[发明专利]一种双层复用型三角形折叠梁质量块谐振系统及其痕量检测方法

权利要求书

1.一种双层复用型三角形折叠梁质量块谐振系统，其特征在于：包括衬底(1)、对称置于衬底上、下表面的第一谐振测试系统和第二谐振测试系统、驱动电压(4)以及外接电路(5)；

所述第一谐振测试系统包括位于衬底之上的第一基座(21)、支撑于第一基座上的第一上极板以及位于衬底表面中央的第一下极板(24)、第一基座设于衬底表面的周围，第一上极板包括第一三角形折叠梁质量块(22)和与其连接的三根第一股梁(23)；第一三角形折叠梁质量块由其周围的第一股梁支撑，水平设置，其与第一股梁连接点之间加入节胫；第一股梁的另一端分别扩散横向和纵向型压阻电阻(25)，并与第一基座连接；衬底、第一基座、第一三角形折叠梁质量块以及第一股梁形成一个空间，第一下极板和位于第一谐振测试系统中间的第一三角形折叠梁质量块之间存在空气间隙；

第二谐振测试系统与第一谐振测试系统结构相同，包括位于衬底之上的第二基座(31)、支撑于第二基座上的第二上极板以及位于衬底表面中央的第二下极板(34)；第二基座设于衬底表面的周围，第二上极板包括第二三角形折叠梁质量块(32)和与其连接的三根第二股梁(33)；第二三角形折叠梁质量块由其周围的第二股梁支撑，水平设置，其与第二股梁连接点之间加入节胫；第二股梁的另一端分别扩散横向和纵向型压阻电阻(35)，并与第二基座连接；衬底、第二基座、第二三角形折叠梁质量块以及第二股梁形成一个空间，第二下极板和位于第二谐振测试系统中间的第二三角形折叠梁质量块之间存在空气间隙；

驱动电压(4)一端与第一谐振测试系统的第一下极板和第二谐振测试系统的第二下极板连接，另一端与第一谐振测试系统的第一三角形折叠梁质量块和第二谐振测试系统的第二三角形折叠梁质量块连接，形成两个输出回路；

外接电路(5)与和其连接的第一谐振测试系统和第二谐振测试系统的压阻电阻形成惠斯通全桥。

2.根据权利要求1所述的一种双层复用型三角形折叠梁质量块谐振系统，其特征在于：所述第一下极板和第二下极板均为Al电极。

3.根据权利要求1所述的一种双层复用型三角形折叠梁质量块谐振系统，其特征在于：在股梁与基座连接端通过扩散硼离子形成P型压阻电阻，基座和股梁材料均为n型，以形成PN节。

4.一种基于权利要求1至3任一项所述的双层复用型三角形折叠梁质量块谐振系统的痕量检测方法，其特征在于：所述第一谐振测试系统和第二谐振测试系统的三角形折叠梁质量块采用相同的复合型材料，使第一谐振测试系统和第二谐振测试系统有相同的固有频率；当第一谐振测试系统或第二谐振测试系统用以吸附特定离子，相对的第二谐振测试系统或第一谐振测试系统不吸附特定离子；第一三角形折叠梁质量块或第二三角形折叠梁质量块的质量发生变化，相对的第二三角形折叠梁质量块或第一三角形折叠梁质量块的质量不发生变化；然后，两个谐振测试系统给予相同的驱动电压，两个输出回路只有一个回路由于三角形折叠梁质量块质量的变化发生改变，另一回路三角形折叠梁质量块不发生变化；第一谐振测试系统和第二谐振测试系统的股梁与三角形折叠梁质量块在静电力作用下发生振动，股梁将发生弯曲，则外表面上最大的弹性力恰好出现在股梁支撑点上，使得股梁末端的压阻区电阻率发生周期性变化，相对的产生两个输出信号，通过外接电路，利用惠斯通电桥的方法来检测两个输出信号的周期性变化曲线，测得第一和第二谐振测试系统的频率，进一步测得第一谐振测试系统或第二谐振测试系统的三角形折叠梁质量块变化的质量，即吸附特定离子的质量。

5.根据权利要求4所述的一种基于双层复用型三角形折叠梁质量块谐振系统的痕量检测方法，其特征在于：当有微小质量到达三角形折叠梁质量块上时，质量块的质量发生改变，从而产生振荡频率的偏移，计算公式为：

f₀为股梁的固有频率，△f为股梁频率的变化值，m₀为三角形折叠梁质量块的初始质量，△m为三角形折叠梁质量块在吸附特定离子后质量的变化值，k为常数；

由公式(1)和(2)可得：

化简得：

m₀f₀²＝m₀f₀²+m₀△f²+2m₀f₀△f+△mf₀²+△m△f²+2△m△f×f₀ (4)；

由于△m与△f的数值很小，约去其二次项得：

△m△f²+2△m△f×f₀＝0 (5)；

进一步求得：

由公式(5)可推得三角形折叠梁质量块的质量变化情况，进而检测水中特定离子的浓度。