可以达到(20～30)
×
10
‑9；利用参数激励实现谐振结构的振幅跃变和振幅放大有利于提高传感器的分辨率。美国加州大学圣巴巴拉分校的k.l.turner团队首次应用参数激励对单晶硅微谐振结构进行研究，通过测量参数激励的阿诺德之舌边界分岔点频率偏移实现了pg级质量检测，相比传统谐振式质量传感器检测的灵敏度提高了1
‑
2个数量级。并基于数据统计分析，利用噪声挤压效应测量叉型分岔点频率偏移，实现了在大气环境中对dnt气体分子的检测；基于非线性振动力学的同步共振原理，可实现低频激振高频拾振的频率倍增效应，提高传感器的分辨率。吉林大学王东方教授分析了微小质量扰动对同步共振区域频率范围的影响，利用同步共振降低了高频梁的相位噪声，实现了谐振式传感器pg级的分辨率。虽然现有的谐振式微梁传感器可以实现较高的分辨率，大气环境/微环境、矿产资源探测、爆炸物和剧毒物检测等领域产生的危险气体浓度一般处于ppb
‑
ppm(10
‑9‑
10
‑6)范围，超过了现有谐振式传感器的检测下限。为拓展谐振式传感器在上述领域的应用，必须进一步提高传感器的分辨率，并降低传感器的功耗以满足长期监测的需求。


技术实现要素：

4.为了克服上述问题，本发明提供一种参数激励与同步共振协同调控的高分辨率传
感器及方法，首次提出了参数激励和同步共振协同调控传感的新思想，利用参激振动提高参激梁的振动幅值，并利用同步共振抑制同步梁的相位噪声。本发明设计了双端固支耦合梁传感结构，利用同步共振作用下参激振动的振幅跃变特性和参数激励下同步共振的超高分辨率频率特征，能够实现痕量物质(微弱力)的超高分辨率预警和检测。
5.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
6.一种参数激励与同步共振协同调控的高分辨率传感器，包括参激梁2、同步梁3、耦合单元4、敏感层5、激励单元、参激单元7、检测单元和基座1，其中参激梁2和同步梁3的两端固定在基座1上，且参激梁2和同步梁3之间通过耦合单元4连接；参激梁2的两端分别设置有第一激励单元601和第一检测单元801，且其中部上表面沉积有敏感层5，敏感层5前端的参激梁2上设有参激单元7，同步梁3的两端分别设置有第二激励单元602和第二检测单元802。
7.所述基座1包括左右两个基座块，参激梁2和同步梁3的两端分别固定在左右两个基座块上。
8.所述耦合单元4为机械耦合结构，该机械耦合结构为悬臂梁,其根部即后端端部固定在基座1上，左右两侧分别连接在参激梁2和同步梁3的内侧表面，且耦合单元4上均匀分布有矩形通孔。
9.所述耦合单元4为电容耦合、磁耦合或光耦合结构。
10.所述第一激励单元601、第二激励单元602和参激单元7为压电陶瓷、平行板电容、梳齿电容或热电阻原理的驱动结构。
11.所述参激单元7为压电陶瓷驱动结构，包括第一压电层701、第一上电极702和第一下电极703，其中第一上电极702固定在第一压电层701上，第一压电层701固定在第一下电极703上。
12.所述第一检测单元801和第二检测单元802能够将振动转换为电压信号。
13.所述第一检测单元801和第二检测单元802的结构相同，均包括第二压电层80101、第二上电极80102和第二下电极80103，其中第二上电极80102固定在第二压电层80101上，第二压电层80101固定在第二下电极80103上。
14.所述敏感层5是特异性吸附薄膜、分子筛或磁敏感层。
15.所述参激梁2和同步梁3均为双端固支梁，且其形状、尺寸和固有频率相同。
16.所述参激梁2、同步梁3、耦合单元4和基座1为一体件。
17.所述同步梁3为悬臂梁、谐振环或谐振腔。
18.参数激励与同步共振协同调控的高分辨率传感方法按以下步骤进行：
19.步骤一，通过参激电路的交流电源对参激梁2上的第一激励单元601施加交流电压，逐渐增大交流电源的输出频率，在参激梁2的固有频率扫频激励参激梁2上的参激单元7；
20.步骤二，通过选择开关接通自激振荡回路的直接驱动支路，对第二激励单元602施加交流电压，从而激励同步梁3上的第二激励单元602，待同步梁3上的第二检测单元802输出电压幅值稳定后，将选择开关调至接通自激振荡电路的负反馈驱动支路，通过自激振荡电路的负反馈驱动支路闭环地激励同步梁3；
