[发明专利]基于PT对称原理的压电质量传感器及其使用方法

说明书

本发明公开了一种基于PT对称原理的压电质量传感器，包括压电质量敏感单元和匹配电路，所述压电质量敏感单元和匹配电路通过耦合电容相连接；压电质量敏感单元的等效动态电容和等效动态电感和匹配电路的电容和电感相等，压电质量敏感单元的等效动态电阻和匹配电路的等效电阻大小相等，符号相反，形成PT对称谐振器系统；压电质量敏感单元在质量发生微小变化的时候，谐振频率变化，进而改变了PT对称谐振系统的谐振频率，根据谐振频率的变化量可以得到压电质量敏感单元的质量变化。通过耦合电容的调制，使得PT对称谐振器系统工作在耦合系数和损耗参数相等的奇异点，大幅度提高传感器的灵敏度。

技术领域

本发明属于微机电(MEMS)技术领域，公开了空间镜像-时间反演(PT)对称原理在微机电的应用，具体涉及一种基于PT对称原理的压电质量传感器及其使用方法。

背景技术

1959年，G.Z.Sauerbrey(Sauerbrey G.,Verwendung von Schwingquarzen zurWagung dunner Schichten und zur Mikrowagung.Zeitschrift fur Physik A Hadronsand Nuclei,1959.155(2)： 206-222.)推导出了具有AT切型或BT切型石英晶体谐振器频率偏移与电极表面附着质量变化之间的关系。依据此理论，石英谐振器，又被称为石英晶体微天平(Quartz Crystal Microbalance,QCM)被应用于真空膜厚检测，生物分子传感器，湿度传感器等领域。

1992年，Ronald P.O’Toole以压电氮化铝薄膜作为压电材料，制作了薄膜体声波谐振器 (Film Bulk Acoustic Resonator,FBAR)，并应用于甲醇气体吸附质量检测。而以压电氮化铝，压电氧化锌，压电陶瓷制成的FBAR陆续应用于生物分子传感器，湿度传感器等领域的质量检测。基于压电谐振器的质量检测关键在于质量引起的谐振频率变化量，在同样的质量变化量下，谐振系统的频率变化越大，所构成的压电质量传感器性能越好。

1998年，Bender和Boettcher(Bender C M,Boettcher S,Meisinger P N.PT-Symmetric Quantum Mechanics[J].Journal of Mathematical Physics,1998,40(5).)提出一个特殊系列的空间镜像-时间反演(PT)对称哈密顿量，指出除了厄米系统以外，PT对称系统这种非厄米系统也可以获得实数解。紧接着，这一理论被拓展到光学、力学、电学等众多领域。2014年Jan Wiersig(Wiersig J.Enhancing the Sensitivity of Frequency andEnergy Splitting Detection by Using Exceptional Points:Application toMicrocavity Sensors for Single-Particle Detection[J]. Phys.rev.lett,2014,112(20):203901.1-203901.5.)等人提出，将PT对称系统偏置在耦合系数和损耗系数相等的奇异点附近，外界参量对系统施加微扰，就将引起系统频率分裂，利用这一原理设计的传感器灵敏度极高。因而如何将PT对称原理融合应用于传感器的设计和生产中，成为了微机电技术领域急需研究和开发的问题。

发明内容

本发明正是针对现有技术中的问题，为大幅度提高传感器的灵敏度，提出了一种基于PT对称原理的压电质量传感器及其使用方法，包括压电质量敏感单元和匹配电路，所述质量敏感单元与匹配电路通过耦合电容相连接，构成PT对称谐振器系统；通过耦合电容的调制，使得PT对称谐振器系统工作在耦合系数与损耗参数相等的奇异点，大幅度提高传感器的敏感度。