本文關(guān)鍵詞：考慮殘余應(yīng)力影響的諧振式生化傳感器微膜動(dòng)態(tài)特性研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：諧振式微膜生化傳感器是MEMS中的重要研究領(lǐng)域,在微生物檢驗(yàn)、化學(xué)分析、臨床醫(yī)學(xué)、環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景。諧振式微膜生化傳感器的靈敏度、分辨率等檢測(cè)性能主要依賴于微膜的動(dòng)態(tài)特性,然而,由于微結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和微環(huán)境的影響,微膜的動(dòng)態(tài)特性與宏觀尺寸下的特性有很大的差異：微膜通常采用表面硅微加工方法制造,在制造過程中會(huì)不可避免的產(chǎn)生殘余應(yīng)力；吸附會(huì)影響微膜的彎曲剛度；微尺度下,液體介質(zhì)對(duì)微膜的耦合作用更加明顯。因此,對(duì)微膜的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究,分析殘余應(yīng)力、吸附物和被檢測(cè)介質(zhì)對(duì)微膜動(dòng)態(tài)特性的影響規(guī)律,對(duì)于諧振式微膜生化傳感器的發(fā)展具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值�？紤]微膜結(jié)構(gòu)和制造工藝,分析了殘余應(yīng)力在復(fù)合膜中的分布狀態(tài),探討了改善復(fù)合膜壓曲,提高諧振式微膜生化傳感器可靠性和成品率的方法。通過分析,將復(fù)合膜內(nèi)的殘余應(yīng)力等效為均勻分布在微膜平面內(nèi)的應(yīng)力和彎矩載荷,利用Ritz法計(jì)算了具有均布面內(nèi)應(yīng)力的復(fù)合膜在彎矩載荷作用下的彎曲變形。采用等效經(jīng)典理論分析復(fù)合膜的振動(dòng)特性,建立了具有面內(nèi)初始?xì)堄鄳?yīng)力的曲膜數(shù)學(xué)模型,研究了面內(nèi)應(yīng)力和彎曲變形對(duì)微膜固有頻率的影響。結(jié)果表明：殘余應(yīng)力的分布狀態(tài)對(duì)微膜的固有頻率和彎曲變形有顯著的影響。針對(duì)存在殘余應(yīng)力的微膜在力學(xué)行為上具有微板和微薄膜的雙重性,根據(jù)理論分析模型,導(dǎo)出了其在固支邊界條件下的解析解；用殘余應(yīng)力參數(shù)k值判定微膜的性質(zhì),分析了隨著殘余應(yīng)力的變化板、膜行為特性的轉(zhuǎn)變規(guī)律；研究了殘余應(yīng)力的變化對(duì)微膜固有頻率、振型及振幅的影響規(guī)律。微膜表面上的敏感層在吸附目標(biāo)物質(zhì)后,微膜的質(zhì)量、剛度均會(huì)發(fā)生變化。敏感層的涂覆區(qū)域決定著吸附物的分布,考慮整體均勻吸附和局部均勻吸附兩種情況,采用階躍函數(shù)描述吸附區(qū)域,建立了描述吸附物影響的微膜動(dòng)力學(xué)方程；利用Rayleigh-Ritz法求解了吸附后微膜的固有頻率,分析了殘余應(yīng)力、吸附分布、吸附質(zhì)量和吸附剛度對(duì)微膜固有頻率偏移量的影響。針對(duì)液態(tài)生化檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的需要,考慮微膜與液體介質(zhì)的耦合作用,研究了微膜在液體介質(zhì)中的自振特性。當(dāng)微膜與液體介質(zhì)接觸振動(dòng)時(shí),用具有殘余應(yīng)力微膜的動(dòng)力學(xué)方程描述微膜的運(yùn)動(dòng),用拉普拉斯方程描述液體的運(yùn)動(dòng),用液體與微膜接觸面的法向速度相等來處理微膜與液體的耦合作用,分別采用假設(shè)振型法和Rayleigh-Ritz法求解了微膜在液體中的自由振動(dòng),分析了殘余應(yīng)力、液體介質(zhì)對(duì)微膜固有頻率和振型的影響。結(jié)果表明：采用Rayleigh-Ritz法計(jì)算的固有頻率具有更高的精度；與真空條件下相比,在液體中振動(dòng)時(shí)振型的變化隨殘余應(yīng)力的減小而越發(fā)明顯。針對(duì)諧振式微膜生化傳感器的結(jié)構(gòu)形式,選取微膜單側(cè)面接觸半無限流體,建立了微膜的液固耦合動(dòng)力學(xué)響應(yīng)模型；探討了微膜在振動(dòng)過程中的能量耗散機(jī)理和阻尼特性；研究了微膜在液態(tài)介質(zhì)中的響應(yīng)特性。結(jié)果表明：殘余應(yīng)力對(duì)品質(zhì)因子具有顯著的影響；液體介質(zhì)對(duì)膜的影響要遠(yuǎn)大于對(duì)薄板的影響；隨著殘余應(yīng)力的增加,諧振式微膜生化傳感器的質(zhì)量靈敏度與圓膜中心處的振動(dòng)位移呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)。本文綜合考慮殘余應(yīng)力、吸附物和液體介質(zhì)的影響,對(duì)微膜的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了研究,研究結(jié)果為諧振式微膜生化傳感器的優(yōu)化設(shè)計(jì)、檢測(cè)和控制提供了理論依據(jù)。
【關(guān)鍵詞】：動(dòng)態(tài)特性 微膜 諧振式生化傳感器 殘余應(yīng)力
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TP212
【目錄】：