21.步骤三，检测同步梁3上第二检测单元802的电压信号，并通过傅里叶变换标定同步梁3的初始谐振频率；
22.步骤四，将传感器放置于待测物质或力的环境中；
23.步骤五，通过参激电路的交流电源对第一激励单元601施加定频交流电压，在参激梁2的固有频率处定频激励参激梁2；
24.步骤六，通过参激电路对参激单元7施加定频交流电压，定频激励参激单元7，其激励频率为第一激励单元601激励频率的二倍，进一步增大同步梁3上第二检测单元802的信号输出；
25.步骤七，通过选择开关接通自激振荡回路的直接驱动支路，对第二激励单元602施加交流电压，从而激励同步梁3上的第二激励单元602，待第二检测单元802输出电压幅值稳定后，将选择开关调至接通自激振荡电路的负反馈驱动支路，通过自激振荡电路的负反馈驱动支路闭环地激励同步梁3；
26.步骤八，通过调节参激电路中直流偏置电路的直流电源的输出电压正比例调节参激梁2的固有频率，使参激梁2与同步梁3发生单倍频参激同步共振；
27.步骤九，当第一检测单元801输出电压值陡降或陡增，说明参激梁2发生振幅跃变，实现痕量待测物质或微弱待测力的预警；反之，重复步骤五至步骤八；
28.步骤十，通过逐渐增大参激电路中交流电源的输出频率，在参激梁2的固有频率扫频激励参激梁2上的参激单元7，并取消向参激梁2的第一激励单元601施加的交流电压；
29.步骤十一，检测同步梁3上第二检测单元802的电压信号，通过傅里叶变换得到同步梁3的谐振频率，即传感谐振频率，实现痕量待测物质的质量m
g
或微弱待测力f
g
的高分辨率感测，其中
[0030][0031]
其中，f为同步梁3标定的初始谐振频率，f
′
为同步梁3的传感谐振频率，k是同步梁3的线性刚度。
[0032]
所述步骤一、五、六中的参激电路为由交流电源、电容、放大器、倍频器和直流偏置电路依次顺序连接构成的开环电路；直流偏置电路由电感和直流电源连接组成；其中倍频器与直流偏置电路中的电感连接，电容的输出电压作用在第一激励单元601上；倍频器输出电压作为最终电压作用在参激单元7上。
[0033]
所述自激振荡电路由直接驱动支路、负反馈驱动支路、直流偏置电路组成；其中，直接驱动支路由交流电源、选择开关和电容依次顺序连接形成的开环电路，其中第二激励单元602和电容连接；且交流电源输出的初始激励频率设置为同步梁3的固有频率；
[0034]
其中，负反馈驱动支路为由放大器、带通滤波器、限幅器、移相器、选择开关和电容首尾顺序连接形成的闭环回路；其中第二激励单元602与电容连接，第二检测单元802与放大器连接，第二检测单元802的输出电压经放大器、带通滤波器、限幅器、移相器、选择开关和电容后作为最终电压输出作用在第二激励单元602上。
[0035]
本发明的有益效果：
[0036]
本发明传感器利用参激梁的参激振动的幅值跃变现象进行痕量待测物质(微弱待测力)预警，具有极高的分辨率。
[0037]
本发明传感器利用同步梁的频移特征进行痕量待测物质(微弱待测力)检测，由于参激梁和同步梁之间的参激同步共振，大幅减小了同步梁的相位噪声并提高了同步梁的振
动稳定性，极大的提高了传感分辨率。
[0038]
本发明采用先预警后检测的传感方法，相比于传统的直接检测方法，可预先准确的判断极微量待测物质(或极微弱力)的存在，并与外界扰动区分，大大降低了传感器在极微量量级下错误传感的概率。
[0039]
参激梁、同步梁通过耦合单元连接，使得激振、拾振分离，能够消除参激梁的表面损耗对检测的影响。
附图说明
[0040]
图1为本发明实施例1的传感器结构示意图；
[0041]
图2为图1所示传感器的局部放大图；
[0042]
图3为传感器感测预警机理图；
[0043]
图4为传感器感测检测机理图；
[0044]
图5为传感器及其电路图；
[0045]
图6为基于热电阻参激的传感器结构整体示意图；
[0046]
图7为基于热电阻参激的传感器结构局部放大图；
[0047]
