表面結(jié)構(gòu)-石英晶體諧振器的厚度剪切振動特征及系統(tǒng)的電學(xué)性能分析.pdf

1、石英晶體諧振器（Quartz crystal resonator, QCR）常被用來測量表面結(jié)構(gòu)/材料的物理性能，如密度、剪切模量、覆蓋厚度等。以往的研究常將 QCR系統(tǒng)簡化成多層結(jié)構(gòu)，并假設(shè)表面層的振動相位一致，通過一維傳輸線模型分析。然而，隨著壓電器件的微型化發(fā)展及測量精度的迅速提高，表面結(jié)構(gòu)的特征尺度逐漸與QCR的厚度接近，使得表面加載的構(gòu)型效應(yīng)凸顯，原來分析模型中的振動相位一致假設(shè)不再適用，因此，需要系統(tǒng)深入地開展表面結(jié)構(gòu)振型特

2、征對石英晶體諧振器的動力特征和電學(xué)行為的影響分析。本文在建立相關(guān)的 QCR耦聯(lián)振動的動力學(xué)模型之后，深入開展了表面荷載對QCR復(fù)合系統(tǒng)的電導(dǎo)納性能及頻率特征的影響分析，取得了如下主要研究成果：
　　1.建立了球缺形單元陣列與石英晶體諧振器耦合振動的動力學(xué)模型，揭示了球缺狀粘彈性物質(zhì)陣列對QCR厚度剪切（Thickness-shear mode, TSM）振動的影響特征，得到了表面物質(zhì)單元的粘彈性性質(zhì)及球缺形狀、尺寸等對復(fù)合 QCR

3、系統(tǒng)電導(dǎo)納的影響規(guī)律。并利用所建立的模型計算了肌腱干細(xì)胞（Tendon stem cells, TSCs）的導(dǎo)納譜，與已有的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行比較后，發(fā)現(xiàn)兩者具有很好的一致性，這充分證明了本文所建立的模型在分析表面結(jié)構(gòu)/諧振器系統(tǒng)的耦合振動方面良好的可靠性。在此基礎(chǔ)上，本文更深入地計算了復(fù)合QCR系統(tǒng)在加載有不同幾何構(gòu)型和體積的環(huán)氧樹脂（SU-8）陣列時的導(dǎo)納譜，闡明了表面荷載的幾何構(gòu)型和體積效應(yīng)等對系統(tǒng)的諧振頻率和導(dǎo)納譜的影響規(guī)律。

4、　　2.在石英板控制方程中引入偶應(yīng)力效應(yīng)，建立了表面剛性梁陣列與QCR耦合振動的動力學(xué)模型。推導(dǎo)了復(fù)合QCR系統(tǒng)的頻譜方程，發(fā)現(xiàn)在QCR低階固有頻率處偶應(yīng)力作用較弱，但隨著諧振頻率的階數(shù)提高，偶應(yīng)力效應(yīng)增強(qiáng)，這是由于高頻振動時的波長較小所致。所以，高頻諧振時的偶應(yīng)力效應(yīng)不容忽視。
　　3.考慮微梁的剪切變形，建立了Timoshenko微梁陣列與QCR作厚度剪切振動時的動力學(xué)控制方程，并通過電致振動分析得到了復(fù)合 QCR系統(tǒng)的電導(dǎo)納

5、與表面SU-8微梁的物理性質(zhì)之間的關(guān)系，闡明了微梁的慣性效應(yīng)和約束效應(yīng)等對復(fù)合QCR系統(tǒng)諧振頻率和導(dǎo)納的影響特征，揭示了微梁剪切變形對系統(tǒng)導(dǎo)納譜的作用規(guī)律。
　　4.引入表面結(jié)構(gòu)的表面效應(yīng)，建立了微梁陣列/QCR復(fù)合系統(tǒng)的 TSM型振動的分析模型，研究了微梁表面效應(yīng)（包括表面殘余應(yīng)力τ0和表面彈性模量 Es）對復(fù)合QCR系統(tǒng)導(dǎo)納譜和振動模態(tài)的影響規(guī)律，所得結(jié)果對加載有納米尺度微梁的聲波諧振器系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用具有重要意義。