• 摘要11-13
• Abstract13-16
• 第1章 緒論16-28
• 1.1 研究背景及意義16
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀16-25
• 1.2.1 諧振式微膜生化傳感器的發(fā)展17-20
• 1.2.2 薄膜殘余應(yīng)力的研究20-22
• 1.2.3 薄膜與液體耦合振動(dòng)的研究22-24
• 1.2.4 研究存在的問題24-25
• 1.3 主要研究內(nèi)容25-28
• 第2章 微膜殘余應(yīng)力研究28-52
• 2.1 引言28
• 2.2 微膜殘余應(yīng)力分析28-31
• 2.2.1 熱失配應(yīng)力28-30
• 2.2.2 本征應(yīng)力30-31
• 2.3 單層膜殘余應(yīng)力研究31-32
• 2.4 復(fù)合膜殘余應(yīng)力研究32-49
• 2.4.1 殘余應(yīng)力在復(fù)合膜中的分布狀態(tài)32-39
• 2.4.2 殘余應(yīng)力對(duì)復(fù)合膜壓曲的影響39-41
• 2.4.3 殘余應(yīng)力對(duì)復(fù)合膜變形的影響41-44
• 2.4.4 殘余應(yīng)力對(duì)復(fù)合膜固有頻率的影響44-47
• 2.4.5 數(shù)值結(jié)果與分析47-49
• 2.5 本章小結(jié)49-52
• 第3章 微膜在氣體介質(zhì)中的動(dòng)態(tài)特性52-64
• 3.1 引言52
• 3.2 微膜數(shù)學(xué)模型52
• 3.3 無阻尼自由振動(dòng)52-55
• 3.4 板-膜行為特性的判定55-59
• 3.4.1 板模型55-56
• 3.4.2 膜模型56
• 3.4.3 板-膜行為轉(zhuǎn)變56-59
• 3.5 有阻尼受迫振動(dòng)59-60
• 3.6 數(shù)值結(jié)果與分析60-62
• 3.7 本章小結(jié)62-64
• 第4章 吸附物對(duì)微膜固有頻率的影響64-78
• 4.1 引言64
• 4.2 考慮吸附物影響的微膜數(shù)學(xué)模型64-68
• 4.3 吸附物對(duì)固有頻率變化的影響68-75
• 4.3.1 整體吸附69-74
• 4.3.2 部分吸附74-75
• 4.4 本章小結(jié)75-78
• 第5章 微膜在液體介質(zhì)中的自振特性78-98
• 5.1 引言78
• 5.2 微膜與液體的接觸自由振動(dòng)78-80
• 5.3 假設(shè)振型法80-91
• 5.3.1 液體速度勢(shì)的計(jì)算80-82
• 5.3.2 無量綱附加質(zhì)量因子82-86
• 5.3.3 液膜耦合頻率分析86-91
• 5.4 Rayleigh-Ritz法91-96
• 5.4.1 試函數(shù)的選取91-92
• 5.4.2 系統(tǒng)的特征值92-93
• 5.4.3 數(shù)值結(jié)果與分析93-96
• 5.5 本章小結(jié)96-98
• 第6章 微膜在液體介質(zhì)中的響應(yīng)特性98-110
• 6.1 引言98
• 6.2 液膜耦合的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)模型98-99
• 6.3 微膜在液體介質(zhì)中的有效質(zhì)量99
• 6.4 液體介質(zhì)對(duì)質(zhì)量靈敏度的影響99-100
• 6.5 微膜在液體介質(zhì)中的品質(zhì)因子100-103
• 6.5.1 能量耗散機(jī)理100-101
• 6.5.2 聲輻射阻尼101-103
• 6.6 微膜在液體介質(zhì)中的受迫振動(dòng)103-105
• 6.7 數(shù)值結(jié)果與分析105-108
• 6.8 本章小結(jié)108-110
• 結(jié)論與展望110-114
• 結(jié)論110-111
• 創(chuàng)新點(diǎn)111-112
• 展望112-114
• 參考文獻(xiàn)114-130
• 致謝130-132
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文及參與的科研項(xiàng)目132-133
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文132
• 攻讀博士學(xué)位期間參與的科研項(xiàng)目132-133
• 附件1133-152
• 附件2152

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 王大甲;胡放榮;姚軍;邱傳凱;王愛娜;;基于微懸臂梁的化學(xué)傳感器的靈敏度研究[J];傳感技術(shù)學(xué)報(bào);2008年08期

2 高偉;董瑛;尤政;;微懸臂梁諧振式氣體傳感器研究進(jìn)展[J];傳感器與微系統(tǒng);2008年11期

3 林強(qiáng);盧東強(qiáng);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 楊婧媛;黎勝;;基于模態(tài)模型的水下薄板聲輻射響應(yīng)變異性分析[J];船舶力學(xué);2013年Z1期

5 付喜華;洪明;郭新毅;;流體中彈性板聲輻射阻尼研究[J];中國艦船研究;2008年01期

6 任惠娟;盛美萍;;矩形薄板的模態(tài)聲輻射效率[J];機(jī)械科學(xué)與技術(shù);2010年10期

7 錢勁,劉o

本文編號(hào)：286742