石英晶體諧振器的響應(yīng)分析及其在粘彈性薄膜中的應(yīng)用研究.pdf

1、石英晶體諧振器(quartz crystalresonator，QCR)是一種對界面變化極其敏感的傳感器，可應(yīng)用于研究薄膜增長、界面吸附行為、界面化學(xué)反應(yīng)及多層界面上物體結(jié)構(gòu)的變化、沉淀等界面問題，在物理、化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中有著廣泛應(yīng)用。本論文首先構(gòu)建了QCR的等效電路模型，并進(jìn)一步對其共振響應(yīng)進(jìn)行了理論推導(dǎo)與分析，其次設(shè)計了基于阻抗分析的QCR實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，然后對有限厚度的粘彈性薄膜引起的共振響應(yīng)變化即共振頻率的偏移Δf和

2、半高半帶寬的偏移ΔΓ進(jìn)行了理論分析和實驗研究，在此基礎(chǔ)上，提出一種計算粘彈性薄膜剪切模量的方法，最后利用該技術(shù)研究非晶態(tài)聚合物薄膜的玻璃化轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。本論文的主要創(chuàng)新工作包括:
　　1.從一維傳輸線模型模型出發(fā)，分別建立了非壓電材料的電學(xué)模型和石英晶體的BVD等效電路模型，進(jìn)一步推導(dǎo)出簡潔的Δf+iΔΓ偏移與負(fù)載之間的共振響應(yīng)關(guān)系式，并探討了多種負(fù)載物質(zhì)的共振響應(yīng)關(guān)系式。其次以有限厚度的粘彈性薄膜為研究對象，利用數(shù)值模擬方法對QCR

3、共振響應(yīng)關(guān)系式進(jìn)行了誤差分析。
　　2.設(shè)計了一種采集速度快、操作簡便的高精度QCR實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于阻抗分析原理，提出了一種更加有效的計算QCR共振參數(shù)的擬合方法，通過對網(wǎng)絡(luò)分析儀的實時智能調(diào)整，有效的保證了數(shù)據(jù)采集波形信號與理論分析的一致性，該系統(tǒng)的測量精度高及工作情況穩(wěn)定可靠，完全具備了對實際動態(tài)過程進(jìn)行實時監(jiān)測與分析的能力。針對阻抗分析的QCR共振頻率信息的多樣性，通過數(shù)值分析方法討論了不同共振頻率信號受倍頻n、

4、動態(tài)電阻Rm和靜態(tài)電容C0的影響程度，為實際測量中共振信號的選擇提供了參考依據(jù)。
　　3.分析了利用傳統(tǒng)的多倍頻擬合方法計算粘彈性薄膜剪切模量的局限性，提出一種基于共振響應(yīng)偏移Δf和ΔΓ計算粘彈性薄膜剪切模量的方法，該方法從QCR共振響應(yīng)關(guān)系式出發(fā)，在不利用近似方法的前提下，能夠準(zhǔn)確的計算負(fù)載薄膜的剪切模量，實驗結(jié)果也表明該方法能夠有效地計算PVB薄膜在玻璃化轉(zhuǎn)變過程中的剪切模量隨溫度變化關(guān)系，故該方法可應(yīng)用于定量研究粘彈性薄膜的