[发明专利]一种基于同步共振的流体中微量物质检测装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于传感器技术领域，尤其涉及一种基于同步共振的流体中微量物质检测装置及方法。

背景技术

谐振式传感器具有体积小、响应快、灵敏度高等优点，广泛用于环境监测、生化检测、汽车工业等领域。当应用于流体中的物质检测时，谐振结构由于受到大的流体阻力作用，使得品质因数大大衰减，进而降低其灵敏度和分辨率。为了减弱流体阻力对谐振结构振动特性的影响，可在谐振结构中加工微流道。流体从谐振结构内部的微流道中流过，将会改变结构的固有频率，通过检测固有频率变化可以计算出流体中的某些参量。美国麻省理工大学在悬臂梁中加工出微流道，利用该结构检测出流体中的生物分子。为了实现多种物质的并行快速检测，其研究团队设计出串联的悬臂梁阵列结构。然而，由于悬臂梁本身在振动过程中会有热机械噪声，待测流体的温度变化也会对悬臂梁的振动特性产生影响，这些使得悬臂梁具有很大的噪声，因而其分辨率受限。

为了提高谐振器的性能，不少团队探索同步共振在微纳振子中的应用。如加州理工大学利用同步共振来降低谐振器的相位噪声，西班牙巴塞罗那大学实现了五根悬臂梁的同步共振。然而，这些研究在促进同步共振传感器的实用化方面，依然存在不足。如难以应用在流体检测中，难以实现对多种物质的检测等，这些都严重制约了同步共振传感器的应用。

发明内容

本发明提出一种基于同步共振的流体中微量物质检测装置及方法。

本发明采取的技术方案是：固支梁阵列结构由n根尺寸相同的固支梁组成，n≥2且为整数，包括一根参考梁和至少一根检测梁，不同固支梁的两端通过耦合单元相连，固支梁阵列结构和耦合单元都固定在支撑结构上，每根固支梁和支撑结构的内部都加工有依次串联相通的微流道，参考梁上的微流道的中央位置上沉积惰性材料层，检测梁上的微流道的中央位置上沉积不同的敏感层，支撑结构的下部有压电圆盘，每根固支梁上表面的一端沉积有压电元件。

所述检测梁和参考梁的固有频率相等，各检测梁通过耦合单元依次相连，最后一根检测梁通过耦合单元和参考梁相连。

所述微流道包括支撑结构上的流道入口和流道出口。

所述的参考梁上的微流道的中央位置上沉积惰性材料层采用如二氧化硅、金；

所述的各检测梁上的微流道的中央位置上沉积不同的敏感层，用于实现对不同物质的特异性吸附。

所述压电元件包括上电极、压电层、下电极，其中下电极紧贴固支梁的表面，压电层置于下电极的上方，而上电极又置于压电层的上方。

一种基于同步共振的流体中微量物质检测方法，包括下列步骤：

步骤(1)、利用压差式流体驱动方法，将待测流体通入微流道中，待测流体通入速度小于1cm/s，待测流体通入5分钟以后，待测流体中的物质和敏感层发生明显的化学反应，停止通入待测流体；

步骤(2)、在压电圆盘上施加幅值为A₀的交流电信号，固支梁阵列结构开始振动，在参考梁表面的压电元件上，施加幅值为A₁的交流电信号，A₁<<A₀，不断改变该交流电信号的频率，直至固支梁阵列结构发生同步共振；将其余压电元件、除了参考梁表面的压电元件、串联并和示波器相连，输出振动信号，记录同步共振的频率，记为f₀；

步骤(3)、在压电圆盘上施加幅值为A₀的交流电信号，依次在每根检测梁表面的压电元件上施加幅值为A₁的交流电信号，A₁<<A₀，使得固支梁阵列结构发生不同状态的同步共振，记录同步共振的频率，记为f₁、f₂…f_n-1，n为固支梁的根数；

步骤(4)、计算得到n-1个频率偏移量：△f_j＝f_j-f₀，j＝1,2…n-1，进而计算每根检测梁的有效质量变化量：j＝1,2…n-1，其中m_eff为通入流体前各检测梁或参考梁的有效质量，由此确定每根检测梁上是否吸附物质及吸附多少物质，实现流体中微量物质的检测。