基于LabVIEW的谐振式微悬臂梁传感器智能激励与检测系统

为了解决使用模拟锁相环设计传感器接口电路带来的精度低、测量过程繁琐等问题,采用软件锁相环设计了基于LabVIEW的谐振式微悬臂梁传感器智能激励与检测系统。将开环检测与闭环检测相结合,通过开环扫频获取待测传感器的参数信息,并通过在软件部分设计的锁相跟踪算法,使锁相更具针对性,锁相过程更快更准。采用该系统制作了便携式气体传感器样机,并对二氧化碳气体进行了实测,验证了该系统具有快速的频率跟踪能力和良好的频率稳定性。

基于Duffing系统的谐振式微悬臂梁传感器微弱谐振信号检测

研究了基于Duffing振子系统的微弱信号检测在谐振式微悬臂梁传感器中的应用。根据待测信号频率的不同,通过时间尺度变换建立了任意频率下的Duffing振子数学模型。利用RHR改进算法求解最大Lyapunov指数,并确定系统相变临界阈值,通过监测最大Lyapunov指数符号的变化来检测微弱谐振信号。详细介绍了两种幅值检测算法,通过试验验证了减法算法比加法算法更具优越性,不受大范围幅值的影响。评价了Duffing振子系统在不同噪声水平下检测微弱谐振信号的能力,添加噪声方差0.0001和0.001后,检测相对误差控制在0.0052%以内;当添加噪声方差到0.01时,原有Duffing方程模型无法检测到最大Lyapunov指数符号的变化,检测失效。最后,通过改变原有Duffing方程非线性恢复力项系数,在添加噪声方差到0.5时,依然能够通过求取所测信号频率的平均值准确提取微弱谐振信号。

谐振微悬臂梁传感器的工作原理及其在生化检测中的研究进展

谐振微悬臂梁是一种可以将质量变化转换为频率信号的微质量型传感器,因其分辨率高、灵敏度高、成本低、易于集成和小型化等优点而备受关注。谐振微悬臂梁现已被广泛应用于流量控制、生物医学痕量检测、气态和液态分子分析等领域。近年来,随着微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)技术的快速发展,针对谐振式微悬臂梁传感器的研究与应用越来越多,对近年来谐振式微悬臂梁传感器在环境检测、生物医学等领域的具体应用进行了综述,并对未来的发展方向做出了展望。

平面内谐振式微悬臂梁生化传感器的设计与制造

给出了一种新型的基于平面内谐振模态的电热驱动微悬臂梁的工作原理和制造方案。相比于传统的平面外谐振模态谐振式悬臂梁,该设计能有效地降低微悬臂梁在液体中工作时的拖曳力,从而降低其振动能量损失,使得其接入锁相环接口电路后的闭环品质因数达到了249。电热驱动和压阻检测方式便于工艺集成和快速检测。本文给出了基于SOI硅片和深反应离子刻蚀(DRIE)的悬臂梁制作方案,并分别在空气和水中对悬臂梁的谐振特性进行了测试。

基于FPGA的谐振悬臂梁传感器智能接口电路

设计了基于FPGA的谐振式微悬臂梁传感器接口电路,将接口电路与谐振式微悬臂梁传感器组成闭环自激振荡系统。为满足接口电路智能化与输出频率稳定性的要求,设计了带有自动扫频功能的锁相环,以此锁相环为核心并结合外围放大、滤波、移相、整形电路构成的接口电路系统,能够自动扫频寻找谐振点并锁定,扫频精度为0.012 Hz左右,谐振频率的波动范围可达0.01 Hz左右,且锁定范围极广。分别测试了谐振点在100 kHz与500 kHz附近的两组传感器,该系统均能很好地自动扫频寻找谐振点并锁定。

