专利名称：液体谐振传感方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明属于传感技术、生化及物理技术领域，具体涉及一种液体谐振传感方法及系统。
背景技术：
谐振是一种广泛存在的现象，在机械、化学、光、电和磁系统及其之间相互能量转换过程的系统中均可以观察到谐振现象。迄今，人们建立了气态和固态物质的谐振理论，并广泛应用。为了认识液体的性质，当前人们采用密度 、浓度、PH值、粘弹性、电导率和介电常数等参数从不同角度对液体进行表征，而对于液体中的非平衡过程则常用布朗运动和涨落等进行描述。任何液体都是由极性分子或非极性分子组成，且分子在相对应的平衡位置附近振荡，其振荡频率与其“内在性质”——粘弹性、密度、介电常数、成分及浓度等参数有关，因此振荡频率表征着液体的综合内在性质。若在液体中置入两个电极，且施加以交变激励电压，液体分子振荡会随外加交变电压的作用而变化。在一般情况下，液体分子的振幅幅值非常微小，但当外加交变电压的频率与液体分子固有振荡频率相同时，贝1J液体分子的振幅明显加大，比其它频率下的振幅大得多，这种现象我们称为“液体谐振”，它与LC回路的谐振现象有相似之处。液体的“内在性质”不变时，那么它的振荡频率是一定的。如果液体任一性质发生变化，则这时的液体已经不是“原来液体”了，其振荡频率一定会发生变化，它是液体性质变化的综合反应。液体的振荡频率的变化后，可用特定设计的电极，通过设计相应的检测系统可以进行谐振频率测量。由此，在一个封闭的环境下，当液体其它参数(如介电常数、电导率、密度、PH值等)固定，只让某一个参数变化，则采用结构特征参数确定的特定电极，可获得由于液体某一参数(如粘弹性)变化而引起的液体谐振频率的变化，从而可用谐振频率来表征液体“内在性质”的改变。由于液体分子间的相互作用比固体小得多，所以液体固有频率更易受到液体“内在性质”变化的影响，引起自身频率较大变化，比其作用于压电晶体而引起压电晶体频率变化要大得多。因此，从理论上来说，用液体谐振频率来表征液体性质变化具有更高的灵敏度。由此，本发明提出一种基于液体谐振机理的传感方法及系统。
发明内容
本发明的目的在于针对医学临床检测的需求，提供一种新型的液体谐振传感方法与系统。液体谐振传感方法基于液体谐振特性而建立，利用液体谐振频率来表征液体“内在性质”的变化，即液体粘弹性、密度、介电常数、成分及浓度等参数的变化。液体谐振传感系统由谐振传感器、信号激励振荡模块、信号采集及处理模块及计算机构成。系统利用谐振传感器201作为敏感单元，激励振荡器102给谐振传感器施加特定的激励振荡信号，激励信号与液体固有频率产生谐振，拾振器103获取谐振信号，其相应硬件电路获取谐振信号的频率和幅度特征，将频率信号直接传送给单片机104，单片机104在标准秒信号控制下，在所编写的程序控制下，利用计时器/计数器即可获得频率信号的频率值(Hz);另一方面，对于信号幅度特征，通过信号调理转换成电压信号，通过a/d转换器转换成数字信号输入到单片机104。单片机104的处理结果送液晶显示器实时显示，并保存相应结果到存储单元，也可通过无线接口传送至计算机105供进一步处理分析、显示、存储和远程共享等。激励振荡器102发送的激励振荡信号可根据拾振器及单片机结果进行调整。本发明的技术方案如下液体谐振传感器是在一绝缘基地上制作一叉指型电极(阵列)201，电极表面镀金膜，该金膜的厚度约为50-200nm。叉指电极对的单电极可等效为二阶串联谐振系统，其等效电路模型为包含一个电阻R、电感L和电容C的电路，那么传感器固有频率为GJci= I/(LC)1气液体粘弹性、密度、介电特性等物理特性或液体成分及其浓度等发生变化，使得液体的电特性产生相应变化，最终综合表现为液体固有频率的变化。则当激励信号频率ω =ω0时，液体产生谐振现象，其谐振频率及幅度等参数通过外电路进行检测。为了提高传感器对特定生化成分或生物分子的选择性和灵敏度，可在金膜上再固化一层对化学成分或生物分子具有高度特异性结合的敏感层。
