粘弹性薄膜吸附的QCM传感器响应模型研究及验证.pdf

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1、电子科技大学UNIVERSITYOFELECTRONICSCIENCEANDTECHNOLOGYOFCHINA博士学位论文DOCTORALDISSERTATION（电子科技大学图标）论文题目粘弹性薄膜吸附的QCM传感器响应模型研究及验证学科专业检测技术与自动化装置学号200812501002作者姓名谭峰指导教师黄显核教授万方数据分类号密级注1UDC学位论文粘弹性薄膜吸附的QCM传感器响应模型研究及验证（题名和副题名）谭峰（作者姓名）指导教师黄显核教授电子科技大学成都（姓名、职称、单位名称）申请学位级别博士学科专业检测技术与自动化装

2、置提交论文日期2013.10论文答辩日期2013.11.28学位授予单位和日期电子科技大学2013年12月24日答辩委员会主席评阅人注1：注明《国际十进分类法UDC》的类号。万方数据RESPONSEMODELRESEARCHANDVERIFICATIONOFQCMSENSORSLOADEDWITHAVISCOELASTICTHINFILMADoctorDissertationSubmittedtoUniversityofElectronicScienceandTechnologyofChinaMajor:DetectionTech

3、nologyandAutomaticEngineeringAuthor:TanFengAdvisor:Prof.HuangXianheSchool:SchoolofAutomationEngineering万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。

4、作者签名：日期：年月日论文使用授权本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）作者签名：导师签名：日期：年月日万方数据摘要摘要石英晶体微天平（QCM）是一种超灵敏的质量型传感器，可以检测到纳克量-9级（10g）的微质量变化。它具有快速实时、在线跟踪、单次检测成本低廉、可以给

5、出定量分析结果等诸多优点，是实现农产品农药残留、食品安全、重金属污染、大气污染、水质分析、医学诊疗检测等高精密检测分析的新技术、新方向，近几年成为了生化检测分析领域的研究热点。在经典的QCM的数据分析响应模型中，Sauerbrey模型只适用于气相刚性膜均匀吸附应用；Kanasawa模型只适用于液相纯粘性液体应用，并且它只能把未知液体的密度和粘度的乘积项当做一个参数来处理。QCM-D响应模型通过QCM的频率变化和能量耗散变化建立方程组来分析粘弹性介质吸附现象。但是，该模型需要已知溶液的密度、粘度等信息，在应用上有一定的局限性。同时，

6、QCM-D响应模型中能量耗散变化的获得是采用瞬时测量法以脉冲激励的方式让QCM传感-6器振荡，然后测量其衰减时间（一般是在10秒量级）计算得到。这种方法容易受到外界的微小干扰而影响分析结果的准确度。本文在传输线理论和声波理论的基础上，推导了不同介质吸附下QCM传感器响应模型的显性表示式，揭示了QCM传感器的频率变化以及耗散因子变化与所吸附的介质特性之间的关系。进而通过验证，定量分析和评估了多种材料的特性。本文主要工作和创新点包括：1．应用传输线理论以及负载声波阻抗理论，推导了QCM传感器在空载条件下的BVD(Butterworth

7、-VanDyke)等效电路模型，并与基于经典本构方程得到的等效电路进行了比较，验证了该推导方法的正确性。在此基础上详细推导了气相弹性介质吸附的Sauerbrey模型、液相粘性介质吸附的Kanasawa模型以及Martin模型，进一步验证了该推导方法的有效性。2．对于粘弹性介质，目前QCM传感器的数据分析还存在着一定的缺陷和不足，为了解决这一问题，本文采用一种简单的方法准确推导了响应分析模型。同时，本文还结合该模型提出了一种稳态测量方法，从频率测量的角度，应用频率与耗散因子的转换关系，精确得到耗散因子，提高了QCM传感器的数据分析的

8、准确度。3．分别从气相和液相的应用角度，推导了单层粘弹性薄膜吸附的QCM传感器响应模型，给出了明确的显性表达式，得到了与QCM-D模型完全一样的结论：气相条件下，粘弹性薄膜的粘弹性模量会引入“额外质量”效应；液相条件下，粘I万方数据摘要弹性薄膜的粘