本文關鍵詞：基于橫向場激勵模式的石英晶體微天平的研究

  更多相關文章： 石英晶體微天平 橫向場激勵 高頻 流動注射 液相檢測

【摘要】：具有標準電極結構的石英晶體微天平(Quartz crystal microbalance, QCM)已經(jīng)被廣泛地應用于液相化學傳感器的研究,厚度場激勵(Thickness field excitation, TFE)的檢測機理主要是基于機械負載效應,如粘度、密度和質量等。然而在實際應用中對于液體電特性變化的檢測也是至關重要的,所以傳統(tǒng)的QCM存在很大的局限性。基于橫向場激勵(Lateral field excitation,LFE)的QCM則采用了不同的電極結構,兩個電極分布在石英晶片的同一面,保證了與體聲波(Bulk acoustic wave,BAW)伴隨的電場能夠更多地進入到被測液體中。本文介紹了QCM的基本工作原理,推導了其諧振頻率變化與其表面質量變化的關系；從振動模式、壓電耦合系數(shù)和頻率溫度系數(shù)三方面考慮,解釋了QCM選擇AT切石英晶體的原因。在進行了充分的理論分析之后,提出了一種LFE模式的高頻QCM傳感器,并與流動注射技術相結合,組成了高靈敏度的測試系統(tǒng)。系統(tǒng)的研制主要包括QCM芯片、流通池和振蕩電路的設計與制作。芯片采用“反臺階”式結構,既可以提高質量-頻率靈敏度,又能夠保持機械強度；分析了LFE器件的能陷現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的LFE器件不具有能陷效應,并且提出了一種能產(chǎn)生能陷模的電極結構。設計了一種具有接觸式彈簧針電極的三層式流通池結構,具有裝卸方便、可重復利用等優(yōu)點。分析QCM振蕩電路的基本工作原理,并設計了一種能夠應用于高頻LFE傳感器液相檢測的振蕩電路。最后設計了幾組實驗,研究了QCM傳感器的基本電學特性,以及作為液相檢測和免疫傳感器的性能。對于基本頻率在40MHz左右的高頻QCM芯片,通過阻抗分析儀測試,在空氣里的Q值達到兩萬以上,純水中在一千左右。選用不同濃度的NaCl溶液和甘油水溶液進行實驗,證明了LFE傳感器不僅具有機械特性靈敏度,還具有極高的液體電特性靈敏度。而且本論文采用的是高頻QCM芯片,實驗結果證明高頻LFE石英晶體諧振器測量范圍更廣,靈敏度更高。利用振蕩電路進行了抗原抗體的免疫反應實驗,結果表明系統(tǒng)的液相輸出響應相對穩(wěn)定,能夠應用于生物免疫傳感器的領域。
【關鍵詞】：石英晶體微天平 橫向場激勵 高頻 流動注射 液相檢測
【學位授予單位】：東南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TH715.11;TP212
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 緒論9-17
• 1.1 研究意義及背景9-10
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀10-12
• 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀10-12
• 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀12
• 1.3 QCM的應用12-14
• 1.4 論文研究內(nèi)容14-15
• 1.5 本章小結15-17
• 第二章 QCM理論分析17-27
• 2.1 QCM工作原理17-23
• 2.1.1 石英晶體的壓電效應17-20
• 2.1.2 石英切型的選擇20-23
• 2.2 LFE器件的原理和特點23-24
• 2.3 QCM傳感器的基本結構24
• 2.4 影響QCM測量的因素24-25
• 2.5 本章小結25-27
• 第三章 基于LFE的QCM測試系統(tǒng)的研制27-43
• 3.1 QCM芯片的設計與制作27-32
• 3.1.1 芯片的設計27-30
• 3.1.2 芯片的工藝制作30-32
• 3.2 QCM系統(tǒng)的設計32-37
• 3.2.1 流動注射技術32-34
• 3.2.2 流通池的結構設計34-37
• 3.3 振蕩電路的設計37-42
• 3.3.1 振蕩電路的基本工作原理37-38
• 3.3.2 石英晶體的BVD模型38-40
• 3.3.3 方案設計40-42
• 3.4 本章小結42-43
• 第四章 實驗平臺的設計與傳感器性能研究43-55
• 4.1 基于阻抗分析儀的QCM參數(shù)提取43-45
• 4.1.1 阻抗分析儀測量技術及操作流程簡介43
• 4.1.2 QCM電學參數(shù)提取43-45
• 4.2 LFE傳感器在液相檢測中的應用45-49
• 4.2.1 液體電導率的測試46-47
• 4.2.2 液體粘度的測試47-49
• 4.3 LFE傳感器在免疫實驗中的應用49-53
• 4.3.1 實驗方法49-51
• 4.3.2 實驗結果和討論51-53
• 4.4 本章小結53-55
• 第五章 總結與展望55-57
• 5.1 工作總結55-56
• 5.2 未來展望56-57
• 致謝57-59
• 參考文獻59-63
• 作者簡介63

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本文編號：940771