考虑残余应力影响的谐振式生化传感器微膜动态特性研究

发布时间：2017-04-05 08:07

  本文关键词：考虑残余应力影响的谐振式生化传感器微膜动态特性研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：谐振式微膜生化传感器是MEMS中的重要研究领域,在微生物检验、化学分析、临床医学、环境检测等领域中具有广泛的应用前景。谐振式微膜生化传感器的灵敏度、分辨率等检测性能主要依赖于微膜的动态特性,然而,由于微结构的特点和微环境的影响,微膜的动态特性与宏观尺寸下的特性有很大的差异：微膜通常采用表面硅微加工方法制造,在制造过程中会不可避免的产生残余应力；吸附会影响微膜的弯曲刚度；微尺度下,液体介质对微膜的耦合作用更加明显。因此,对微膜的动态特性进行研究,分析残余应力、吸附物和被检测介质对微膜动态特性的影响规律,对于谐振式微膜生化传感器的发展具有重要的理论意义和应用价值。考虑微膜结构和制造工艺,分析了残余应力在复合膜中的分布状态,探讨了改善复合膜压曲,提高谐振式微膜生化传感器可靠性和成品率的方法。通过分析,将复合膜内的残余应力等效为均匀分布在微膜平面内的应力和弯矩载荷,利用Ritz法计算了具有均布面内应力的复合膜在弯矩载荷作用下的弯曲变形。采用等效经典理论分析复合膜的振动特性,建立了具有面内初始残余应力的曲膜数学模型,研究了面内应力和弯曲变形对微膜固有频率的影响。结果表明：残余应力的分布状态对微膜的固有频率和弯曲变形有显著的影响。针对存在残余应力的微膜在力学行为上具有微板和微薄膜的双重性,根据理论分析模型,导出了其在固支边界条件下的解析解；用残余应力参数k值判定微膜的性质,分析了随着残余应力的变化板、膜行为特性的转变规律；研究了残余应力的变化对微膜固有频率、振型及振幅的影响规律。微膜表面上的敏感层在吸附目标物质后,微膜的质量、刚度均会发生变化。敏感层的涂覆区域决定着吸附物的分布,考虑整体均匀吸附和局部均匀吸附两种情况,采用阶跃函数描述吸附区域,建立了描述吸附物影响的微膜动力学方程；利用Rayleigh-Ritz法求解了吸附后微膜的固有频率,分析了残余应力、吸附分布、吸附质量和吸附刚度对微膜固有频率偏移量的影响。针对液态生化检测技术发展的需要,考虑微膜与液体介质的耦合作用,研究了微膜在液体介质中的自振特性。当微膜与液体介质接触振动时,用具有残余应力微膜的动力学方程描述微膜的运动,用拉普拉斯方程描述液体的运动,用液体与微膜接触面的法向速度相等来处理微膜与液体的耦合作用,分别采用假设振型法和Rayleigh-Ritz法求解了微膜在液体中的自由振动,分析了残余应力、液体介质对微膜固有频率和振型的影响。结果表明：采用Rayleigh-Ritz法计算的固有频率具有更高的精度；与真空条件下相比,在液体中振动时振型的变化随残余应力的减小而越发明显。针对谐振式微膜生化传感器的结构形式,选取微膜单侧面接触半无限流体,建立了微膜的液固耦合动力学响应模型；探讨了微膜在振动过程中的能量耗散机理和阻尼特性；研究了微膜在液态介质中的响应特性。结果表明：残余应力对品质因子具有显著的影响；液体介质对膜的影响要远大于对薄板的影响；随着残余应力的增加,谐振式微膜生化传感器的质量灵敏度与圆膜中心处的振动位移呈现相反的变化趋势。本文综合考虑残余应力、吸附物和液体介质的影响,对微膜的动态特性进行了研究,研究结果为谐振式微膜生化传感器的优化设计、检测和控制提供了理论依据。
【关键词】：动态特性 微膜 谐振式生化传感器 残余应力
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP212
【目录】：

