本文關鍵詞：諧振式微生化傳感器圓形微膜動力學性能研究

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【摘要】：諧振式微生化傳感器是微生化傳感器的一種主要形式,其性能指標主要依賴于諧振器微構(gòu)件的動力學性能。微膜作為諧振器微構(gòu)件,在氣體與液體中都具有很高的品質(zhì)因數(shù),因此,其動力學性能成為當前微生化傳感器領域中人們關注的熱點。微納米尺度下微膜動力學性能受到的表面效應、殘余應力、液態(tài)介質(zhì)與吸附物的影響。因此,綜合考慮這些因素對微膜動力學性能的影響,為發(fā)展諧振式微膜生化傳感器提供理論基礎。本文以諧振器元件圓形微膜為研究對象,分析了表面效應、局部分布質(zhì)量、殘余應力及液態(tài)介質(zhì)對圓形微膜動力學性能的影響規(guī)律。本文的研究內(nèi)容主要包括:考慮圓形微膜單側(cè)接觸被檢測介質(zhì)造成的上下表面不同的表面性質(zhì),以及吸附物形成的單側(cè)局部均勻分布質(zhì)量,基于表面連續(xù)理論和Kirchhoff薄板理論,建立了具有不同表面性質(zhì)的圓形微膜控制方程,并利用伽遼金法得到近似解。分析了不同表面效應對微膜固有頻率與質(zhì)量敏感性的影響。結(jié)果表明,上下表面力學性能的差異使微膜動態(tài)特性表現(xiàn)出不同的尺寸依賴性,當上下表面彈性模量差值△E00時,圓形微膜的固有頻率與質(zhì)量敏感均隨微膜厚度的減小而增大,而當△E00時,則均隨微膜厚度的減小而減小。當吸附物質(zhì)量一定時,減小吸附區(qū)域面積可以使微膜具有更高的質(zhì)量敏感性。將已建立的模型退化為可用于分析殘余應力對圓形微膜振動模式影響的模型,利用分離變量法得到控制方程的解析解。將現(xiàn)有模型預測結(jié)果與基于修正疊層板的結(jié)果進行對比,當無量綱張力參量較小時,現(xiàn)有模型與修正疊層板模型預測的結(jié)果是一致的。隨著張力參量的增大,兩模型預測結(jié)果的差異性變大。通過分析各階模態(tài)下,殘余應力對具有表面效應的微膜振動模式和固有頻率的影響,說明強化表面會使微膜振動模式轉(zhuǎn)化區(qū)間增大,而弱化會使其縮小�？紤]液態(tài)介質(zhì)對圓形微膜動力學性能的影響,用新建模型描述圓形微膜的振動,假設液體為不可壓縮、無粘性的無限域液體,且液體的運動僅由微膜的振動所致,采用速度勢函數(shù)來描述液體域運動。引入Hankel變換與逆變換求解速度勢函數(shù)并利用Rayleigh-Ritz法求出耦合系統(tǒng)固有頻率的近似解。通過遠場法與Rayleigh表面積分得出液體中圓形微膜聲輻射耗散能量及品質(zhì)因數(shù)。分析了液體對考慮表面效應的微膜固有頻率的影響。結(jié)果表明,對于具有強化與弱化表面的圓形微膜,液體中的固有頻率與品質(zhì)因數(shù)都具有明顯的尺寸依賴性,當微膜厚度小于l×l0-8量級,液體中的固有頻率僅為氣體中的幾十分之一,而隨著微膜厚度的增加,液體對固有頻率的影響逐漸減弱。根據(jù)微膜實際結(jié)構(gòu),將其簡化為含有壓電層的雙層膜結(jié)構(gòu)�；贙irchhoff薄板理論,建立了包含壓電層的雙層圓形微膜自振方程,利用分離變量法求解�？紤]壓電材料的遲滯特性對品質(zhì)因數(shù)的影響,給出品質(zhì)因數(shù)的預測模型,該模型預測的半徑在300μm到700μm,厚度為3.65×10-6的圓形微膜品質(zhì)因數(shù)在66.3至86.7之間,與已有模型預測的結(jié)果324至346相比,現(xiàn)有模型預測的品質(zhì)因數(shù)與實驗測得的30到137更加吻合�？紤]微尺度下雙層圓形微膜的表面效應,基于Kirchhoff薄板理論與表面彈性理論,建立了考慮表面效應的雙層圓形微膜的控制方程,用伽遼金法求近似解。將考慮表面效應的雙層圓形微膜固有頻率與單層膜的結(jié)果進行對比。結(jié)果表明,利用等效材料參數(shù)法簡化的單層膜模型預測的固有頻率會比實際結(jié)果偏大或者偏小,而現(xiàn)有考慮表面效應的雙層圓形微膜模型可以更好的預測諧振器微膜的固有頻率。
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TP212

【參考文獻】

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