一种压阻式微悬臂梁免疫传感器及其动力学分析

针对传统光学读出微悬臂梁传感器所需测量系统复杂的局限,将生物素—亲和素系统的放大效应与压阻式微悬臂梁传感技术结合起来,成功构建了一种读出方式简单的压阻式微悬臂梁免疫传感器。利用构建的传感器对相思子毒素进行检测,检测限达8μg/L,反应在20 min内基本完成,具有很好的特异性和重现性,能满足水样、土壤、食品等实际模拟样品检测的要求。建立了压阻式微悬臂梁免疫传感器检测相思子毒素的反应动力学模型,并对实际检测数据进行了拟合分析,相关系数R值在0.971 1以上(P<0.001)。根据拟合方程求出的传感器对不同浓度相思子毒素反应达到平衡的响应电压ΔU e、响应时间t0均与实测值非常接近。

微悬臂梁谐振式气体传感器研究进展

微机械谐振式传感器已经成为微型机电系统(MEMS)领域的研究热点。讨论了微悬臂梁谐振式气体传感器的工作原理,介绍微悬臂梁表面修饰的关键技术、主要方法和基于微悬臂梁的谐振式气体传感器领域的研究状况以及近五年以来该领域的研究进展,并对基于微悬臂梁的谐振式气体传感器的发展方向和应用前景做了展望。

压阻式微悬臂梁传感器检测生化毒剂的响应动力学研究

为了探索压阻式微悬臂梁传感器检测靶分子的信号响应规律,在利用压阻式微悬臂梁传感器生化毒剂大量实测数据的基础上,基于配体-受体动力学和吸附动力学创建了两种压阻式微悬臂梁传感器检测靶分子的动力学模型,利用创建的动力学模型对检测数据进行了分析。结果表明:创建的模型能很好地拟合抗体、适配子等不同敏感分子检测不同种类(大分子蛋白毒素、小分子化学毒剂)、不同浓度生化毒剂的实测数据,相关系数R值均在0.948 5以上(p<0.01)。两种模型中,基于配体-受体特异结合动力学模型由于考虑了敏感膜与靶分子间的特异相互作用,对传感器实际检测数据的拟合效果更佳,相关系数R值均在0.957 1以上(p<0.01),能更好的反映压阻式微悬臂梁传感器检测靶分子的响应特点和规律;并且能求出更有意义的平衡响应电压(ΔUe)、响应时间(t0)等参数,根据曲线拟合方程求出的ΔUe、t0均与实测值非常接近。

梯形变截面悬臂梁式微质量传感器设计与分析

针对微小集中质量测量问题,提出并制备了一种梯形变截面悬臂梁式微质量传感器,建立了梯形变截面悬臂梁式微质量传感器的振动分析模型。采用有限元方法求解其振动控制方程,获得了微质量传感器的灵敏度。仿真分析结果表明,相对于等截面矩形悬臂梁式微质量传感器,单层压电和双层压电结构的变截面悬臂梁传感器的灵敏度分别提高了127.00%和263.00%。采用线切割工艺,加工制备了单压电层梯形变截面结构的微质量传感器并对传感器进行了实验测试,在误差允许范围内,仿真结果与实验结果基本一致,验证了采用梯形变截面悬臂梁式结构可以有效的提高传感器的灵敏度。

微悬臂梁结构的谐振式MEMS黏度传感器

文中研究了谐振方法测量流体黏度的测量机理,采用MEMS工艺设计并加工了微悬臂梁结构的流体黏度传感器芯片,芯片作为振动体采用电磁激励和压阻检测的方法进行粘度测量。设计了封装结构并搭建了实验系统,在室温环境20℃和25℃2个温度点下进行了4种有机流体的黏度测量。实验结果表明,微悬臂梁结构的谐振式MEMS黏度传感器具有响应速度快、微型化程度高、易于实现在线流体测量等特点,黏度的测量精度优于8%,较好地满足了流体黏度的工程测量需求。

