[发明专利]一种静电吸附式微质量传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种静电吸附式微质量传感器，属于精密传感器技术领域。主要用于微颗粒、危化品、细胞及微生物如细菌或病毒等物质的质量测量。

背景技术

压电谐振式微质量传感器，主要通过测量谐振区域内附加物引起谐振频率变化得到附加物的实际质量，具有结构简单、响应快，成本低和精度高的特点，在生物医学、环境监测及食品安全领域具有广泛的应用前景。然而，实际测量过程中被测物的种类存在多样性，包括微小颗粒、细胞以及细菌和病毒等，使得微小被测物在谐振区域内的固定问题和分散性成为影响传感器测量精度和准确性的关键因素。

根据谐振式质量传感器的基本原理：Δf_i＝-f_iΔm/M_e，其中f_i为传感器第i阶谐振频率，M_e为悬臂梁有效质量，Δm为被测物质量，Δf_i为传感器谐振频率变化量。可以看出，通过调整传感器的谐振频率和有效质量可以有效地提高传感器的灵敏度。因而，目前专利主要集中于利用MEMS技术来改变传感器结构参数尺度的方法来提高传感器灵敏度，而忽略了被测物在传感器敏感谐振区域的位置和固定对灵敏度的影响因素。例如，国际专利WO 2005/043126 A2采用压电片激励的矩形截面悬臂梁传感器，专利中指出通过减小传感器尺寸来感应微小质量。由于缺乏有效的固定措施，使得谐振状态下微小被测物的位置容易发生变化或从悬臂梁测量区域散落，造成较大的测量误差。美国专利US6389877 B1和国内专利CN1250156A采用单头和双头的悬臂结构来测量频率，其实现方式主要借助增大悬臂梁面积来增大被测物吸附面积，但测量端的吸附平板结构同时也增大了测量系统有效质量M_e，这不利于传感器灵敏度的提高。该类传感器同样未给出有效的被测物固定方法，严重限制了其在单粒子、细胞及微小颗粒测量等方面的应用。另外，国内发明专利公开号CN 1609555A提出通过测量吸附有探测物的振子位移差的方法来推算吸附物的质量，但其中需要复杂的光学位移测量系统和定位系统，增加了测量难度和测量成本。

综合分析发现，现有的基于谐振原理研制的微小质量传感器，虽然通过微加工技术能够获得较高的灵敏度，但是在测量过程中微小被测物与测量极板之间的相对移动和在测量区域内的集中程度已成为影响质量传感器测量精度、测量重复性和准确性的关键因素。因此，有效的被测物固定方法和传感元件结构的设计是提高传感器性能，并拓展其质量传感器应用范围的重要途径。

发明内容

本发明针对现有微小质量传感器测量过程中由于被测物分散和无法固定而引起的测量误差，提供一种新型静电吸附式微质量传感器。该传感器应采用多层梯形悬臂梁结构作为测量关键部件，引入静电吸附方式将微小被测物固定于测量敏感区域内，有效地提高传感器的测量精度和分辨率，实现微小质量的准确测量。

本发明采用的技术方案是：一种静电吸附式微质量传感器，它主要包括一个一端固定于固定块上的悬臂粱。所述悬臂粱是一个平板结构的多层梯形梁，多层梯形梁的主体采用一个导电弹性板，在导电弹性板的上表面设有一层上绝缘薄膜，下表面设有一层下绝缘薄膜，在悬臂粱固定端的上绝缘薄膜上设有一个上压电薄膜；对导电弹性板表面加载均匀的静电荷，或电气连接具有一定电势的直流电源，依靠静电吸附力将微小被测物固定于多层梯形梁悬臂端的测量敏感区域，并通过测量所述微质量传感器在吸附微颗粒前与吸附微颗粒后的谐振频率差Δf，计算得到微颗粒质量m。

所述上绝缘薄膜的长度比导电弹性板的长度短，所述下绝缘薄膜全部覆盖导电弹性板的下表面，在导电弹性板的悬臂端未被上绝缘薄膜覆盖的区域构成第一测量敏感区域。

所述上绝缘薄膜全部覆盖导电弹性板的上表面，所述下绝缘薄膜全部覆盖导电弹性板的下表面，下绝缘薄膜厚度是上绝缘薄膜厚度的1.5-10.0倍，在导电弹性板的悬臂端未被上压电薄膜覆盖的区域构成第二测量敏感区域。

所述上绝缘薄膜的长度比导电弹性板的长度短，所述下绝缘薄膜的长度比导电弹性板的长度短，在悬臂粱固定端的下绝缘薄膜上设有一个下压电薄膜，在导电弹性板的悬臂端未被上绝缘薄膜和下绝缘薄膜覆盖的区域构成第三测量敏感区域。

所述固定块采用绝缘材料制作，并在固定块上设有安装固定孔和导线孔，连接导线通过导线孔与导电弹性板、上压电薄膜、下压电薄膜进行电气连接。