基于亞波長狹縫聲子晶體的流體傳感器研究.pdf

1、快速、精確分析微量流體中的成分和參數(shù)在生化檢測、臨床醫(yī)學(xué)診斷、環(huán)境監(jiān)測、食品安全監(jiān)控等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值，是當(dāng)前及未來傳感器領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。聲學(xué)傳感器的基本原理是利用聲場中的物體參量（密度、聲速、粘度等）變化引起聲波的輸出信號頻率、振幅、相位變化，從而實現(xiàn)對物體的探測。其中基于人工結(jié)構(gòu)（聲子晶體、聲超常材料等）的局域強(qiáng)場能夠增強(qiáng)聲波與物質(zhì)的相互作用，是檢測微量流體微小變化的新機(jī)制。
　　本論文研究了基于亞波長狹縫聲子晶體系

2、統(tǒng)作為流體傳感器的檢測機(jī)理，并探討了相應(yīng)傳感的關(guān)鍵參量，進(jìn)而為高品質(zhì)因子和高靈敏度的傳感器研制提供基礎(chǔ)的物理支持。主要研究工作如下：
　　一、探究了含雙板結(jié)構(gòu)的亞波長狹縫系統(tǒng)的聲學(xué)特性，并討論了周圍流體對該系統(tǒng)的聲學(xué)性能影響。研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有亞波長尺寸、強(qiáng)局域聲場、增強(qiáng)聲波與物質(zhì)的相互作用等優(yōu)點。同時，該系統(tǒng)對流體比較敏感，特別是對密度與聲速度變化相反的流體比較敏感。
　　二、基于亞波長狹縫聲子晶體系統(tǒng)對流體傳感器不

3、同流體的傳感開展了研究，結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較高的品質(zhì)因子，Q值為6095；亞波長狹縫聲子晶體系統(tǒng)對流體比較敏感，尤其是密度與聲速度變化相反的流體。仿真計算了亞波長狹縫聲子晶體固體材料分別為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、單質(zhì)鋁、高硼硅(BF33)玻璃及單晶硅材質(zhì)和系統(tǒng)共振頻率的偏移關(guān)系，分析了四種固體材料的共振頻率偏移量，得到了亞波長狹縫聲子晶體系統(tǒng)的最優(yōu)固體材料為單晶硅的結(jié)論。最后，仿真計算了不同狹縫寬度對系統(tǒng)共振頻率偏移的影響。仿真

4、結(jié)果表明，亞波長狹縫聲子晶體系統(tǒng)最優(yōu)的狹縫寬度為0.050 mm。
　　三、探究了基于Ba0.7Sr0.3TiO3(BST)鐵電陶瓷材料的亞波長狹縫聲子晶體系統(tǒng)對溫度傳感器的影響。研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)的透射譜具有較尖銳的透射峰，從而使該系統(tǒng)具有高品質(zhì)因子，Q值為12906。隨著流體溫度從293 K、303 K增加到313 K的過程中，亞波長狹縫聲子晶體系統(tǒng)的共振頻率偏移比較明顯，因而系統(tǒng)具有較高的靈敏度，S值為3.02 kHz/K