基于横向场激励模式的石英晶体微天平的研究

发布时间：2017-09-29 07:35

  本文关键词：基于横向场激励模式的石英晶体微天平的研究

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【摘要】：具有标准电极结构的石英晶体微天平(Quartz crystal microbalance, QCM)已经被广泛地应用于液相化学传感器的研究,厚度场激励(Thickness field excitation, TFE)的检测机理主要是基于机械负载效应,如粘度、密度和质量等。然而在实际应用中对于液体电特性变化的检测也是至关重要的,所以传统的QCM存在很大的局限性。基于横向场激励(Lateral field excitation,LFE)的QCM则采用了不同的电极结构,两个电极分布在石英晶片的同一面,保证了与体声波(Bulk acoustic wave,BAW)伴随的电场能够更多地进入到被测液体中。本文介绍了QCM的基本工作原理,推导了其谐振频率变化与其表面质量变化的关系；从振动模式、压电耦合系数和频率温度系数三方面考虑,解释了QCM选择AT切石英晶体的原因。在进行了充分的理论分析之后,提出了一种LFE模式的高频QCM传感器,并与流动注射技术相结合,组成了高灵敏度的测试系统。系统的研制主要包括QCM芯片、流通池和振荡电路的设计与制作。芯片采用“反台阶”式结构,既可以提高质量-频率灵敏度,又能够保持机械强度；分析了LFE器件的能陷现象,发现传统的LFE器件不具有能陷效应,并且提出了一种能产生能陷模的电极结构。设计了一种具有接触式弹簧针电极的三层式流通池结构,具有装卸方便、可重复利用等优点。分析QCM振荡电路的基本工作原理,并设计了一种能够应用于高频LFE传感器液相检测的振荡电路。最后设计了几组实验,研究了QCM传感器的基本电学特性,以及作为液相检测和免疫传感器的性能。对于基本频率在40MHz左右的高频QCM芯片,通过阻抗分析仪测试,在空气里的Q值达到两万以上,纯水中在一千左右。选用不同浓度的NaCl溶液和甘油水溶液进行实验,证明了LFE传感器不仅具有机械特性灵敏度,还具有极高的液体电特性灵敏度。而且本论文采用的是高频QCM芯片,实验结果证明高频LFE石英晶体谐振器测量范围更广,灵敏度更高。利用振荡电路进行了抗原抗体的免疫反应实验,结果表明系统的液相输出响应相对稳定,能够应用于生物免疫传感器的领域。
【关键词】：石英晶体微天平 横向场激励 高频 流动注射 液相检测
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH715.11;TP212
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 绪论9-17
• 1.1 研究意义及背景9-10
• 1.2 国内外研究现状10-12
• 1.2.1 国外研究现状10-12
• 1.2.2 国内研究现状12
• 1.3 QCM的应用12-14
• 1.4 论文研究内容14-15
• 1.5 本章小结15-17
• 第二章 QCM理论分析17-27
• 2.1 QCM工作原理17-23
• 2.1.1 石英晶体的压电效应17-20
• 2.1.2 石英切型的选择20-23
• 2.2 LFE器件的原理和特点23-24
• 2.3 QCM传感器的基本结构24
• 2.4 影响QCM测量的因素24-25
• 2.5 本章小结25-27
• 第三章 基于LFE的QCM测试系统的研制27-43
• 3.1 QCM芯片的设计与制作27-32
• 3.1.1 芯片的设计27-30
• 3.1.2 芯片的工艺制作30-32
• 3.2 QCM系统的设计32-37
• 3.2.1 流动注射技术32-34
• 3.2.2 流通池的结构设计34-37
• 3.3 振荡电路的设计37-42
• 3.3.1 振荡电路的基本工作原理37-38
• 3.3.2 石英晶体的BVD模型38-40
• 3.3.3 方案设计40-42
• 3.4 本章小结42-43
• 第四章 实验平台的设计与传感器性能研究43-55
• 4.1 基于阻抗分析仪的QCM参数提取43-45
• 4.1.1 阻抗分析仪测量技术及操作流程简介43
• 4.1.2 QCM电学参数提取43-45
• 4.2 LFE传感器在液相检测中的应用45-49
• 4.2.1 液体电导率的测试46-47
• 4.2.2 液体粘度的测试47-49
• 4.3 LFE传感器在免疫实验中的应用49-53
• 4.3.1 实验方法49-51
• 4.3.2 实验结果和讨论51-53
• 4.4 本章小结53-55
• 第五章 总结与展望55-57
• 5.1 工作总结55-56
• 5.2 未来展望56-57
• 致谢57-59
• 参考文献59-63
• 作者简介63

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 马廷锋;张超;张志甜;王文炎;冯冠平;;石英晶体横向场激励压电传感器的频率温度特性[J];仪表技术与传感器;2009年S1期

2 王文炎;张超;张志甜;刘岩;冯冠平;敬刚;;用于液相检测的横向场激励模式压电传感器[J];清华大学学报(自然科学版)网络.预览;2009年02期

3 刘光明;张广照;;石英晶体微天平在高分子科学中的应用[J];高分子通报;2008年08期

4 刘竹琴;刘艳峰;田蕾;;甘油的粘度与浓度关系的实验研究[J];延安大学学报(自然科学版);2005年04期

5 董永贵;电化学石英晶体微天平(EQCM)原理及应用中的几个问题[J];测控技术;2004年03期

6 任杰,宋海华;流动注射分析原理及进展[J];天津化工;2003年02期

7 温志立,汪世平,沈国励,曾宪芳;免疫传感器的发展与制作[J];免疫学杂志;2001年02期

8 翟俊祥;宽带运算跨导放大器OPA660[J];国外电子元器件;2000年09期

9 邵兵，，张悟铭，周性尧;压电质量传感及其应用[J];分析科学学报;1994年01期

10 姚守拙,周铁安;石英压电振子在液体中的某些振荡特性研究[J];科学通报;1985年15期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 吴兵;石英晶体微天平电学参数获取及在物理吸附上的应用[D];中国科学技术大学;2008年

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 范潇;基于石英晶体微天平和功能高分子薄膜的在线检测技术[D];浙江大学;2012年

本文编号：940771