图8为基于中心耦合结构的h形传感器结构整体示意图；
[0048]
图9为基于平行极板静电激励结构、电容耦合的传感器结构整体示意图；
[0049]
图10为基于静电梳齿激励结构、电容耦合的传感器结构整体示意图；
[0050]
图11为基于静电梳齿激励结构、电容耦合的传感器结构局部放大图；
[0051]
图12为基于静电梳齿激励结构、电容耦合的传感器及其电路图。
[0052]
其中：1基座、2参激梁、3同步梁、4耦合单元、5敏感层、601第一激励单元、60101第三压电层、60102第三上电极、60103第三下电极、60104静电梳齿、60105电极、602第二激励单元、7参激单元、701第一压电层、702第一上电极、703第一下电极、801第一检测单元、80101第二压电层、80102第二上电极、80103第二下电极、80104左电极一、80105右电极一、802第二检测单元、80201左电极二、80202右电极二。
具体实施方式
[0053]
以下将结合附图，对本发明进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
[0054]
实施例1
[0055]
如图1和图2所示为本发明方案外观整体示意图，一种参数激励与同步共振协同调控的高分辨率传感器，包括参激梁2、同步梁3、耦合单元4、敏感层5、激励单元、参激单元7、检测单元和基座1，其中参激梁2和同步梁3的两端固定在基座1上，且参激梁2和同步梁3之间通过耦合单元4连接构成双端固支耦合梁；参激梁2的两端分别设置有第一激励单元601和第一检测单元801，且其长度方向的中部——中心位置处上表面沉积有敏感层5，敏感层5前端的参激梁2上设有参激单元7，且参激单元7与参激梁2上的第一检测单元801之间存在距离，同步梁3的两端分别设置有第二激励单元602和第二检测单元802。
[0056]
所述基座1包括左右两个基座块，参激梁2和同步梁3的两端分别固定在左右两个基座块上。
[0057]
所述耦合单元4为机械耦合结构，该机械耦合结构为悬臂梁,其根部即后端端部固定在基座1上，左右两侧分别连接在参激梁2和同步梁3的内侧表面，且耦合单元4上均匀分布有矩形通孔。矩形通孔均匀分布在耦合单元4表面以减小耦合刚度。
[0058]
所述耦合单元4为电容耦合、磁耦合或光耦合的非接触耦合结构。以上非接触耦合结构均由两个分别固定在参激梁2和同步梁3上的耦合极子构成。例如电容耦合结构由分别固定在参激梁2和同步梁3的内侧表面的平行电容极板或梳齿电容极板构成。
[0059]
所述第一激励单元601、第二激励单元602和参激单元7为压电陶瓷、平行板电容、梳齿电容或热电阻原理的驱动结构。基于压电陶瓷、热电阻原理的激励单元固定在参激梁2和同步梁3的一端根部，基于压电陶瓷、热电阻原理的参激单元7固定在参激梁2的另一端根部；基于平行板电容、梳齿电容原理的激励单元固定在参激梁2和同步梁3长度方向的中心位置下表面，基于平行板电容、梳齿电容原理的参激单元7固定在参激梁2长度方向的中心位置下表面。
[0060]
所述参激单元7为压电陶瓷驱动结构，包括第一压电层701、第一上电极702和第一下电极703，其中第一上电极702固定在第一压电层701上，第一压电层701固定在第一下电极703上。
[0061]
所述第一检测单元801和第二检测单元802均采用压电或压阻原理，能够将振动转换为电压信号。且分别固定在参激梁2和同步梁3的前端根部。
[0062]
所述第一检测单元801和第二检测单元802的结构相同，均包括第二压电层80101、第二上电极80102和第二下电极80103，其中第二上电极80102固定在第二压电层80101上，第二压电层80101固定在第二下电极80103上。
[0063]
所述敏感层5根据待测物质或力的不同，可以是特异性吸附薄膜、分子筛或磁敏感层等多种敏感结构。
[0064]
所述参激梁2和同步梁3均为双端固支梁，且其形状、尺寸和固有频率相同。
[0065]
所述参激梁2、同步梁3、耦合单元4和基座1为一体件。所述参激梁2、同步梁3、耦合单元4和基座1由同一硅基底加工而成。
