qcm传感器和fbar传感器原理与性能的有限元仿真分析与比较

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4、都是晶体的压电效应。原理是当晶体在交变电场下会产生谐振，这种谐振的频率与晶体的质量有关，若晶体表面有物质吸附时，质量的改变会使谐振频率发生改变，从而产生频移，通过测量频移即可测量晶体表面质量的变化，这种频移所敏感的质量变化可达纳克级甚至更高，因此适用于微小量测量。由于两类传感器谐振时，振动频率达到MHz或GHz，振幅也只有几个微米甚至纳米，因此，现有观测手段很难真实观测到这种高频的微小振动，使基于QCM传感器和FBAR传感器的测量系统分析与设计只能停留在理论分析层面，限制了两类传感器的进一步开发与应用，也增加了基于两类传感器的测量结果的分析难度。为了深入、直观地揭示两类传感

5、器的原理与性能影响因素，本研究引入大型通用有限元分析软件ANSYS。利用有限元分析方法，在建立了厚度剪切振动模式的QCM传感器和基于ZnO薄膜的FBAR传感器模型基础上，利用ANSYS软件的Workbench平台对QCM中AT切型的石英晶片和FBAR中的ZnO薄膜分别进行了多方位的仿真研究。论文首先利用压电方程理论分析了QCM传感器测量原理；其次，在ANSYS中建立了QCM传感器的仿真模型，并在此基础上细致分析了电极与夹具对QCM传感器性能的影响；再次，建立了基于ZnO薄膜的FBAR模型，并对其工作原理进行了仿真分析；最后，通过查阅大量文献，对比分析了QCM与FBAR的工作

6、机理、性能和应用领域。论文研究为深入理解与应用QCM传感器和FBAR传感器提供了仿真参考，也为分析与设计基于这两类传感器的测量系统提供了新的手段和方法。关键词：压电效应；QCM；FBAR；厚度剪切振动；ANSYS；谐振频率IAbstractWiththeincreaseofbreadthanddepthofexploringnaturalworldbyhuman,human,therequirementsforthemeasurementprecisionofmicromassanditsvariationgethigherandhigherinphysics,chemis

7、try,biologyandotherfields.Thereforevarioussensorshaveemerged.Astwonewmicro-measurementsensorsbasedontheprinciplesoftheBulkAcousticWaveResonator,QuartzCrystalMicrobalance(QCM)sensorsandFilmBulkAcousticResonator(FBAR)sensorhavebecomeresearchhotspots.Thetheoretic