本文關(guān)鍵詞：基于橫向場(chǎng)激勵(lì)模式的石英晶體微天平的研究

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【摘要】：具有標(biāo)準(zhǔn)電極結(jié)構(gòu)的石英晶體微天平(Quartz crystal microbalance, QCM)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于液相化學(xué)傳感器的研究,厚度場(chǎng)激勵(lì)(Thickness field excitation, TFE)的檢測(cè)機(jī)理主要是基于機(jī)械負(fù)載效應(yīng),如粘度、密度和質(zhì)量等。然而在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)于液體電特性變化的檢測(cè)也是至關(guān)重要的,所以傳統(tǒng)的QCM存在很大的局限性�；跈M向場(chǎng)激勵(lì)(Lateral field excitation,LFE)的QCM則采用了不同的電極結(jié)構(gòu),兩個(gè)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(chǎng)能夠更多地進(jìn)入到被測(cè)液體中。本文介紹了QCM的基本工作原理,推導(dǎo)了其諧振頻率變化與其表面質(zhì)量變化的關(guān)系；從振動(dòng)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(jìn)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(dòng)注射技術(shù)相結(jié)合,組成了高靈敏度的測(cè)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(shè)計(jì)與制作。芯片采用“反臺(tái)階”式結(jié)構(gòu),既可以提高質(zhì)量-頻率靈敏度,又能夠保持機(jī)械強(qiáng)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(yīng),并且提出了一種能產(chǎn)生能陷模的電極結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)了一種具有接觸式彈簧針電極的三層式流通池結(jié)構(gòu),具有裝卸方便、可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)。分析QCM振蕩電路的基本工作原理,并設(shè)計(jì)了一種能夠應(yīng)用于高頻LFE傳感器液相檢測(cè)的振蕩電路。最后設(shè)計(jì)了幾組實(shí)驗(yàn),研究了QCM傳感器的基本電學(xué)特性,以及作為液相檢測(cè)和免疫傳感器的性能。對(duì)于基本頻率在40MHz左右的高頻QCM芯片,通過(guò)阻抗分析儀測(cè)試,在空氣里的Q值達(dá)到兩萬(wàn)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(jìn)行實(shí)驗(yàn),證明了LFE傳感器不僅具有機(jī)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(shí)驗(yàn)結(jié)果證明高頻LFE石英晶體諧振器測(cè)量范圍更廣,靈敏度更高。利用振蕩電路進(jìn)行了抗原抗體的免疫反應(yīng)實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明系統(tǒng)的液相輸出響應(yīng)相對(duì)穩(wěn)定,能夠應(yīng)用于生物免疫傳感器的領(lǐng)域。
【關(guān)鍵詞】：石英晶體微天平 橫向場(chǎng)激勵(lì) 高頻 流動(dòng)注射 液相檢測(cè)
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀10-12
• 1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀10-12
• 1.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀12
• 1.3 QCM的應(yīng)用12-14
• 1.4 論文研究?jī)?nèi)容14-15
• 1.5 本章小結(jié)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(yīng)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(diǎn)23-24
• 2.3 QCM傳感器的基本結(jié)構(gòu)24
• 2.4 影響QCM測(cè)量的因素24-25
• 2.5 本章小結(jié)25-27
• 第三章 基于LFE的QCM測(cè)試系統(tǒng)的研制27-43
• 3.1 QCM芯片的設(shè)計(jì)與制作27-32
• 3.1.1 芯片的設(shè)計(jì)27-30
• 3.1.2 芯片的工藝制作30-32
• 3.2 QCM系統(tǒng)的設(shè)計(jì)32-37
• 3.2.1 流動(dòng)注射技術(shù)32-34
• 3.2.2 流通池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)34-37
• 3.3 振蕩電路的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)40-42
• 3.4 本章小結(jié)42-43
• 第四章 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)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(cè)量技術(shù)及操作流程簡(jiǎn)介43
• 4.1.2 QCM電學(xué)參數(shù)提取43-45
• 4.2 LFE傳感器在液相檢測(cè)中的應(yīng)用45-49
• 4.2.1 液體電導(dǎo)率的測(cè)試46-47
• 4.2.2 液體粘度的測(cè)試47-49
• 4.3 LFE傳感器在免疫實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用49-53
• 4.3.1 實(shí)驗(yàn)方法49-51
• 4.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論51-53
• 4.4 本章小結(jié)53-55
• 第五章 總結(jié)與展望55-57
• 5.1 工作總結(jié)55-56
• 5.2 未來(lái)展望56-57
• 致謝57-59
• 參考文獻(xiàn)59-63
• 作者簡(jiǎn)介63

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：940771