[实用新型]一种基于模态局部化的谐振式气体感测装置

说明书

本实用新型涉及一种基于模态局部化的谐振式气体感测装置，属于气体检测领域。主要包括三根耦合的双端固支梁组成的双端固支梁耦合阵列以及一根参考梁组成，在第一根和第二根的双端固支梁中部表面沉积有对两种不同气体分别敏感的特异性薄膜，并在第三根双端固支梁以及参考梁中部表面沉积等质量的非敏感薄膜，在吸附气体前后通过检测阵列的模态改变量并求取实测局部化程度参数，定性判断气体存在情况，再定量求解出两种气体各自的浓度值。优点是结构新颖、体积小、检测灵敏度高、识别效率高、有利于微量气体的检测，可应用于重要公共场合有毒有害气体的预警。

技术领域

本实用新型属于气体检测领域，涉及一种基于模态局部化的谐振式气体感测装置及检测方法。

背景技术

随着物联网(IOT)技术的不断发展，在医疗诊断、环境监测、车站安检等众多应用领域对于有毒有害气体高灵敏度检测的需求越来越迫切，传统的气体传感器大多基于测量气体的光谱或是基于气体的浓度与某种电学特性(如电阻，电压等等)的关系实现感测，但在感测的过程中存在着诸多问题，如灵敏度不够高、结构复杂、体积过于庞大等。

近年来，越来越多的科研工作者将模态局部化原理引入物质检测领域，原因是基于模态局部化原理的质量传感器或力传感器可以获得很高的检测灵敏度，传感结构可以为简单的微悬臂梁耦合阵列，能有效实现器件的微型化，减少检测成本。它与传统谐振式传感器的区别在于，利用谐振模态的改变量而不是谐振频率作为传感器的输出。2006年，普渡大学首次开启了基于模态局部化原理的超高灵敏度传感检测的先河，通过在一个2自由度耦合阵列其中一根悬臂梁尖端施加154pg微小颗粒，获得的谐振模态改变量与谐振频率改变量相比，灵敏度提高了2个数量级；2008年，该团队进一步将2自由度耦合阵列扩展为15自由度耦合阵列，将灵敏度提高了3个数量级；2009年，剑桥大学团队构建了基于静电力耦合的两自由度双端固定音叉谐振子结构，通过减小耦合刚度进一步提高了检测灵敏度，同时证明了应用模态局部化的力传感器可实现共模抑制，即避免温度、湿度等环境因素的干扰；2012年，南安普顿大学设计了基于模态局部化效应的电场耦合三自由度谐振子结构，将中间谐振子的刚度设定为两侧谐振子刚度的2倍，实验证明与谐振频率改变量相比，该传感结构可将灵敏度提高3到4个数量级。由此可见，通过将模态局部化原理引入物质检测可大大提高检测的灵敏度。

但现有的基于模态局部化效应的谐振式传感器仅用于单一质量的感测定位，由于实际生活中待测物通常不唯一，一次只检测一种物质效率较低；其次，当前模态局部化相关研究对于灵敏度的提升仅针对于检测单一物质，对于多种物质检测的灵敏度尚存在提升的空间。

发明内容

本实用新型提供一种基于模态局部化的谐振式气体感测装置，以解决目前气体传感器存在检测效率低、感测灵敏度不高、结构复杂、检测成本高的问题，

本实用新型采取技术方案是：谐振式气体感测装置的结构是：双端固支梁耦合感测阵列与参考梁并排布置，且该双端固支梁耦合感测阵列和参考梁的一端分别与滑动块内侧固连，该双端固支梁耦合感测阵列和参考梁的另一端分别与固定块的一边固连，该固定块的另一边与折叠弹簧固定连接，该折叠弹簧的矩形端部内嵌于外壳的尾槽中，该固定块的另外两个对边还分别通过固连的四个勾型结构与外壳的卡槽卡接，该滑动块的外侧与预压弹簧的内侧紧密贴合，该预压弹簧的外侧紧贴于外壳的内侧面，方形叠堆式压电致动器内嵌于该预压弹簧中间的方槽中，各压电片串联结构分别沉积于双端固支梁耦合感测阵列和参考梁靠近固定块一侧的根部上方，各压电片分别沉积于双端固支梁耦合感测阵列和参考梁靠近滑动块一侧的根部上方；非敏感薄膜沉积于参考梁以及双端固支梁耦合感测阵列中的第三根双端固支梁中部方形结构的上表面，对A种气体敏感的薄膜沉积于双端固支梁耦合感测阵列的第二根双端固支梁方形结构的上表面，对B种气体敏感薄膜沉积于双端固支梁耦合感测阵列的第一根双端固支梁方形结构的上表面；热电阻丝沉积于外壳基底上的凸出块的上表面，且该热电阻丝只位于双端固支梁耦合感测阵列中的第一根双端固支梁和第二根双端固支梁的正下方。