几种非理想状态下压电传感器的响应及应用

作     者：杜军国 

作者单位：山东师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：申大忠

授予年度：2010年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：石英晶体微天平 纵波 吸附 激励电平 等效电路参数 

摘      要：压电传感器是一种高灵敏的质量型化学传感器,其研究始于1959年Sauerbrey的开创性工作,其基本原理就是传感器的谐振频率随表面质量负载的增加而线性下降,由于这种传感器对表面质量变化非常敏感,因此压电传感器又称为石英晶体微天平（Quartz Crystal Microbalance,QCM）,在化学及生物传感领域得到广泛应用。本论文首先就近几年来有关压电传感器的最新研究概况做了简要介绍。在QCM的应用中,通常采用Sauerbery方程计算表面质量负载变化,但该方程仅在要求负载层满足刚性、均匀、薄膜的理想条件下成立。当不满足上述条件时,如果仍然按照Sauerbery方程计算表面质量变化将导致较大的系统误差。对于非理想状态下压电传感器的响应及应用状况很少有文献涉及,本论文研究了其中三种典型非理想状态下的响应及应用:压电传感器的纵波效应、谐振峰分裂现象研究与应用和结冰过程中峰分裂现象及吸附应用研究,此外又研究了阻抗分析中激励电平对石英晶体微天平响应性能的影响,具体内容如下: 1)本章对压电传感器谐振峰分裂这一新的实验现象进行了较为系统的研究,发现了谐振峰位移与强度变化的规律,在电导与频率的曲线中,随着液面高度的不断增加,小肩峰会周期性的出现与消失。小肩峰频率的变化与一定范围内的液面高度之间呈线性关系,谐振主峰与小肩峰的相互重叠会造成前者强度的减弱以及后者强度的增强,甚至在某些液面高度下,电导与频率的曲线显示谐振主峰的强度与小肩峰的强度几乎相等;但是不论有无谐振峰的分裂,电导与频率曲线所围成的峰面积几乎是个常数。最后将这种响应模式应用于液体密度传感监测,并在组合设计的阻抗分析法中,实现了表面质量、液体粘度、密度的同时测定,结果表明采用压电传感器测定水在不同温度下的粘度、密度值和文献值相吻合,表明本方法的测定结果比较可靠。 2)我们通过控制不同的实验条件利用QCM实时监测了冰膜在石英晶片上的形成过程,结果发现随着冰膜的不断升华,分裂的各个小峰从低频向高频方向有规律的移动;当冰膜完全升华后,分裂的各个小峰又恢复为起初的谐振主峰,整个过程我们都采集了相应的图像资料,此现象还未有文献报道;然后通过控制实验条件在石英晶片上制得一层非常均匀且能暂时稳定存在的刚性冰膜,展开了对乙醇气体的吸附特性研究,实验表明乙醇气体在冰膜上的吸附与其浓度之间有良好的线性关系,为以后研制新型的压电结冰传感器提供一定的理论指导。 3)阻抗分析法是表征石英晶体微天平（QCM）响应特性的主要手段之一,能够给出QCM的谐振频率及其等效电路参数值。在阻抗分析法诸多测定仪器参数中,施加在石英晶体上的激励电位水平对测定结果的影响少见文献讨论。最近有文献报道称激励电平是一个很关键的测量条件,对QCM的粘度响应模式存在明显的影响。本文系统测定了激励电平对QCM的等效电路参数值以及QCM对表面质量、溶液粘度的影响,实验结果表明,在5-1000mV范围内改变施加于压电石英晶体上的激励电平,并不影响QCM的等效电路参数的测定值,为QCM阻抗分析中的参数设置提出不同的见解。