微悬臂谐振传感器闭环接口和嵌入式频率电路

设计了谐振式微悬臂梁传感器闭环接口和嵌入式频率读出电路。首先,谐振式微悬臂梁传感器和接口电路组成闭环自激振荡系统。为了提高该闭环系统的频率稳定性和频率跟踪性能,引入具有无相差频率跟踪的锁相环电路,并设计放大移相电路以满足闭环自激振荡条件。该闭环系统的频率稳定性可达±0.1Hz,并且能够实时跟踪悬臂梁谐振频率的变化。此外,单独设计了嵌入式的频率读出电路,用于检测并显示悬臂梁的谐振频率。将悬臂梁传感器、接口电路和频率读出电路集成在一起,做出了小巧便携式样机,用该样机可成功探测到体积分数低至约几个10-9量级的DMMP气体。

用于挥发性有机化合物探测的微悬臂梁传感器(英文)

在研制成功的用于化学气体探测的热驱动微悬臂梁谐振器的基础上,提出了基于这种微悬臂梁谐振器,并以聚合物涂层作为挥发性有机化合物吸附敏感层的谐振式气体传感器.利用3种聚合物材料:聚氧化乙烯(PEO)、聚乙烯醇(PVA)和聚乙二醇乙醚醋酸酯(PEVA),在微悬臂梁谐振器上制备气体敏感层,探测6种挥发性有机化合物:甲苯、苯、乙醇、丙酮、己烷和辛烷.通过有限元分析估计了聚合物涂层的工作温度.用喷射法制备了PVA和PE-VA涂层,用点滴法制备了PEO涂层.测试了传感器的开环幅频特性,实验检测了气体传感器的谐振频率变化与分析物蒸气浓度的关系以及传感器对相对湿度的响应,分析了传感器的灵敏度和线性度.实验结果表明,这种涂覆聚合物敏感层的热驱动微悬臂梁谐振器为探测挥发性有机化合物提供了良好的平台.根据实验结果,可开发几种基于不同聚合物敏感层的高灵敏度微型气体传感器.

基于三梁结构的电热驱动谐振式微加速度传感器研究(英文)

为了提高电热激励/压阻拾振谐振式微加速度传感器的品质因数和消除交叉灵敏度,提出一种基于三梁结构的新设计.依据有限元模拟得到的固有振型来选择三梁结构参数,以减少能量耗散,提高品质因数.分析本设计消除交叉灵敏度的机制和独特的三梁结构的激振方式并对其进行有限元模拟.模拟结果证实这种谐振式微加速度传感器的灵敏度高于1000Hz/g.

谐振式微传感器低功耗专用信号源研究

为满足谐振式微传感器对信号源低功耗、低失真的要求,本文提出了一种对现有DDS(直接数字合成)技术进行改进的方案,将现有的零阶保持逼近改进成为折线逼近来减小失真,并通过详细的公式推导给出了改进后波形失真度THD(总谐波失真)的计算公式。最后给出了MATLAB仿真结果和电路实现结果来验证方案可行性。结果表明在同等失真度下本方案大大减小了对系统频率的要求,为减小信号源功耗提供了理论依据。

一种新颖的微杆杠结构的理论建模及其在谐振式微加速度传感器中的应用(英文)

为了提高谐振式微加速度传感器的灵敏度,提出一种新颖的微杠杆结构。分析该结构的工作原理,推导该结构的理论模型,得到这种微杆杠放大倍数的解析表达式.在这个理论模型的基础上,为了进一步提高微杆杠的放大倍数,对其参数进行优化,分析微杆杠结构中各参数对于放大倍数的影响,优化后该结构的放大倍数高达200.基于这种微杠杆结构设计两种分别为静电驱动/电容检测和电热驱动/压阻拾振的谐振式微加速度传感器,分别介绍这两种传感器的工作原理及其特点,并对这两种结构进行有限元模拟.模拟结果证实这两种微加速度传感器的灵敏度均高于1000Hz/gn,进而验证这种新提出的微杠杆结构的有效性.

