一种基于变厚度梁结构的高阶模态微质量传感器及其灵敏度提升方法

摘要

本发明涉及一种基于变厚度悬臂梁结构的高阶模态微质量传感器及其灵敏度提升方法，属于精密传感器领域。该微质量传感器包括变厚度梁、压电层和固定块，其中变厚度梁在固定块一端设有与变厚度梁的宽度相同的压电薄膜层，靠近自由端部分的悬臂梁厚度呈阶梯变化，进而改变了传感器的刚度和质量分布状态。与同尺寸传统均匀厚度的弹性梁传感器相比，本发明传感器的各阶振动模态对应的灵敏度显著提高，其中一阶模态灵敏度提高51.07%，二阶模态灵敏度提高233.05%，四阶模态灵敏度提高244.06%。该传感器具有结构简单、灵敏度高、分辨率高、稳定性好及测量范围宽的特点，可广泛应用于浓度测量、微颗粒探测及生物传感等领域。

主权项

一种基于变厚度梁结构的高阶模态微质量传感器及其灵敏度提升方法，它包括一个与固定块（1）固定连接的变厚度梁(3)和压电薄膜（2），其特征在于：所述压电薄膜（2）设置在变厚度梁（3）连接固定块（1）的一端，变厚度梁（3）靠近自由端部分采用厚度呈阶梯变化的悬臂结构；通过测量悬臂结构在吸附探测物前、后的谐振频率差△f，计算得到探测物的质量m；所述变厚度梁（3）与压电薄膜（2）的重叠部分为复合层，无压电薄膜覆盖部分的悬臂梁为弹性梁延伸部分，弹性梁延伸部分又分为弹性梁延伸层厚段和弹性梁延伸层薄段两部分，在保持压电层长度l1和压电层厚度t1、弹性梁延伸层厚段厚度t2、弹性梁延伸层薄段厚度t3及悬臂梁总长度(l1+l2+l3)不变的前提下，让弹性梁延伸层厚段长度l2与弹性梁延伸层薄段长度l3的比值l2/l3，在0