• 摘要11-13
• Abstract13-16
• 第1章 绪论16-28
• 1.1 研究背景及意义16
• 1.2 国内外研究现状16-25
• 1.2.1 谐振式微膜生化传感器的发展17-20
• 1.2.2 薄膜残余应力的研究20-22
• 1.2.3 薄膜与液体耦合振动的研究22-24
• 1.2.4 研究存在的问题24-25
• 1.3 主要研究内容25-28
• 第2章 微膜残余应力研究28-52
• 2.1 引言28
• 2.2 微膜残余应力分析28-31
• 2.2.1 热失配应力28-30
• 2.2.2 本征应力30-31
• 2.3 单层膜残余应力研究31-32
• 2.4 复合膜残余应力研究32-49
• 2.4.1 残余应力在复合膜中的分布状态32-39
• 2.4.2 残余应力对复合膜压曲的影响39-41
• 2.4.3 残余应力对复合膜变形的影响41-44
• 2.4.4 残余应力对复合膜固有频率的影响44-47
• 2.4.5 数值结果与分析47-49
• 2.5 本章小结49-52
• 第3章 微膜在气体介质中的动态特性52-64
• 3.1 引言52
• 3.2 微膜数学模型52
• 3.3 无阻尼自由振动52-55
• 3.4 板-膜行为特性的判定55-59
• 3.4.1 板模型55-56
• 3.4.2 膜模型56
• 3.4.3 板-膜行为转变56-59
• 3.5 有阻尼受迫振动59-60
• 3.6 数值结果与分析60-62
• 3.7 本章小结62-64
• 第4章 吸附物对微膜固有频率的影响64-78
• 4.1 引言64
• 4.2 考虑吸附物影响的微膜数学模型64-68
• 4.3 吸附物对固有频率变化的影响68-75
• 4.3.1 整体吸附69-74
• 4.3.2 部分吸附74-75
• 4.4 本章小结75-78
• 第5章 微膜在液体介质中的自振特性78-98
• 5.1 引言78
• 5.2 微膜与液体的接触自由振动78-80
• 5.3 假设振型法80-91
• 5.3.1 液体速度势的计算80-82
• 5.3.2 无量纲附加质量因子82-86
• 5.3.3 液膜耦合频率分析86-91
• 5.4 Rayleigh-Ritz法91-96
• 5.4.1 试函数的选取91-92
• 5.4.2 系统的特征值92-93
• 5.4.3 数值结果与分析93-96
• 5.5 本章小结96-98
• 第6章 微膜在液体介质中的响应特性98-110
• 6.1 引言98
• 6.2 液膜耦合的动力学响应模型98-99
• 6.3 微膜在液体介质中的有效质量99
• 6.4 液体介质对质量灵敏度的影响99-100
• 6.5 微膜在液体介质中的品质因子100-103
• 6.5.1 能量耗散机理100-101
• 6.5.2 声辐射阻尼101-103
• 6.6 微膜在液体介质中的受迫振动103-105
• 6.7 数值结果与分析105-108
• 6.8 本章小结108-110
• 结论与展望110-114
• 结论110-111
• 创新点111-112
• 展望112-114
• 参考文献114-130
• 致谢130-132
• 攻读博士学位期间发表的学术论文及参与的科研项目132-133
• 攻读博士学位期间发表的学术论文132
• 攻读博士学位期间参与的科研项目132-133
• 附件1133-152
• 附件2152

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 王大甲;胡放荣;姚军;邱传凯;王爱娜;;基于微悬臂梁的化学传感器的灵敏度研究[J];传感技术学报;2008年08期

2 高伟;董瑛;尤政;;微悬臂梁谐振式气体传感器研究进展[J];传感器与微系统;2008年11期

3 林强;卢东强;Ronald W.YEUNG;;Hydroelastic Response of A Circular Plate in Waves on A Two-Layer Fluid of Finite Depth[J];China Ocean Engineering;2014年05期

4 杨婧媛;黎胜;;基于模态模型的水下薄板声辐射响应变异性分析[J];船舶力学;2013年Z1期

5 付喜华;洪明;郭新毅;;流体中弹性板声辐射阻尼研究[J];中国舰船研究;2008年01期

6 任惠娟;盛美萍;;矩形薄板的模态声辐射效率[J];机械科学与技术;2010年10期

7 钱劲,刘o

本文编号：286742