谐振式微传感器同步专用信号源设计

为满足谐振式微传感器对信号源同步性的要求，本文提出了一种对数字频率信号进行同步输出的方案，使用AD9852提供准确的数字频率输出信号作为FPGA的输入，由FPGA实现对信号的二次分频及同步输出。最后给出了Modelsim仿真结果并通过电路实现结果验证了方案的可行性。结果表明在1～10MHz的输入频率下，同步输出信号的频率偏差小于0．01μs。

压阻式微悬臂梁免疫传感器检测小分子T-2毒素及动力学分析

摘要：为了探索压阻式微悬臂梁免疫传感器用于小分子T-2毒素的检测效果及其动力学响应规律．基于生物素一亲和素放大系统构建了一种操作简单、快速灵敏的非标记传感器。该传感器对T-2毒素的检测限为4txg／L（S／N≥3），检测的线性范围为4—60μg，L，线性回归方程为AUe=0．447C＋1．315（n=5，R=0．983，p〈0．001）。传感器具有很好的特异性和重现性，能满足河水、土壤、食品等实际模拟样品的检测要求。基于配体一受体动力学和吸附动力学创建了两种压阻式微悬臂梁免疫传感器检测小分子T-2毒素的响应动力学模型．对T-2毒素实际检测数据进行拟合分析。结果表明：创建的这两种模型均能较好地拟合T-2毒素实际检测数据，相关系数R值在0．9689以上（p〈0．001）。基于配体一受体特异结合动力学模型由于考虑了敏感膜与靶分子间的特异相互作用，对T-2毒素实际检测数据的拟合效果更佳。相关系数R值在0．9703以上（p〈0．001），能更好的反映压阻式微悬臂梁免疫传感器检测小分子T-2毒素的响应特点和规律；并且能求出更有意义的平衡响应电压（△Ue）、响应时间（tO）等参数．且根据曲线拟舍方程求出的△Ue、t0均与实测值非常接近．

谐振式微加速度传感器的有限元分析(英文)

有限元分析用来评估一种新颖的谐振微加速度传感器,仔细分析新结构的几个主要振动模态,优化结构参数,证实这种硅基谐振式微加速度传感器的灵敏度高于1 000 Hz/gn.而且在有限元分析的基础上对实际制造的非完全匹配的双端固定音叉的特点和对于测量的不良影响进行分析.

基于DSP的集成谐振式微悬臂梁便携式气体检测仪

针对集成谐振式微悬臂梁气体检测仪小型化的问题,利用DSP(数字信号处理)设计和实现了可快速现场检测的便携式气体检测仪。该仪器基于DSP28335开发,采用开环自动扫频与闭环锁相检测相结合的方式。闭环测试核心是软件锁相环的设计,其中采用DFT(离散傅里叶变换)算法提取相位差,提高了运算的速度和计算相位差的精度。软件设计跟踪算法使其能够一直跟踪频率变化,使锁相更快,精度更高。结合实验室研制的微悬臂梁传感器制备了便携式二甲苯气体检测仪,并对浓度低至30 ppm的二甲苯气体进行了实测,验证了该仪器具有快速的响应速度和检测重复性。

微悬臂梁传感器用于测量酵母菌弹性模量

在微尺度方面,力反馈能实现有效和可靠的操作,陈述了基于压阻式微悬臂梁传感器在微操作方面对酵母菌弹性模量的定量测量。采用惠斯通电桥采集微悬臂梁传感器信号,通过信号调理电路模块可以实现高分辨率的微力测量。在传感器力标定上,依靠激光多普勒干涉仪准确得出传感器探针变形量,校准探针能给出微悬臂梁作用力的大小,两者呈现较好的线性关系,分辨率达到纳牛级。基于此测力装置,实现了对酵母菌弹性模量的测量,测得酵母菌弹性模量为(2.9±2.2)MPa,表明该压阻式悬臂梁传感器能对微米级尺度的细胞进行力学测量。该传感器具有良好的稳定性、准确性、高精度和低成本等优点。