本发明所涉及的液体谐振传感方法及系统利用液体谐振原理，基于液体物理化学特性的改变而弓I起的液体固有频率的变化,通过施加特定的激励振荡信号使液体产生谐振，通过获得液体谐振频率来实时检测液体的理化性质。相对现有检测技术，本发明灵敏度更高，检测方法更为简单。针对传感器阵列，结合多传感器信息融合技术，易于实现多参数理化性质的检测。传感系统检测快速、方便，不仅可应用于液体粘弹性、密度、介电常数等物理参数的检测，如血液疾病及心脑血管疾病病人的血液凝血过程血液粘弹性变化的实时、在体连续监测，亦可在传感器电极表面修饰不同的功能分子，实现对各种疾病标志物生化分子的特异性检测。传感系统获得的信号数据具有多种信息参数，如频率、幅值、受激励后传感器的激励响应信号动态耗散波等，均可由单片机、计算机进行分析计算。这些不同信息参数受液体粘弹性、密度、介电常数等物理特性以及生化物质成分和浓度等的影响，具有不同的响应结果和关联性，是多维信息，通过对这多维信息的处理和分析，用其中任意一维信息都可获得相应的物理或化学参数。
图I为传感系统结构示意中101为谐振传感器；102为激励振荡器；103为拾振器；104为单片机；105为计算机；图2为谐振传感器结构示意中201为电极阵列的单个叉指电极；202为叉指电极接口。图3为激励振荡及信号采集模块示意中301为运算放大器；302为谐振传感器；303为单片机；304为控制标准秒信号电路；305为无线接口 ；306为Flash闪存；307为液晶显示器(IXD)。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施做进一步的描述。谐振电极阵列由8个叉指型梳状电极201和电极接口 202构成。激励振荡模块由高速集成运算放大器301以及电阻(R1、R2、R3、R4)、电容(C1、C2)等组成，其中R1、R4分别与电源VCC相连，R2，Cl，R3分别与高速集成运算放大器的1，2，3脚相连，谐振传感器302与电容C2串联在电路中形成振荡，然后输出具有TTL电平的频率信号。此电路设计使得谐振传感器系统在全液相条件下仍能振荡。当液体理化性质发生变化时,液体的固有频率将会随之变化，调整激励振荡信号的频率，使其能与液体固有频率产生谐振，谐振频率信号进入单片机303的中断O 口，而标准秒信号的闸门时间通过单片机303的中断I 口进入，通过控制标准秒信号电路304的闸门时间，单片机303对频率振荡模块输出的频率进行检测，同时通过获取A/D转换器结果实现对其它信号的检测，检测结果送液晶显示器307实时显示， 同时保存于Flash闪存306中，也可通过单片机通讯口传送给无线接口 305，然后通过无线口实时发送至计算机做进一步处理、分析、显示、存储和远程共享等。
权利要求
1.液体谐振传感方法及系统，其特征在于设置一镀金膜叉指微电极阵列谐振传感器，设计相应的激励振荡电路，基于液体谐振原理，利用频率采集电路获得谐振频率特性，直接送入单片机系统，经过单片机处理后，通过无线通讯接口传送到计算机，利用谐振频率的变化与液体固有特性间的关系，获得液体粘弹性、密度、成分及其浓度等特性参数。
2.根据权利要求I所述的液体谐振传感方法及系统，其特征在于液体粘弹性、密度、介电常数等性质可由液体固有频率来表征，在激励振荡电路施加的交变信号作用下，液体产生谐振，当液体性质变化时,其谐振频率会发生相应变化,测量谐振传感器的振荡响应，利用过零检测电路将该响应信号整形成方波输出，然后利用频率测量电路进行频率测量，也可通过系统的信号调理电路获得谐振信号的幅度特性。
3.根据权利要求I所述的液体谐振传感方法及系统，其特征在于在金膜上修饰对生物分子或化学成分有特异性结合的功能分子，可测量功能分子与待测成分结合并施加激励振荡信号后输出响应信号的频率及动态耗散波，实现对生化分子的特异性检测。
全文摘要
本发明公开一种液体谐振传感方法及系统，液体粘弹性、密度、成分及其浓度等性质可由液体固有频率来表征，在交变激励振荡信号作用下，液体产生谐振，当液体性质变化时，其谐振频率会发生相应变化，传感器为镀金膜叉指微电极，可检测液体粘弹性、密度、成分及其浓度的变化引起的液体谐振频率的变化，如果在金膜上修饰生化功能分子，可实现对生化物质的特异性检测。该传感系统由谐振传感器101、激励振荡器102、拾振器103、单片机104和计算机105组成。系统结构简单，可同时检测传感器频率变化、幅度变化和激励响应信号动态耗散波，实现液体理化性质的高灵敏、可靠检测。
文档编号G01N27/30GK102809597SQ20121029961
公开日2012年12月5日 申请日期2012年8月22日 优先权日2012年8月22日
发明者刘盛平, 周奇, 陈国明 申请人:重庆理工大学