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申请/专利权人：吉林大学

摘要：本发明属于质量传感技术领域，尤其涉及一种基于内共振单输入‑单输出两微量物质传感器及方法；其中压电驱动器固定在基座底部，低频梁、高频梁和耦合单元均固定在基座右端；耦合单元连接在低频梁的竖梁内侧，耦合单元连接在高频梁外侧；低频梁的横梁中部上和高频梁上表面分别固定有特异性吸附膜；压电检测单元固定在高频梁上；本方法利用耦合悬臂梁间能量传递引发的内共振现象，将低频梁的振动特征传递到高频梁，使高频梁发生倍频振动且其幅频响应曲线同时包含低频梁和高频梁的振动特征，能够同时检测分别施加在低频梁和高频梁上的两种微量物质，实现两种微量物质的单输入‑单输出和高灵敏度检测。

主权项：1.一种应用基于内共振的单输入-单输出两微量物质传感器测量两种微量物质质量的方法，所述基于内共振的单输入-单输出两微量物质传感器，包括压电驱动器1、基座2、低频梁3、高频梁4、耦合单元5、特异性吸附膜6和压电检测单元7；其中，所述特异性吸附膜6包括第一特异性吸附膜601和第二特异性吸附膜602，压电驱动器1固定在基座2的底部，低频梁3、高频梁4和耦合单元5的左端均固定在基座2的右端，且三者的上表面均与基座2的上表面对齐设置；低频梁3为由两个竖梁和一个横梁组成的Π型梁；耦合单元5的外侧连接在低频梁3的竖梁内侧，耦合单元5的内侧连接在高频梁4的外侧；低频梁3、高频梁4和耦合单元5共同组成耦合谐振梁结构；低频梁3的横梁中部上表面和高频梁4的自由端上表面分别固定有第一特异性吸附膜601和第二特异性吸附膜602；压电检测单元7固定在高频梁4的固定端上表面；其特征在于，包括以下步骤：步骤一，对高频梁4的幅值跃变点初始频率和谐振峰初始频率进行标定：在低频梁3的固有频率ω1附近，通过压电驱动器1在1.2ω1～0.8ω1频率范围内以adcosΩt的加速度降频扫描驱动耦合谐振梁结构，低频梁3在加速度驱动下发生共振，且其振动通过耦合单元5传递到高频梁4，在耦合单元5的三次非线性耦合力的作用下，低频梁3的能量部分转递到高频梁4，驱动高频梁4发生三倍频共振，由于低频梁3结构自身的三次非线性刚度，低频梁3在扫频驱动下的幅频响应曲线会发生硬化现象，其响应幅值将会在某个大于ω1的频率点ω1A处发生幅值向上跃变，高频梁4的响应幅值也随之在该频率点ω1A处发生幅值跃变且其响应频率ω2A发生三倍倍增ω2A＝3ω1A，当驱动角频率ωd等于高频梁4固有频率ω2的三分之一时，低频梁3和高频梁4之间的能量传递量达到最大，低频梁3的幅频响应曲线在该频率点ω1B＝ω23达到凹陷最深处，高频梁4在该频率点ω23处出现谐振峰且其响应频率ω2B发生三倍倍增ω2B＝3ω1B，通过压电检测单元7输出高频梁4在扫频驱动下的电压曲线，并通过傅里叶变换标定高频梁4的幅值跃变点和谐振峰的初始频率值ω2A和ω2B；其中驱动角频率ωd通过下式计算： 其中：Ω为无量纲驱动角频率，m1和k1分别为低频梁3的有效质量、线性刚度；步骤二，将传感器置于待测环境氛围中；步骤三，通过压电驱动器1在1.2ω1～0.8ω1频率范围内以adcosΩt的加速度循环降频扫描驱动耦合谐振梁结构，通过压电检测单元7实时检测一次高频梁4的电压得到电压曲线，并通过傅里叶变换获得高频梁4的幅值跃变点频率ω2A和谐振峰频率ω2B，并判断二者相对于其初始值是否发生变化；若ω2A和ω2B均无变化，说明无任何待测物质存在；若ω2A不断减小且ω2B不变，说明仅有低频梁3上的第一特异性吸附膜601在不断吸附有微量物质A；若ω2B不断减小且ω2A不变，说明仅有高频梁4上的第二特异性吸附膜602在不断吸附有微量物质B；若ω2A和ω2B均不断减小，说明第一特异性吸附膜601和第二特异性吸附膜602分别在不断吸附微量物质A和微量物质B；当ω2A和ω2B在数分钟后不再变化，说明微量物质A和微量物质B都达到了吸附平衡；步骤四，通过压电检测单元7输出吸附平衡时高频梁4的电压曲线，并通过傅里叶变换获得达到吸附平衡后的高频梁4的幅值跃变点频率ω2A′和高频梁4的谐振峰频率ω2B′，并按照下式计算得到吸附的微量物质A和微量物质B的质量mA和mB： 其中，m1、k1、A1分别为低频梁3的有效质量、线性刚度和振幅，m2、k2、A2分别为高频梁4的有效质量、线性刚度和振幅；k1,non为低频梁3的三次非线性刚度，kc、kc,non分别为耦合单元5的线性耦合刚度和三次非线性耦合刚度，ad为驱动加速度。

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