基于亚波长狭缝声子晶体的流体传感器研究

发布时间：2017-08-01 19:07

  本文关键词：基于亚波长狭缝声子晶体的流体传感器研究

  更多相关文章： 亚波长 声子晶体 传感器 品质因子 灵敏度 透射谱

【摘要】：快速、精确分析微量流体中的成分和参数在生化检测、临床医学诊断、环境监测、食品安全监控等领域具有重要的应用价值,是当前及未来传感器领域的重要发展方向。声学传感器的基本原理是利用声场中的物体参量(密度、声速、粘度等)变化引起声波的输出信号频率、振幅、相位变化,从而实现对物体的探测。其中基于人工结构(声子晶体、声超常材料等)的局域强场能够增强声波与物质的相互作用,是检测微量流体微小变化的新机制。本论文研究了基于亚波长狭缝声子晶体系统作为流体传感器的检测机理,并探讨了相应传感的关键参量,进而为高品质因子和高灵敏度的传感器研制提供基础的物理支持。主要研究工作如下:一、探究了含双板结构的亚波长狭缝系统的声学特性,并讨论了周围流体对该系统的声学性能影响。研究结果表明,该系统具有亚波长尺寸、强局域声场、增强声波与物质的相互作用等优点。同时,该系统对流体比较敏感,特别是对密度与声速度变化相反的流体比较敏感。二、基于亚波长狭缝声子晶体系统对流体传感器不同流体的传感开展了研究,结果表明,该系统具有较高的品质因子,Q值为6095;亚波长狭缝声子晶体系统对流体比较敏感,尤其是密度与声速度变化相反的流体。仿真计算了亚波长狭缝声子晶体固体材料分别为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、单质铝、高硼硅(BF33)玻璃及单晶硅材质和系统共振频率的偏移关系,分析了四种固体材料的共振频率偏移量,得到了亚波长狭缝声子晶体系统的最优固体材料为单晶硅的结论。最后,仿真计算了不同狭缝宽度对系统共振频率偏移的影响。仿真结果表明,亚波长狭缝声子晶体系统最优的狭缝宽度为0.050 mm。三、探究了基于Ba0.7Sr0.3TiO3(BST)铁电陶瓷材料的亚波长狭缝声子晶体系统对温度传感器的影响。研究结果表明,该系统的透射谱具有较尖锐的透射峰,从而使该系统具有高品质因子,Q值为12906。随着流体温度从293 K、303 K增加到313 K的过程中,亚波长狭缝声子晶体系统的共振频率偏移比较明显,因而系统具有较高的灵敏度,S值为3.02 kHz/K。仿真计算了在不同温度条件下,不同狭缝宽度的亚波长狭缝声子晶体系统对共振频率变化的影响。研究结果表明,亚波长狭缝声子晶体系统共振频率的变化不仅取决于BST铁电陶瓷材料和呋喃甲醛流体,而且还取决于狭缝宽度。基于亚波长狭缝声子晶体系统的流体传感器具有尺寸小、高品质因子和高灵敏度等优点,未来这种系统的传感器可以很好地应用于芯片技术以及小型化医疗技术等方面。
【关键词】：亚波长 声子晶体 传感器 品质因子 灵敏度 透射谱
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O735
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-18
• 1.1 传感器概述9-11
• 1.2 声学流体传感器概述11-14
• 1.3 声子晶体流体传感器概述14-16
• 1.4 本文研究内容16-18
• 第2章 亚波长狭缝声子晶体系统及其性质18-28
• 2.1 亚波长狭缝系统概述18-22
• 2.2 亚波长狭缝声子晶体的声学性质22-27
• 2.2.1 亚波长狭缝声子晶体系统色散曲线22-24
• 2.2.2 亚波长狭缝声子晶体系统位移场分布24-25
• 2.2.3 亚波长狭缝声子晶体系统透射谱25-27
• 2.3 小结27-28
• 第3章 基于亚波长狭缝声子晶体系统的流体性质研究28-34
• 3.1 亚波长狭缝声子晶体系统仿真计算28-31
• 3.1.1 亚波长狭缝声子晶体系统结构和流体参数28-29
• 3.1.2 亚波长狭缝声子晶体系统透射谱29-31
• 3.2 亚波长狭缝声子晶体系统流体参数31-33
• 3.3 小结33-34
• 第4章 基于亚波长狭缝声子晶体流体传感器的研究34-45
• 4.1 亚波长狭缝声子晶体流体传感器系统34-35
• 4.2 基于亚波长狭缝声子晶体和三氯甲烷和 1-辛醇系统仿真计算35-38
• 4.2.1 三氯甲烷和 1-辛醇流体性质35
• 4.2.2 亚波长狭缝声子晶体系统的透射谱35-36
• 4.2.3 亚波长狭缝声子晶体系统的流体参数仿真36-38
• 4.3 基于亚波长狭缝声子晶体和二乙基己基磷酸和四氯化碳系统仿真计算38-41
• 4.3.1 二乙基己基磷酸和四氯化碳流体性质38
• 4.3.2 亚波长狭缝声子晶体系统的透射谱38-39
• 4.3.3 基于亚波长狭缝声子晶体系统的流体参数仿真39-41
• 4.4 亚波长狭缝声子晶体系统最优固体材料参数41-43
• 4.5 亚波长狭缝声子晶体系统最优狭缝宽度43-44
• 4.6 小结44-45
• 第5章 基于BST陶瓷材料的亚波长狭缝声子晶体的温度流体传感器研究45-51
• 5.1 亚波长狭缝声子晶体系统材料温度特性45-47
• 5.2 亚波长狭缝声子晶体结构系统透射谱图47-49
• 5.3 亚波长狭缝声子晶体的温度流体传感器最优狭缝宽度49-50
• 5.4 小结50-51
• 第6章 总结与展望51-53
• 6.1 论文总结51
• 6.2 工作展望51-53
• 参考文献53-58
• 致谢58-59
• 附录A: 个人简历、攻读硕士学位期间发表学术论文59

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本文编号：605727