多通道石英微天平的设计优化和实验研究

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1、中国科学技术大学硕士学位论文多通道石英微天平的设计优化和实验研究姓名：李沛申请学位级别：硕士专业：固体力学指导教师：张培强;吕品2003.5.1摘要Ysls吣注：1、石英微天平(QuartzCrystalMicrobalance)以下均简写为QCM2、多通道石英微天平(MultichannelQuartzCrystalMicrobalance)以下均简写为MQCM为适应传感器的阵列化、微型化的发展趋势，人们已在QCM的基础上提出MQCM的概念。由于MQCM有优良的稳定性、极高的灵敏度，所以受到广泛的重视，几年来国内外已报道了大量这方面的研究成果

2、。MQCM作为一种微型机械，首要问题就是要一种优化的设计方案。由于MQCM是在同一块晶片上集成好几个谐振元，所以在设计中将面临如何选取谐振元尺寸以及谐振元的位置等诸多问题。本文主要研究的方向是MQCM的设计优化，主要工作集中在MQCM的谐振元振动耦合问题研究。具体作了以下几项工作。(1)首先对当今世界范围内在MQCM这一领域的研究及应用状况进行了全面的介绍．(2)继而在MQCM的谐振元振动耦合数值计算方面，利用有限元方法，对MQCM的振动耦合进行了计算。本文利用二维明德林方程组，考虑了吸附质量，使用圆形谐振元的MQCM模型，对振动耦合问题进行了

3、计算，得到一些有意义的结论。解释了振动耦合现象的内在机理，指出了谐振元大小、高度差、谐振元间距离、谐振元凸出高度以及谐振元排布方向都能很大程度上地影响MQCM的振元耦合及灵敏度的结论．总结出了减小振动耦合强度的方法，提出MQCM的设计优化方案。(3)在MQCM的实验研究方面，简单描述了在MQCM元件加工过程中用到的各种工艺，介绍了作者自行设计加工的MQCM元件。对这套元件进行了初步的实验研究，观察了振动耦合的电气性能和振动耦合对石英片谐振频率的影响，以及不同谐振元尺寸对振动耦合的影响。利用石英谐振器的等效电路方法对振动耦舍问题作了分析，总结了振

4、动耦合的谐振元的等效电路，为进一步的MQCM的分析和设计工作提供了实验基础．关键词：多通道石英微天平(MQCM)，石英微天平(QcM)，振动耦合，谐振元，等效电路AbstractAT—cutquartzcrystalresonators(QCM)vibratinginthicknessshearmodearewidelyusedtomonitorthephysicalpropertiesofthinlayersdepositedontheirsurfacesRecently，themultichannelquartzcrystalmicroba

5、lance(MQCM)hasbeenreportedwhichaccommodatesthecurrentofsensormicromationandintegration．MQCMisasensorarraywithmulti—channelQcMfabricatedonamonolithicquartzcrystalplate．TheMQCMhasmanymeritssuchashighsensitivityandgoodstabilitysoithasmanypotentialapplications．Asakindofsensor，it

6、needagoodoptimize．OneofthekeyproblemsforaMQCMisfrequencyinterferenceorcouplingbetweenadjacentresonators．Thefrequencycouplingwillbesevereifthespacebetweentheresonatorsisnotenough，Tosolvethisproblem，weshoulddesignappropriatedimensionandselectproperresonanceposition．Thispaperec

7、ountstheworkonthefrequencyinterferencebetweenadjacentresonators．It’sincludethreepart．(1)first，introducetheactuaIityofresearchandapplicationinthisfield．(2)Andalalyzedthefrequencyinterferencethroughbetweentwoadjacentcircular—shapedquartzcystalmicrobalances(QCM)byfiniteelementm

8、ethod(FEM)．Wesolvetwo—dimensionMindlin’splateequationwithmassloadingwithtwo