[0066]
所述同步梁3为悬臂梁、谐振环或谐振腔。
[0067]
如图3和图4所示，参数激励与同步共振协同调控的高分辨率传感方法按以下步骤进行：
[0068]
步骤一，通过参激电路的交流电源对参激梁2上的第一激励单元601施加交流电压，逐渐增大交流电源的输出频率，在参激梁2的固有频率附近扫频激励参激梁2上的参激单元7；
[0069]
步骤二，通过选择开关接通自激振荡回路的直接驱动支路，对第二激励单元602施加交流电压，从而激励同步梁3上的第二激励单元602，待同步梁3上的第二检测单元802输出电压幅值稳定后，将选择开关调至接通自激振荡电路的负反馈驱动支路，通过自激振荡电路的负反馈驱动支路闭环地激励同步梁3；
[0070]
步骤三，检测同步梁3上第二检测单元802的电压信号，并通过傅里叶变换标定同步梁3的初始谐振频率；
[0071]
步骤四，将传感器放置于待测物质或力的环境中；
[0072]
步骤五，通过参激电路的交流电源对参激梁2上的第一激励单元601施加定频交流
电压，在参激梁2的固有频率处定频激励参激梁2；调整对第一激励单元601施加电压的频率即第一激励单元601的激励频率，直至达到参激梁2的固有频率，进而实现对参激梁2的激励；
[0073]
步骤六，通过参激电路对参激梁2上的参激单元7施加定频交流电压，定频激励参激单元7，其激励频率为第一激励单元601激励频率的二倍，即施加频率约为参激梁2固有频率二倍的交流电压，进一步增大同步梁3上第二检测单元802的信号输出；
[0074]
步骤七，通过选择开关接通自激振荡回路的直接驱动支路，对第二激励单元602施加交流电压，从而激励同步梁3上的第二激励单元602，待同步梁3上的第二检测单元802输出电压幅值稳定后，将多路选择开关调至接通自激振荡电路的负反馈驱动支路，通过自激振荡电路的负反馈驱动支路闭环地激励同步梁3；
[0075]
步骤八，通过调节参激电路中直流偏置电路的直流电源的输出电压正比例调节参激梁2的固有频率，使参激梁2与同步梁3发生单倍频参激同步共振；
[0076]
参激电路中的倍频器和直流偏移电路并联连接，倍频器输出的是交流电压，直流偏置电路的直流电源输出的是直流电压，通过二者的连接点向参激单元7输出一个既包含交流电压又包含直流电压的电压信号；其中，交流电压信号用于周期性驱动，直流电压用于调节2的固有频率。
[0077]
参激单元7的直流偏置电压变大将导致参激梁2的固有频率变大，当参激梁2和同步梁3的振动频率准确地锁定为相同大小时，说明发生了同步共振。
[0078]
步骤九，当第一检测单元801输出电压值陡降或陡增，说明参激梁2发生振幅跃变，实现痕量待测物质或微弱待测力的预警；反之，重复步骤五至步骤八；
[0079]
第一检测单元801的输出电压和参激梁2的振幅始终是成比例的，第一检测单元801输出电压值陡降(或陡增)说明参激梁2的振幅陡降(或陡增)，根据电压值陡降(或陡增)这个特征来实现待测物质预警；
[0080]
步骤十，通过逐渐增大参激电路中交流电源的输出频率，在参激梁2的固有频率附近扫频激励参激梁2上的参激单元7，并取消向参激梁2的第一激励单元601施加的交流电压；
[0081]
步骤十一，检测同步梁3上第二检测单元802的电压信号，通过傅里叶变换得到同步梁3的谐振频率，即检测后的谐振频率——传感谐振频率，实现痕量待测物质的质量m
g
或微弱待测力f
g
的高分辨率感测，其中
[0082][0083]
其中，f为同步梁3标定的初始谐振频率，f
′
为同步梁3的传感谐振频率，k是同步梁3的线性刚度。
[0084]
如图5所示，所述步骤一、五、六中的参激电路即参数激励电路为由交流电源、电容、放大器、倍频器和直流偏置电路依次顺序连接构成的开环电路；直流偏置电路由电感和直流电源连接组成；其中倍频器与直流偏置电路中的电感连接，电容的输出电压作用在第一激励单元601上；倍频器输出电压作为最终电压作用在参激单元7上。
[0085]
其中施加在参激单元7上的参数激励交变电压u
p
为：
[0086]
u
p
＝v
dc
+v
ac cos 2ωt
[0087]
