基于橫向場激勵模式的石英晶體微天平的研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、具有標(biāo)準電極結(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,厚度場激勵(Thickness field excitation,TFE)的檢測機理主要是基于機械負載效應(yīng),如粘度、密度和質(zhì)量等。然而在實際應(yīng)用中對于液體電特性變化的檢測也是至關(guān)重要的,所以傳統(tǒng)的QCM存在很大的局限性。基于橫向場激勵(Lateral field excitation,LFE)的QCM

2、則采用了不同的電極結(jié)構(gòu),兩個電極分布在石英晶片的同一面,保證了與體聲波(Bulk acoustic wave,BAW)伴隨的電場能夠更多地進入到被測液體中。
  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,并與流動注射技術(shù)相結(jié)合,組成了高靈敏度的

3、測試系統(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)計與制作。芯片采用“反臺階”式結(jié)構(gòu),既可以提高質(zhì)量-頻率靈敏度,又能夠保持機械強度;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。分析QCM振蕩電路的基本工作原理,并設(shè)計了一種能夠應(yīng)用于高頻LFE傳感器液相檢測的振蕩電路。最后設(shè)計了幾組實驗,

4、研究了QCM傳感器的基本電學(xué)特性,以及作為液相檢測和免疫傳感器的性能。對于基本頻率在40MHz左右的高頻QCM芯片,通過阻抗分析儀測試,在空氣里的Q值達到兩萬以上,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行實驗,證明了LFE傳感器不僅具有機械特性靈敏度,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,實驗結(jié)果證明高頻LFE石英晶體諧振器測量范圍更廣,靈敏度更高。利用振蕩電路進行了抗原抗體的免疫反應(yīng)實驗,

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