基于橫向場(chǎng)激勵(lì)模式的石英晶體微天平的研究.pdf

1、具有標(biāo)準(zhǔn)電極結(jié)構(gòu)的石英晶體微天平（Quartz crystal microbalance，QCM）已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于液相化學(xué)傳感器的研究，厚度場(chǎng)激勵(lì)（Thickness field excitation，TFE）的檢測(cè)機(jī)理主要是基于機(jī)械負(fù)載效應(yīng)，如粘度、密度和質(zhì)量等。然而在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)于液體電特性變化的檢測(cè)也是至關(guān)重要的，所以傳統(tǒng)的QCM存在很大的局限性。基于橫向場(chǎng)激勵(lì)（Lateral field excitation，LFE）的QCM

2、則采用了不同的電極結(jié)構(gòu)，兩個(gè)電極分布在石英晶片的同一面，保證了與體聲波(Bulk acoustic wave，BAW)伴隨的電場(chǎng)能夠更多地進(jìn)入到被測(cè)液體中。
　　本文介紹了QCM的基本工作原理，推導(dǎo)了其諧振頻率變化與其表面質(zhì)量變化的關(guān)系;從振動(dòng)模式、壓電耦合系數(shù)和頻率溫度系數(shù)三方面考慮，解釋了QCM選擇AT切石英晶體的原因。在進(jìn)行了充分的理論分析之后，提出了一種LFE模式的高頻QCM傳感器，并與流動(dòng)注射技術(shù)相結(jié)合，組成了高靈敏度的

3、測(cè)試系統(tǒng)。系統(tǒng)的研制主要包括QCM芯片、流通池和振蕩電路的設(shè)計(jì)與制作。芯片采用“反臺(tái)階”式結(jié)構(gòu)，既可以提高質(zhì)量-頻率靈敏度，又能夠保持機(jī)械強(qiáng)度;分析了LFE器件的能陷現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的LFE器件不具有能陷效應(yīng)，并且提出了一種能產(chǎn)生能陷模的電極結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)了一種具有接觸式彈簧針電極的三層式流通池結(jié)構(gòu)，具有裝卸方便、可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)。分析QCM振蕩電路的基本工作原理，并設(shè)計(jì)了一種能夠應(yīng)用于高頻LFE傳感器液相檢測(cè)的振蕩電路。最后設(shè)計(jì)了幾組實(shí)驗(yàn)，

4、研究了QCM傳感器的基本電學(xué)特性，以及作為液相檢測(cè)和免疫傳感器的性能。對(duì)于基本頻率在40MHz左右的高頻QCM芯片，通過(guò)阻抗分析儀測(cè)試，在空氣里的Q值達(dá)到兩萬(wàn)以上，純水中在一千左右。選用不同濃度的NaCl溶液和甘油水溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，證明了LFE傳感器不僅具有機(jī)械特性靈敏度，還具有極高的液體電特性靈敏度。而且本論文采用的是高頻QCM芯片，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明高頻LFE石英晶體諧振器測(cè)量范圍更廣，靈敏度更高。利用振蕩電路進(jìn)行了抗原抗體的免疫反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，