三自由度弱耦合谐振式微质量测量传感器

肖奇军; 罗忠辉; 郭大为

doi:10.37188/OPE.20212902.0297

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三自由度弱耦合谐振式微质量测量传感器

微纳技术与精密机械 | 更新时间：2021-03-05

- 三自由度弱耦合谐振式微质量测量传感器
- column:Three-DoF weakly coupled resonator micro-balance for mass detection
- 光学精密工程 2021年29卷第2期页码：297-304
- 作者机构：
  
  1.肇庆学院电子与电气工程学院，广东肇庆 526061
  2.广东技术师范大学机电工程学院，广东广州 510665
  3.首都医科大学附属北京世纪坛医院，北京 100038
- 作者简介：
  
  [ "肖奇军（1975-），男，湖南衡阳人，博士，副教授，2004年于广东工业大学获得硕士学位，2010年于上海交通大学获得博士学位，新加坡南洋理工大学博士后，主要从事微机电系统方面的研究。E-mail：shawqj@126.com" ]
  [ "罗忠辉（1965-），男，江西泰和人，教授，1988年于华中理工大学获得学士学位，1995年于武汉工业大学获得硕士学位，2005年于广东工业大学获得博士学位，主要从事机电液传动与控制、现代检测技术、机械故障诊断理论与方法方面的教学与科研工作。E-mail：1024968198@qq.com" ]
- 基金信息：
  
  广东省自然科学基金资助项目(2016A030313846);广东省教育厅特色创新项目(2017KTSCX197)
- DOI：10.37188/OPE.20212902.0297
  中图分类号： TH703;TN703
- 收稿日期：2020-08-10，
  
  修回日期：2020-09-21，
  
  纸质出版日期：2021-02-15
- 稿件说明：
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肖奇军,罗忠辉,郭大为.三自由度弱耦合谐振式微质量测量传感器[J].光学精密工程,2021,29(02):297-304.

XIAO Qi-jun,LUO Zhong-hui,GUO Da-wei.column:Three-DoF weakly coupled resonator micro-balance for mass detection[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(02):297-304.
肖奇军,罗忠辉,郭大为.三自由度弱耦合谐振式微质量测量传感器[J].光学精密工程,2021,29(02):297-304. DOI： 10.37188/OPE.20212902.0297.

XIAO Qi-jun,LUO Zhong-hui,GUO Da-wei.column:Three-DoF weakly coupled resonator micro-balance for mass detection[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(02):297-304. DOI： 10.37188/OPE.20212902.0297.

摘要

为了实现对微小质量的测量，本文提出了一种基于模态局部化效应三自由度弱耦合谐振式微质量传感器，建立3个谐振器的运动方程式，获得质量扰动的系统方程，建立了三自由度耦合谐振系统的 MATLAB / SIMULINK模型，得出幅值比变化相对于振幅变化和谐振频率变化来说具有最高的归一化灵敏度。最后进行传感器设计和微加工，搭建质量测量系统。实验结果表明，电压幅值比的变化产生的归一化灵敏度大约是振幅变化的4倍，大约是频移变化的两个数量级，最小可检测质量值为2 ng。仿真和实验结果表明，三自由度模态局部化弱耦合谐振器能实现对微质量的测量，具有良好的生物传感应用前景。

Abstract

To measure micro-masses effectively， a three degrees-of-freedom （3-DoF） mode localized weakly coupled resonator micro-mass sensor was proposed in this study. The equations of motion of three resonators were established， the system equations of mass disturbance were obtained， and a MATLAB/SIMULINK model of a 3-DoF coupled resonance system was established. The study determined that the variation in amplitude ratio has the highest normalized sensitivity compared with the variation in amplitude and frequency shift. The sensor was designed and fabricated using micro-electromechanical system （MEMS） technologies， and a mass measurement system was also developed. Experimental results reveal that the normalized sensitivity of the change in voltage amplitude ratio is approximately four times the change in amplitude. In addition， approximately two orders of magnitude of resonant frequency shift occurred， and the minimum detectable mass is 2 ng. Simulation and experimental results prove that the 3-DoF mode localized weakly coupled resonator can effectively measure micro-masses and thus has good prospects for bio-sensing applications.

关键词

Keywords

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