[实用新型]一种基于参数激励及同步共振的微量物质检测装置

说明书

本实用新型涉及一种基于参数激励及同步共振的微量物质检测装置，属于微量物质检测装置及方法。包括至少一根参激梁、参考梁、拾振梁，两个基底，两根同步耦合梁，压电激励电极，压电感应电极，压电激励感应电极和敏感层。拾振梁为悬臂梁，参激梁与参考梁为固定梁，参激梁用于接受外部刺激，使自身固有频率发生变化通过电极的激励和扫频实现触发及感应功能，参考梁用于触发功能时与参激梁产生同步共振，抑制能量损耗。优点是结构新颖，节约材料，功能完善，通过参激梁与参考梁产生同步共振，参激梁与拾振梁产生同步共振并运用参数激励原理分别实现触发与传感功能，实现频率倍增，提高装置的灵敏度，抑制能量耗散。

技术领域

本实用新型属于微量物质检测装置，尤其涉及一种可实现触发，传感两项功能的基于参数激励及同步、去同步共振原理的装置。

背景技术

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。当两个谐振子固有频率存在一定的整数比关系时，即发生同步共振。两谐振子振动频率保持一定倍数关系的现象称为相位锁定，又称锁相。日本东北大学团队通过对同步共振状态下的两根耦合梁的研究，确定了相位锁定现象，测定了同步共振区域的宽度，发现梁结构的同步共振有助于降低相位噪声；美国加州理工大学团队通过电路控制压电激励的输出信号，模拟耦合结构，分析了同步共振区域范围与激励电压的关系，并在实验现象中观察到了相位噪声的抑制。上述研究结果表明，谐振子的同步共振可实现相位噪声的抑制，有利于谐振式质量传感器分辨率的进一步提高。

利用参数激励的激振方式，可实现梁结构的振幅跃变，提高传感器的分辨率。日本NTT基础研究实验室研究表明参数激励可以提高谐振子的品质因子，实现高灵敏度检测。上海交通大学张文明团队，在不同驱动信号输入情况下(高斯噪声，正弦波)，利用多尺度法、Lenard-Jones位能模型以及Volterra级数方法研究了压膜阻尼、立方刚度、DC电压的改变对参数激励非线性振动特性(主要是软硬弹簧特性和谐振频率改变)的影响，为设计参数激励下的传感器奠定了基础。以上结果表明，参数激励能够实现更高的分辨率，但受扫频步长的限制，分岔点检测不准确。

谐振式传感器是利用谐振元件把被测参量转换为频率信号的传感器，又称频率式传感器。近年来，由于其体积小、重量轻、结构紧凑、分辨率高、精度高以及便于数据传输、处理和存储等特点而被广泛应用于安全检测，环境监测，生物学探测等领域。将同步共振原理运用于谐振式传感器，其振动频率将得到成倍数的增加。相较于传统谐振式传感器，运用同步共振原理的谐振式传感器具有灵敏度高、相位噪声低、响应速度快等特点，对微小的信号检测更有优势。

发明内容

本实用新型提供一种基于参数激励及同步共振的微量物质检测装置，目的在于提高装置的灵敏度，抑制能量耗散；缩短检测时间。

本实用新型采取的技术方案是：包括至少一根参激梁、至少一根参考梁、至少一根拾振梁，其中拾振梁为悬臂短梁、其一端固定在基底二上，参激梁、参考梁两端分别与基底一和基底二固定连接，同步耦合梁一与基底一固定连接、且还分别与参考梁、参激梁连接，同步耦合梁二与基底二固定连接、且还分别与参考梁、参激梁和拾振梁连接，拾振梁上表面靠近与同步耦合梁二相接处有压电激励感应电极，参考梁上表面靠近与同步耦合梁一相接处有压电激励电极一，参激梁上表面靠近与同步耦合梁一相接处有压电激励电极二、靠近与同步耦合梁二相接处有压电感应电极；参考梁、参激梁、拾振梁、同步耦合梁一、及同步耦合梁二共同组成同步共振结构；参激梁、拾振梁及同步耦合梁二共同组成传感结构，参考梁、参激梁及同步耦合梁一、同步耦合梁二共同组成触发结构，敏感层涂覆于参激梁中部。

所述参考梁结构是：从上到下相互连接的压电激励电极一、上绝缘层一、基底梁一和下绝缘层二；其中压电激励电极一的结构是：从上到下相互连接的压电层上电极一、压电薄膜一和压电层下电极一。

所述参激梁的结构是：从上到下相互连接的上绝缘层二、基底梁二和下绝缘层二，压电激励电极二、压电感应电极分别连接在上绝缘层二上表面的两端，敏感层连接在上绝缘层二上表面的中部。