壓電懸臂梁微質(zhì)量傳感器靈敏度提升方法研究.pdf

1、壓電懸臂梁式微質(zhì)量傳感器由壓電諧振元件組成，是基于壓電效應(yīng)工作的傳感器。當(dāng)目標(biāo)物質(zhì)吸附到傳感器探測區(qū)，其結(jié)構(gòu)諧振頻率發(fā)生偏移，通過檢測其諧振頻率偏移量的大小，可定量計(jì)算檢測物質(zhì)的質(zhì)量。壓電懸臂梁式微質(zhì)量傳感器具有自激、自感、實(shí)時(shí)、實(shí)地、高靈敏度和高檢測精度、適用環(huán)境能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在微生物檢測與識別、原子稱重、生物和化學(xué)檢測等方面具有非常廣泛的應(yīng)用。但是，隨著壓電微懸臂梁傳感器應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，對其檢測靈敏度以及準(zhǔn)確地定量分析、流體環(huán)境檢

2、測等工作性能要求越來越苛刻，現(xiàn)有的質(zhì)量傳感器已不能滿足檢測靈敏度的要求，因此需要研究提高壓電懸臂梁式微質(zhì)量傳感器靈敏度的方法。本文針對不同的測試環(huán)境、測試要求，提出了通過改變關(guān)鍵彈性元件諧振器的結(jié)構(gòu)形式、諧振器的工作模式等措施來提高傳感器的檢測靈敏度和品質(zhì)因數(shù)的方法。論文具體研究內(nèi)容和研究成果如下:
　　(1)壓電微懸臂梁傳感器的理論分析?；趹冶哿赫駝?dòng)理論，建立了懸臂梁理論分析模型，分析了與傳感器性能相關(guān)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)機(jī)理、共振頻率

3、、靈敏度和品質(zhì)因數(shù)等因素對傳感器性能的影響。
　　(2)提出了通過優(yōu)化懸臂梁橫截面的結(jié)構(gòu)形式來提高傳感器的檢測靈敏度的方法，具體設(shè)計(jì)了V型折疊式懸臂梁結(jié)構(gòu)的微質(zhì)量傳感器。建立了傳感器的理論分析模型，設(shè)計(jì)并制備了該構(gòu)型的傳感器樣品，通過有限元仿真和實(shí)驗(yàn)詳細(xì)地分析了傳感器的靈敏度，討論了傳感器的幾何參數(shù)對傳感器靈敏度的影響。
　　(3)提出了基于高階工作模態(tài)的諧振式微質(zhì)量傳感器的設(shè)計(jì)方法。建立了基于高階模態(tài)的傳感器分析模型，設(shè)計(jì)

4、了基于四階諧振模態(tài)微質(zhì)量傳感器，制備了基于四階工作模態(tài)的微質(zhì)量傳感器實(shí)驗(yàn)試件，實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果表明，基于四階工作模態(tài)的微質(zhì)量傳感器與一階模態(tài)相比，傳感器的靈敏度顯著提高。分析了傳感器彈性梁的長度比和厚度比對傳感器靈敏度的影響。
　　(4)針對液體測量領(lǐng)域亟需解決的難題—消除被測溶液阻尼，本文提出一種新型微通道式液體濃度傳感器，利用迂回式的微通道有效擴(kuò)展了傳感器最敏感檢測區(qū)域，同時(shí)消除了液體阻尼對傳感器測量精度的影響。
　　本文