其中，v
dc
、v
ac
、ω、t分别为倍频器和直流偏置电路并联接口的输出电压即参数激励交变电压的直流偏置电压、交流电压幅值、0.5倍交流电压频率值以及时间，ω的大小约等于参激梁2的固有频率值，其中直流偏置电压、交流电压幅值和交流电压频率值分别是测量参激电路中直流电源输电压、交流电源输出电压的幅值和频率得到。
[0088]
由于对第一激励单元601施加交流电压，故在第一激励单元601的驱动下，参激梁2的振动幅值增益为：
[0089][0090]
其中，v
t
是发生参激共振的交变电压阈值，测参激电路输出到参激梁2上的第一激励单元601的电压得到，φ是参激单元7和第一激励单元601交变电压的初始相位差；
[0091]
通过参数激励电路对参激梁2的参激单元7施加频率约为参激梁2固有频率二倍的交流电压，实现对参激梁2的参数激励。
[0092]
所述自激振荡电路由直接驱动支路、负反馈驱动支路、直流偏置电路组成；其中，直接驱动支路由交流电源、选择开关和电容依次顺序连接形成的开环电路，其中第二激励单元602和电容连接；且交流电源输出的初始激励频率设置为同步梁3的固有频率；
[0093]
其中，负反馈驱动支路为由放大器、带通滤波器、限幅器、移相器、选择开关和电容首尾顺序连接形成的闭环回路；其中第二激励单元602与电容连接，第二检测单元802与放大器连接，第二检测单元802的输出电压经放大器、带通滤波器、限幅器、移相器、选择开关和电容后作为最终电压输出作用在第二激励单元602上。
[0094]
所述直流偏置电路由电感和直流电源连接组成。
[0095]
实施例2
[0096]
如图6和图7所示，与实施例1相同，区别在于：
[0097]
基于热电阻原理的参激单元7包括两个热电阻丝704和左电极705，其中左电极705固定在参激梁2的根部，两个热电阻丝704分别设置在敏感层5两端的参激梁2上表面；
[0098]
所述第一激励单元601为基于压电陶瓷的驱动结构，包括第三压电层60101、第三上电极60102、第三下电极60103，其中第三上电极60102固定在第三压电层60101上，第三压电层60101固定在第三下电极60103上。
[0099]
实施例3
[0100]
如图8所示，与实施例1相同，区别在于：
[0101]
所述耦合单元4为机械耦合结构，且其固定在参激梁2和同步梁3的中部之间。
[0102]
实施例4
[0103]
如图9和图12所示，与实施例1相同，区别在于：
[0104]
所述基座1为中部开口的面板。
[0105]
所述耦合单元4为电容耦合结构。
[0106]
所述第一激励单元601、第二激励单元602均为平行板电容原理的驱动结构。
[0107]
所述第一检测单元801包括左电极一80104和右电极一80105；第二检测单元802包括左电极二80201、右电极二80202；其中左电极一80104和左电极二80201固定在基座1左端，且左电极一80104和左电极二80201的右端端部分别固定在同步梁3和参激梁2左端端部，右电极一80105和右电极二80202固定在基座1右端，且右电极一80105和右电极二80202
的左端端部分别固定在同步梁3和参激梁2右端端部。
[0108]
所述第一激励单元601、第二激励单元602均固定在基座1上，且第一激励单元601、第二激励单元602的内侧分别固定在同步梁3和参激梁2长度方向的中心位置下表面。
[0109]
此时第一激励单元601同时也是参激单元7，在这个实施例中参激单元7的功能可以被第一激励单元601覆盖，所以二者共用一个结构。
[0110]
实施例5
[0111]
如图10和图11所示，与实施例4相同，区别在于：
[0112]
所述第一激励单元601、第二激励单元602均为梳齿电容原理的驱动结构，均包括静电梳齿60104和电极60105，其中电极60105固定在基座1上，且电极60105固定在静电梳齿60104的固定端上表面，且电极60105同时固定在参激梁2上。
[0113]
此时第一激励单元601和第二激励单元602同时也分别作为参激单元7，能同时实现这二者的功能。